水泵揚水調(diào)壓室和緩閉止回閥設(shè)置的研究

1水壓泵站停工所謂節(jié)水錘，是指由于水流很快的變化，一系列突然的壓力上升，導(dǎo)致頻繁的壓力上升。水錘事故往往造成給水管道爆裂、水泵及閥門損壞大量漏水乃至停水,有時會造成泵站淹沒毀壞,泵船沉沒、人身傷亡等嚴重事故。例如:武漢陽邏電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)事故,是在手工關(guān)閉凝汽器后面的閥門時,附近的管道破裂,大量水從裂口中射出,緊接著又立即停泵,導(dǎo)致水泵附近的管道炸裂,巨大的水柱從裂縫處噴出,致使泵房被淹,整個火電廠被迫停產(chǎn),經(jīng)濟損失巨大;天津盤山電廠補水管爆管事故,在分段及全線水壓試驗階段有10處爆管,在投產(chǎn)前的試運行階段,2#管3號轉(zhuǎn)角的上游第1節(jié)管和7#檢查井上游第3節(jié)管發(fā)生爆裂,機組投產(chǎn)后,2#管4號檢查井下游第2節(jié)管爆裂,不久2#管13號檢查井南約50m處又爆管,損失慘重。為避免發(fā)生破壞性水錘事故,目前工程界普遍設(shè)置氣壓式調(diào)壓室,其優(yōu)點在很多文獻里敘述。同時為了防止在水泵揚水的壓力輸水系統(tǒng)中,水泵斷電后過高的倒轉(zhuǎn)速損壞設(shè)備以及管道里的水倒流的事故,供水系統(tǒng)內(nèi)一般要設(shè)置止回閥。現(xiàn)今很多工程在帶有氣壓式調(diào)壓室的輸水系統(tǒng)中采用緩閉止回閥,但在此類系統(tǒng)中采用緩閉止回閥防護水錘的作用,及關(guān)閥快慢對水錘壓力的影響等目前未見詳細的研究。筆者以實驗為基礎(chǔ),結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬,詳細地闡述在壓力輸水系統(tǒng)中設(shè)置氣壓式調(diào)壓室及緩閉止回閥防護水錘的作用,并作了對比及補充試驗,糾正目前使用緩閉止回閥的一些誤區(qū),對提高壓力水系統(tǒng)安全性且降低工程成本具有現(xiàn)實意義。2特征線法計算結(jié)果水錘分析數(shù)學(xué)模型的重點在于研究水泵、氣室及緩閉止回閥的邊界條件,特征線法在管道系統(tǒng)水錘計算中應(yīng)用得比較普遍,其計算結(jié)果已得到許多試驗的驗證。筆者采用這種理論計算方法對裝有氣壓式調(diào)壓室和緩閉止回閥的水泵系統(tǒng)進行了水錘分析計算。2.1特征線上生成的常微分方程有壓管中的水力瞬變采用考慮管壁和水體彈性的彈性水擊運動方程和連續(xù)方程:L1=?Η?x+Vg×?V?x+1g×?V?t+fV|V|2gD=0L2=?Η?t+V?Η?x+a2g×?V?x+Vsinθ=0}(1)L1=?H?x+Vg×?V?x+1g×?V?t+fV|V|2gD=0L2=?H?t+V?H?x+a2g×?V?x+Vsinθ=0???(1)式中,H——測壓管水頭;V——流速;a——水擊波速;D——管徑;f——水力摩阻系數(shù)。其通用解法是特征線法,文獻中有詳細論述。對式(1)用一個未知因子λ進行線性組合:L=L1+λL2=?Η?x+Vg×?V?x+1g×?V?t+fV|V|2gD+λ(?Η?t+V?Η?x+a2?Vg?x+Vsinθ)=λ[?Η?t+(V+1λ)?Η?x]+1g×[?V?t+(V+λa2)?V?x]+λVsinθ+fV|V|2gD=0(2)據(jù)微分法則:dΗdt=?Η?t+?Η?xdxdtdVdt=?V?t+?V?xdxdt}(3)令dxdt=V+1/λ=V+λa2(4)則式(2)可以寫為λdΗdt+(1/g)dVdt+fV|V|/(2gD)+λVsinθ=0(5)從式(4)可解出λ的兩個特征值λ=±(1/a),將λ=1/a代入式(4)、式(5)。并且由于a?|V|,忽略Vsinθ和V得:C+:{1a×dΗdt+1g×dVdt+fV|V|2gD=0dx/dt=a}(6)將λ=-1/a代入式(4),式(5),忽略Vsinθ和V得:C-:{-1adΗdt+1gdVdx+fV|V|2gD=0dx/dt=-a}(7)這樣,偏微分方程就轉(zhuǎn)化為在特征線上成立的常微分方程:C+,C-?？衫锰卣骶€網(wǎng)格求解。2.2邊界條件的方程文獻對各種邊界條件有較詳細論述2.2.1指數(shù)k—氣壓式調(diào)壓室邊界條件調(diào)壓室中的壓力氣體服從可逆的多變關(guān)系pρ-K=C。式中,p——氣體壓強;ρ——氣體密度;C——常數(shù);指數(shù)K——一般取等溫過程K=1.0和等熵過程K=1.4的平均值,取K=1.2。調(diào)壓室連續(xù)性方程和動量方程為As(dΗ/dt)=QsLg×dQsdt=Η1-Η2-fsLQs|Qs|2gDsA2s-|Qs|QsgA2s式中,各參量的下標s表示調(diào)壓室。2.2.2發(fā)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速水泵邊界條件由機組轉(zhuǎn)動方程、水頭平衡方程和水泵全特性曲線組成。機組轉(zhuǎn)動方程:J(dω/dt)=Mg-M水頭平衡方程:H=Hp2-Hp1+ΔHp式中,J——水泵機組轉(zhuǎn)動慣量;ω——轉(zhuǎn)動角速度;Mg和M——電機轉(zhuǎn)矩和水泵軸力矩;H——水泵揚程。在水泵邊界條件與管道水擊方程聯(lián)合求解時要用到水泵全特性曲線,為便于求解,對水泵全特性曲線用SUTER等人提出的方法作了變換處理,這種變換的一個顯著特點是把參量變成相對量后;除q和n為0外,對任何的q和n的實數(shù),在特性曲線上都為單值函數(shù),克服了原特性曲線在鞍形區(qū)的多值現(xiàn)象,對此問題,文獻有詳細的闡述。2.2.3緩閉斷閥模型這種閥的關(guān)閉規(guī)律由3個階段組成:第一階段,水流正向流動,閥開啟較大,過閥的阻力系數(shù)很小;第二個階段為倒流開始時,閥的阻力由一個較小值變?yōu)橐粋€較大的值,這是一個突變過程;第三個階段為緩慢關(guān)閉階段,這時閥的阻力較小。將這3個關(guān)閉過程的阻力系數(shù)用分段線性插值的方法,分時段加入水錘計算公式。數(shù)學(xué)模型如下所述。在設(shè)有氣壓式調(diào)壓室的輸水系統(tǒng)中設(shè)置了緩閉止回閥,相當(dāng)于閥門為中間閥(即閥門串聯(lián)在管道中)。其基本方程如下:Q=CA√2gΗ結(jié)合連續(xù)方程以及特征線方程,可求出任意時段的瞬態(tài)流量3試驗和數(shù)值模擬3.1循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示,本實驗采用一機一管系統(tǒng)。實驗裝置系將實驗室總水箱中的水引至水箱,由此水箱引水至管道,再由水泵將水抽到高處的進水池。進水池內(nèi)設(shè)有一可調(diào)平水柵,以保持水庫水位恒定。水再由進水池回流,通至下游的泄水槽內(nèi),最后水流回到進水池,構(gòu)成了內(nèi)部循環(huán)水系統(tǒng)。調(diào)壓室用鋼板制成,直徑75cm,高133cm,上部為壓縮空氣,下部為水。水泵型號為6BA—12,設(shè)計流量44.5L/s,揚程20.1m,額定轉(zhuǎn)速為1450r/min,水泵額定效率81%,管徑0.15m。3.2動態(tài)水錘壓力量測系統(tǒng)水位振蕩量測裝置包括鉭絲電容式傳感器,采集電壓器及計算機;動態(tài)水錘壓力量測裝置包括OEM壓力傳感器、信號放大器、采集電壓卡及計算機;流量則主要通過矩形薄壁堰量測。3.3計算管道及參數(shù)表對如圖1所示的實驗?zāi)Ｐ瓦M行數(shù)值模擬時,主管中的水力瞬變用特征線法的C+和C-方程結(jié)合邊界條件進行求解,將整個系統(tǒng)分為6個管段,再按管段的最大公約數(shù)法確定了20個計算管段,從水泵斷電關(guān)閥時刻開始,逐時段求解。表1和表2為管線水力參數(shù)表及管道特性參數(shù)表。求解的初值條件為:初始流量:Q=0.063m3/s;初始揚程:H=14.92m;調(diào)壓室初始水面高程為0.66m;調(diào)壓室底部高程為-0.10m;調(diào)壓室升管長度為2.15m;調(diào)壓室中空氣的初始體積為0.25m3。3.4最小壓力值的計算從圖2中可以看出,兩條曲線的線形基本上是吻合的。這說明:對設(shè)置氣壓式調(diào)壓室及緩閉止回閥的壓力水系統(tǒng)所建立的數(shù)學(xué)模型和運用的數(shù)值計算方法是正確合理的。但是也有不一致之處:①計算結(jié)果的最小壓力值小于實測結(jié)果的最小壓力值,這主要是由于計算時主管與調(diào)壓室的連接管道的水頭損失取得偏小引起的;②是由于儀器的誤差而引起的。從圖3中可以看出,計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合得比較好,但有不同之處:其計算結(jié)果在閥關(guān)閉后水位波動的第一個周期內(nèi)的壓力谷值與試驗值吻合得不是很好,是由于計算時閥門關(guān)閉所設(shè)定的時間比實際閥門關(guān)閉時間要長引起的;由于計算中采用恒定的波速,又忽略了紊流脈動流中管道摩阻的影響,因而計算結(jié)果一般來說是偏保守的;同時還有部分誤差是由于儀器的率定誤差所造成的。4補充實驗和理論分析4.1閥緩閉環(huán)路緊保護室波高、壓力測試共分4種工況進行?；舅枷胧峭ㄟ^改變針閥大小或閥門連桿的重量來調(diào)節(jié)閥門的關(guān)閉時間。每種工況測4組數(shù)據(jù),以求消除誤差:(1)分段關(guān)閉時間分別為t1=1.17s,t2=4.73s。在這種工況下,調(diào)壓室波高第一次峰值1.2245206m,波高最小值1.1108406m;閥后壓力第一次峰值15.95853125m,壓力最小值2.8798208m。(2)分段關(guān)閉時間分別為t1=1.5s,t2=3.5s。在這種工況下,調(diào)壓室波高第一次峰值1.23121029m,波高最小值1.12136029m;閥后壓力第一次峰值15.7381625m,壓力最小值2.80636458m。(3)分段關(guān)閉時間分別為t1=1.27s,t2=2.67s。在這種工況下,調(diào)壓室波高第一次峰值1.2270874m,波高最小值1.1226174m;閥后的壓力第一次峰值15.7136771m,壓力最小值2.7678875m。(4)分段關(guān)閉時間分別為t1=1.33s,t2=1.73s。在這種工況下,調(diào)壓室波高第一次峰值1.23232466m,波高最小值1.13898466m;閥后壓力第一次峰值15.6786979m,壓力最小值2.655954m。對比4種工況下的波高及壓力,可以得出結(jié)論:在帶有氣壓式調(diào)壓室、水泵揚程高、壓力水管短的供水系統(tǒng)中,緩閉止回閥快關(guān)的程度對水錘壓力的影響甚微。究其原因,因管道中設(shè)置了氣壓式調(diào)壓室,氣壓式調(diào)壓室通過室內(nèi)空氣的膨脹和壓縮來調(diào)節(jié)水位的漲落幅度,它的作用是減小管道內(nèi)的水擊壓力,而且防止發(fā)生液柱分離。當(dāng)水泵斷電時,由于管道距離較短,故水流慣性小;又因為高揚程,所以水流倒流速度很大,管道內(nèi)會發(fā)生大水錘,因此必須快速關(guān)閉閥門,越快越好。而緩閉止回閥的特點是先快關(guān)后慢關(guān),它先以很快速度關(guān)閉閥門到一個小角度,再慢關(guān),由于其快關(guān)的時間很短(以秒計),調(diào)整幅度也很小,相對于氣壓式調(diào)壓室對水錘壓力的調(diào)節(jié)來說是很微小的。這就產(chǎn)生了上面的結(jié)果:調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉速度對調(diào)壓室波高影響很小,對閥后壓力影響也很小。4.2采用緩閉斷口閥從圖4可以看出閥后最大壓力為19.64m,閥后最小壓力為4.85m。對比圖3可知,采用普通止回閥和采用緩閉止回閥波形很相似,而且盡管采用緩閉止回閥閥后壓力相對較小一點,但采用普通止回閥的閥后壓力并沒有超過其揚程。因此,可以用普通止回閥代替緩閉止回閥。結(jié)合前面的試驗及理論分析,可以得出如下結(jié)論:在設(shè)置了氣壓式調(diào)壓室、水泵揚程高、壓力水管短的供輸水系統(tǒng)中,完全可以用普通止回閥來代替緩閉止回閥。5結(jié)論和建議5.1緩閉斷環(huán)閥的設(shè)置(1)計算結(jié)果和實測結(jié)果的吻合說明所建立的數(shù)學(xué)模型是合理的,數(shù)值模擬所用的計算方法也是正確的,設(shè)計單位在設(shè)計壓力水系統(tǒng)時,可以先用此軟件進行試算以達到優(yōu)化設(shè)計的目的。(2)在設(shè)置氣壓式調(diào)壓室、水泵揚程高、壓力水管短的水泵揚水輸水系統(tǒng)中,緩閉止回閥關(guān)閉速度的快慢對水錘壓力影響很小,在這種系統(tǒng)中,可以不采用緩閉止回閥。這是筆者的創(chuàng)新之處。這一結(jié)論既保證了工程的安全性,又可以極大地降低工程造價。(3)在設(shè)置氣壓式調(diào)壓室、水泵揚程高、壓力水管短的供水系統(tǒng)中,希望閥門關(guān)得越快就越能減小機組反向轉(zhuǎn)速,避免發(fā)生反向飛逸事故,而普通止回閥就具有這種功能,它一次關(guān)閉,且關(guān)閉時間很短,因此可以用普通止回閥代替緩閉止回閥。這一結(jié)論有很強的實用性。5.2設(shè)置水泵回轉(zhuǎn)系統(tǒng)關(guān)于緩閉止回閥的應(yīng)用范圍,筆者作了如下總結(jié):(1)在未設(shè)置氣壓式調(diào)壓室的供水系統(tǒng)中,特別是水泵揚程高、流量大、壓力水管道長的系統(tǒng)中,緩閉止回閥的作用是明顯的。目前較多采用液控緩閉蝶閥。在水泵斷電時,此種閥可按預(yù)定的時間和角度,分快、慢二階段關(guān)閉,能有效地降低管網(wǎng)中壓力的波動,消除流體在管網(wǎng)中的水錘危害,控制水泵反轉(zhuǎn),從而保護水泵和管網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行,同時還可將其作為水泵主閥使用,用一閥代替兩閥(代替閘閥和止回閥)。其具有性能可靠,調(diào)節(jié)方便,有最小流阻系數(shù),具有更大節(jié)能效果,操作更簡便的特點。我國設(shè)計生產(chǎn)的防護水錘的液控緩閉蝶閥在世界上也是比較先進的。(2)設(shè)置氣壓式調(diào)壓室、水泵揚程高、壓力水管短的供水系統(tǒng)中,緩閉止回閥的作用不明顯,可以采用普通止回閥來代替。(3)在水泵揚程低的長距離供水系統(tǒng)中,