禹門口提水東擴工程二級泵站蝶閥加空氣閥聯合防護下水力過渡過程的數值模擬研究

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 吳建華 劉婧 程洪霞
上傳時間:2010/6/9 16:34:00

  摘 要:隨著供水距離的加大及電機制造工藝的進步,水泵機組越來越小型化、輕量化,壓力管道的安全運行已經成為研究的重點。本研究通過建立水泵及空氣閥邊界的數學模型,基於計算機數值模擬以期優化蝶閥關閉並確定空氣閥位置及數量,結合工程實例提出供水系統經濟安全的運行制度。
  關鍵詞:供水工程;水錘;空氣閥
  Abstract: With supplying water from increasing progress of manufacturing engineering as electrical machinery,more and more miniaturized , light quantization of the water pump assembly, the pressure is managed the safe operation of one has already become the focal point studied. Pass article it set up water pump and air valve mathematics model of border,because of the numerical simulation of the computer is in the hope of optimizing butterfly valve closing and positioning air valve and quantity,combine the project instance and propose supporting the river system operation system of the economic security of interconnected system.
  Key words: water supply project;water hammer;air valve
  
  1 供水工程水力過渡過程數值模擬研究的目的
  壓力管路的安全運行,是設計者必須首先考慮的問題,在設計階段,數值模擬管道過渡過程的方法不失為一種既經濟又安全的方法。文章研究目的:建立水泵邊界、蝶閥邊界、空氣閥邊界及運行方式邊界條件的數學模型,通過計算機數值模擬優化蝶閥關閉,並結合工程實例計算確定空氣閥位置,對蝶閥加空氣閥的聯合防護措施進行模擬,提出供水系統經濟合理的運行制度。
  2 水力過渡過程數值模擬的原理
  2.1 特征線法的計算原理
  文章利用特征線法將運動偏微分方程和連續偏微分方程變換為全微分方程,用差分方法借助計算機算出任一瞬時各斷面上的水力參數。
  設A、B和P為管道上兩個相鄰的斷面,斷面間的距離為△x。如果在t0時刻A斷面和B斷面處的水頭H和流量Q己知,根據下列正、負水錘特征方程聯立求解,即可求得t0+△t時刻的管中p斷面的水頭H和流量Q,即:
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   A:管徑過流斷面積。
  聯立求解方程式(1)和(2),即可根據管路A點和B點在t0時的已知值QA、HA、QB、HB,求出t0+t時的管路P點的QP、HP值為
  2.2 空氣閥邊界條件
  假定:①空氣等熵地流進流出閥門;②管內氣體的變化遵守等溫規律;③進入管道的空氣留在它可以排出的閥附近;④液體表面的高度基本不變,而空氣的體積和管段裏的液體體積相比很小。流過空氣閥的空氣質量流量分下述4種情況:

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  當不存在空氣及水壓高於大氣壓時,空氣閥接頭處的邊界條件就是Hpi和Qpi的一般內截面解。當水頭降到管線高度以下時,空氣閥打開讓空氣流入,在空氣被排出之前,氣體滿足恒定內溫的完善氣體方程:
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  式中:V0:時刻t0的空穴體積;
   Qi:時刻t0流出斷面i的流量;
   QPi:時刻t流出斷面i的流量;
   QPXi:時刻t0流入斷面i的流量;
   QPPi:時刻t流入斷面i的流量;
   Ma0:時刻t0空穴中空氣的質量;
   Ma0':流入或流出空穴的空氣質量流量;
   Ma':時刻t流入或流出空穴的空氣質量流量。
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  其中,Ha:大氣壓頭(絕對壓頭);
   r:液體容重;
   Z:空氣閥位置高程。
  3 禹門口提水東擴工程二級泵站工程實例
  禹門口提水東擴工程位於山西省中南部,是向臨汾、運城六縣市(新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城)工農業以及農村生活供水的保障性給水工程。年農業供水量(包括汾河生態用水)
  8 095萬m3,工業供水8 031萬m3,總計1.61億m3。
  工程幹線起點位於新絳縣的禹門口提水工程二級幹渠光馬渡槽末端,終點位於距翼城縣城6 km的西梁水庫。其間分別設置了向襄汾原井灌區供水支線、新絳供水提水支線、侯馬和曲沃分水口、汾河生態補水輸水支線、侯馬北莊灌區分水口、澮河灌區供水支線等。另在禹門口提水工程二級幹渠樁號Q44+324處,設置了向稷山汾南灌區供水支線。工程沿線共布置調蓄水庫2座,提水泵站4座,主管線全長48.8 km,支管線總長20.0 km,輸水幹渠總長11.4 km,支渠總長34.3 km。
  (1)禹門口東擴提水工程二級泵站主要技術資料見表1。

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 (2)輸水管線系統:長度為13.58 m,管材為PCCP管,管徑為1.8 km,管道流量為5.065 m3/s。
  (3)二級泵站工程平面示意,見圖1。

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  (4)水泵出口液控蝶閥資料。
  本模擬計算中資料取自蝶閥生產廠家提供並且常用的蝶閥的特性資料,見表2。

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 4 二級泵站水力過渡過程數值模擬的結果及分析
  (以下所有描述全部以泵系統最不利工況進行說明,所用全特性曲線是利用BP神經網絡預測的結果。)
  (1)水錘波傳播速度及摩阻,見表3。

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  壓力主管道水力過渡過程的數值模擬以調整播速法,計算方式上,以偏微分方程下的叠代求解進行檢驗,以供水泵站工程的相關技術規範為標準進行。根據設計單位提供的壓力主管道鋼筒混凝土管(PCCP管)的糙率是0.0125,由於水力過渡過程計算中采用摩阻系數,經計算得:鋼筒混凝土管的摩阻系數是0.0166。
  (2)泵出口閥門拒動作(閥門不關閉)工況。本工況反應了當出口閥門在需要關閉時無法正常關閉工況下的水泵特征量,見表4。

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  從表4可以看出,在發生事故停泵後第29.13 s,水泵開始倒流,在發生事故停泵後的第31.63 s,水泵開始倒轉,最大倒轉轉速74 r/min,為額定轉速的0.08倍,沒有超過《泵站設計規範》要求的“水泵倒轉轉速不得超過額定轉速的1.2倍”的要求,最大壓力為195.8 m,為額定壓力的2.38倍,不滿足《泵站設計規範》“水泵最大壓力不得超過額定壓力的1.3~1.5倍”的要求。為了保證水泵機組的安全,應采取其他措施以防止泵出口無閥門防護或是當閥門拒動作時,機組的長時間高速倒轉,並且應采取合理措施以保證管路安全。
  (3)泵出口蝶閥優化關閉工況。在選擇閥門關閉程序時,以兩階段關閉,快關角度和快關行程,慢關角度和慢關行程來控制管道的壓力和水泵機組的倒轉轉速。計算的最優關閥結果見表5。

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  由計算結果可見,蝶閥有效遏制了水泵機組的倒轉現象,但同時也必然加劇了水泵出口的壓力升高,二級泵站同型號並聯泵同時停泵時泵出口最大壓力為穩態時的179.1%,達到147.2 m。最大壓力將接近管道壓力等級,最小壓力也接近汽化壓力,應註意加固保護,可以通過安裝進排氣閥來實現。
  (4)泵出口蝶閥加排氣閥聯合防護工況。長輸水管路的凸起處在停電和停泵後水壓常常降到蒸汽壓力以下,引起液體局部汽化產生空泡,出現水柱拉斷現象(也就是產生真空),為了保護管路,沿管路凸起處可以設置進排氣閥。進排氣閥的作用是當閥門處管內壓力降低到低於大氣壓(或預先規定的最小壓力)時,閥門打開讓空氣進入;當管內水壓增加到大氣壓以上時,閥門允許空氣逐漸流出。在一般情況下,這種閥門不允許液體漏入大氣,在排除管道中的空氣時具有自動關閉的功能。下述計算中,所采用的空氣閥直徑為0.3 m,進氣流量系數為0.95,排氣流量系數為0.65。
  據計算機模擬試算,建議安裝9個空氣閥後該工程可達到安全規範要求,樁號為:23+248;23+927;29+020;30+038;31+736;33+433;34+112;34+452;35+470。計算結果見表6。

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  在裝設9個進排氣閥後,管路壓力符合安全規定。由於工程設計中根據管道壓力分布布置了不同壓力等級管道,本計算對各管段內可能出現的最大壓力進行復核計算,均滿足要求規範。
  (6)壓力管線壓力分布的包絡圖,見圖2。

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  5 研究結論
  (1)計算結果說明,蝶閥在優化關閉程序後可以有效防止供水機組的倒轉現象,在一定程度上可以減小供水系統的水錘壓力,從系統安全運行、水錘防護的設備制造及本模擬計算的結果綜合考量,說明本供水系統選用蝶閥防護的方案是可行的、合理的。
  (2)由於泵站工程的機組轉動慣量較以往使用的機組轉動慣量小10倍之多,水錘壓力較大,因此必須研究加強水柱分離的防護措施。
  (3)泵站工程壓力管線設計中采用了一定數量的進排氣閥,在很大程度上可以對壓力管路的安全起到防護作用,模擬計算說明由於進排氣閥的進氣和排氣作用,整個供水泵站工程在允許的壓力範圍內偏於安全。
  (4)鑒於目前排氣閥的市場供應和技術水平,對排氣閥特作如下建議和說明:輸配水管道,尤其是較長距離的輸水管道,平穩順暢地排出管道氣體,對管道的安全運行至關重要,事實表明,選用嚴重技術缺陷的排氣閥是造成管道排氣不暢,汽水相間運行,許多輸水管道大量爆管的主要原因。本模擬計算中,由於各級泵站選用節能的電機產品,轉動慣量較小,因此水錘的防護以蝶閥和排氣閥聯合防護為主要的技術手段,顯然排氣閥的合理選用非常重要。

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