一种船闸输水阀门间歇开启工艺的优化方法与流程

1.本发明涉及船闸水力学技术领域，具体是一种船闸输水阀门间歇开启工艺的优化方法。


背景技术：

2.近年来，部分高水头船闸在排干检查中发现廊道及阀门段部分区域出现空化空蚀破坏现象。部分船闸在阀门开启过程中，输水廊道会出现雷鸣声和爆破声，输水阀门和水工建筑物强烈振动。当发生空化与声振时，阀门门后压力及液压系统启闭力均大幅增加，且脉动值很大，给液压系统造成剧烈冲击，甚至出现失稳现象，造成输水阀门系统构件的损坏。对于已建高水头船闸，为了改善和抑制船闸阀门段的空化与声振，一般采用阀门间歇开启的措施。即在船闸阀门运行至开度n后停止运行，运行停止时间（称为间歇时间）t后阀门再次启动开至开度1（全开状态）。采用合适的船闸间歇开启方法，可有效减小船闸输水最大流量，降低输水系统廊道的最大流速，减免空化及声振。与此同时船闸输水阀门采用间歇开启工艺后，将增加船闸运行时间，降低了船闸运行效率。
3.因此，采用合适的方法确定输水阀门间歇开启工艺（阀门间歇开度n、间歇时间t），即要能减免船闸运行过程的空化及声振，保证船闸运行安全，同时需要保证船闸输水时间能够满足通航效率要求，且阀门段门井水位不会出现脱空带气危害闸室内船舶停泊安全，是船闸运行管理部门和科研人员非常关注的一个问题。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种船闸输水阀门间歇开启工艺的优化方法，以减免阀门段的空化及声振，同时保证船闸输水时间增幅较小。具体来说是根据船闸设计及运行要求，对船闸闸室水位
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时间过程线、阀门段门井水位及空化噪声参数进行水力学原型观测，获得船闸运行过程中各水力学参数随阀门开度的变化曲线，通过对数据进行比较分析，对船闸的运行情况进行有效评估并确定合适的阀门间歇开启工艺。
5.为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种船闸输水阀门间歇开启工艺的优化方法，在船闸充、泄水过程中，对船闸运行过程中的输水时间、水位及空化噪声参数进行水力学原型观测，获得船闸运行过程中各水力学参数的变化特性，通过对数据进行比较分析，对船闸的运行情况进行有效评估并确定合适的阀门间歇开启工艺。
6.所述船闸运行过程中的水位观测输水时间观测，并根据实测结果绘制闸室充、泄水流量过程线和阀门井水位过程线；所述水位观测包括闸室水位观测、阀门井水位观测和检修门井水位观测。
7.所述闸室水位观测是在闸墙表面布置水位计进行闸室水位观测，水位计设置高度为测试期间闸室最低水位以下1.0m处；水位计布置在闸室中部。
8.所述阀门井水位观测和检修门井水位观测是通过输水廊道工作阀门井及其上、下游检修门井内布置的水位计进行水位观测；工作阀门井水位计设置在阀门全开时阀门顶部
以上0.5m处，检修门井水位计设置在该部位输水廊道顶部以上0.5m处。
9.输水时间通过船闸自身控制系统采集的数据获得。
10.阀门段空化观测利用布置在检修门井及工作门井，且与水位计布置高程一致的水听器进行阀门段空化特性观测。
11.所述优化方法具体包括以下步骤：步骤一：测试仪器安装，主要包括水位计、水听器安装及固定；步骤二：开展船闸输水参数观测，包括阀门运行过程空化噪声及水位的观测数据采集；步骤三：观测数据分析，根据观测数据绘制闸室水位变化过程线、闸室充、泄水流量过程线、阀门段水位变化过程线及阀门段声压级
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开度过程线；步骤四：根据输水时间、阀门段水位及阀门段空化噪声数据判别阀门间歇开启参数：间歇开度n0和间歇时间t0的合理性，当输水时间超过设计要求和（或）阀门段最低水位低于水位计布置高程和（或）阀门段的空化噪声声压级差超过20db，表明阀门间歇运行方式船闸输水不能满足通过能力要求和（或）阀门井、检修门井水位过低出现脱空带气风险较高和（或）输水阀门廊道发生了水流空化现象，继续实施步骤五；当输水时间满足设计要求、阀门段不会出现严重脱空带气，同时声压级差不超过20db，则无需调整阀门间歇开度n0及间歇时间t0，则阀门间歇开启工艺的阀门间歇开度为n0，间歇时间为t0，确定船闸输水阀门间歇开启工艺工作完成；步骤五：根据输水时间和（或）阀门段声压级
‑
开度过程线，确定下一组阀门间歇开启工艺的参数，重复步骤二~四。
12.声级差为声压级减去初始声压级，根据前期大量的原型观测确定输水廊道声压级差20db为临界值，超过20db表示输水廊道发生空化现象。
13.确定首次出现声压级差＞20db时刻的阀门开度n1，当0.1≤n1＜n0时，采用不等式
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0.05＜n
z
‑
n1≤0，确定阀门间歇开度n
z
及间歇时间t=0.5min，重复步骤一~步骤四。
14.当n1≥n0时，确定阀门间歇开度n0及间歇时间t=t0 0.5y，间歇时间单位min，y为自然数，，重复步骤一~步骤四；阀门连续开启时n0=1。
15.本发明有如下有益效果：本发明提出的一种船闸输水阀门间歇开启工艺的优化方法，既能减免阀门段的空化及声振，又能保证阀门段门井水位不会出现脱空带气，同时保证船闸运行时间增幅最小，即在保证船闸运行安全的同时尽量不影响通航效率，具有良好工程应用价值。以下结合具体实施案例说明本发明的实施效果。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
17.图1 船闸输水阀门间歇开启工艺的优化方法流程。
18.图2 门井声谱级过程线（现况运行）。
19.图3 门井声谱级过程线（优化方案）。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
21.实施例1：如图1
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3所示，一种船闸输水阀门间歇开启工艺的优化方法，在船闸充、泄水过程中，对船闸运行过程中的输水时间、水位及空化噪声参数进行水力学原型观测，获得船闸运行过程中各水力学参数的变化特性，通过对数据进行比较分析，对船闸的运行情况进行有效评估并确定合适的阀门间歇开启工艺。
22.进一步的，所述船闸运行过程中的水位观测输水时间观测，并根据实测结果绘制闸室充、泄水流量过程线和阀门井水位过程线；所述水位观测包括闸室水位观测、阀门井水位观测和检修门井水位观测。
23.进一步的，所述闸室水位观测是在闸墙表面布置水位计进行闸室水位观测，水位计设置高度为测试期间闸室最低水位以下1.0m处；水位计布置在闸室中部。
24.进一步的，所述阀门井水位观测和检修门井水位观测是通过输水廊道工作阀门井及其上、下游检修门井内布置的水位计进行水位观测；工作阀门井水位计设置在阀门全开时阀门顶部以上0.5m处，检修门井水位计设置在该部位输水廊道顶部以上0.5m处。
25.进一步的，输水时间通过船闸自身控制系统采集的数据获得。
26.进一步的，阀门段空化观测利用布置在检修门井及工作门井，且与水位计布置高程一致的水听器进行阀门段空化特性观测。
27.进一步的，所述优化方法具体包括以下步骤：步骤一：测试仪器安装，主要包括水位计、水听器安装及固定；步骤二：开展船闸输水参数观测，包括阀门运行过程空化噪声及水位的观测数据采集；步骤三：观测数据分析，根据观测数据绘制闸室水位变化过程线、闸室充、泄水流量过程线、阀门段水位变化过程线及阀门段声压级
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开度过程线；步骤四：根据输水时间、阀门段水位及阀门段空化噪声数据判别阀门间歇开启参数：间歇开度n0和间歇时间t0的合理性，当输水时间超过设计要求和（或）阀门段最低水位低于水位计布置高程和（或）阀门段的空化噪声声压级差超过20db，表明阀门间歇运行方式船闸输水不能满足通过能力要求和（或）阀门井、检修门井水位过低出现脱空带气风险较高和（或）输水阀门廊道发生了水流空化现象，继续实施步骤五；当输水时间满足设计要求、阀门段不会出现严重脱空带气，同时声压级差不超过20db，则无需调整阀门间歇开度n0及间歇时间t0，则阀门间歇开启工艺的阀门间歇开度为n0，间歇时间为t0，确定船闸输水阀门间歇开启工艺工作完成；步骤五：根据输水时间和（或）阀门段声压级
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开度过程线，确定下一组阀门间歇开启工艺的参数，重复步骤二~四。
28.声级差为声压级减去初始声压级，根据前期大量的原型观测确定输水廊道声压级差20db为临界值，超过20db表示输水廊道发生空化现象。
29.确定首次出现声压级差＞20db时刻的阀门开度n1，当0.1≤n1＜n0时，采用不等式
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0.05＜n
z
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n1≤0，确定阀门间歇开度n
z
及间歇时间t=0.5min，重复步骤一~步骤四。
30.当n1≥n0时，确定阀门间歇开度n0及间歇时间t=t0 0.5y，间歇时间单位min，y为自
然数，，重复步骤一~步骤四；阀门连续开启时n0=1。
31.实施例2：以某船闸为例进行说明，船闸单边充水，实际运行中发现阀门段空化及声振现象较为强烈，阀门现状运行方式为连续开启。第一次原型观测测得的阀门井声压级差过程线见图2。其中横坐标为时间、纵坐标为声压级，声压级值减去初始值即为声级差（f=100khz），4号线条为阀门开度过程线。声级差首次超过20db时刻对应的阀门开度n1=0.41。满足0.1≤n1＜n0，采用不等式
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0.05＜n
z
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n1≤0，确定阀门间歇开度n
z
=0.40及间歇时间t=0.5min。重复开展水力学原型观测。发现首次超过20db时刻对应的阀门开度n1=0.7。满足n1≥n0，确定阀门间歇开度n0=0.4及间歇时间t=1min，重复步骤一~步骤六；发现首次超过20db时刻对应的阀门开度n1=0.7。满足n1≥n0，确定阀门间歇开度n0=0.4及间歇时间t=1.5min，重复步骤一~步骤六；当循环至t=4min后，阀门间歇开启过程阀门段的声压级差均小于20db，且输水时间满足设计要求且阀门段门井水位未脱空带气，表明阀门间歇开启工艺所需的参数阀门间歇开度和间歇时间分别为n=0.4及t=4min。最终的门井声谱级过程线见图3。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。