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閥門(mén)特性對泵站水力過(guò)渡過(guò)程的影響
來(lái)源:哲成閥門(mén) 作者:www.57k7.com 發(fā)布時(shí)間:2019-7-29 閱讀:次
  

我國水資源雖然總量豐富,但在空間上分配極不均衡,因此,興建了一大批諸如南水北調、引黃濟青、引灤入津、引江濟淮等著(zhù)名的大型調水工程,為我國經(jīng)濟建設和民生保障做出了巨大貢獻。但是,在調水工程中,由于事故停泵或閥門(mén)快速啟閉引發(fā)的水力過(guò)渡過(guò)程是調水工程安全運行最主要的威脅之一?刂崎y是泵站輸水系統中的主要裝置,它安裝在水泵出口處,主要用于事故停泵時(shí),在重力或液壓系統的作用下自動(dòng)關(guān)閉,防止水倒流沖擊水泵引起飛逸反轉破壞機組。但是如果選型不當或閥門(mén)關(guān)閉規律不良容易造成嚴重的關(guān)閥水錘,威脅調水工程的運行安全[1]?刂崎y在泵站防護中的應用較早,經(jīng)歷了從傳統的普通止回閥、防水錘止回閥,到防水錘偏心蝶閥、偏心球閥、偏心半球閥、多功能水泵控制閥以及兩階段液控蝶閥、液控球閥等過(guò)程,這些都表明人們對控制閥的水錘防護性能日益重視[2]。

自1970年P(guān)ropson[3]提出閥調節理論以來(lái),通過(guò)調節閥門(mén)控制管道中的水力瞬變過(guò)程成為了研究方向。隨后,Gillessen[4]、陳明[5]和Choi等[6]進(jìn)一步對閥門(mén)調節理論應用于閥門(mén)啟閉及事故停泵等情況下的水錘防護進(jìn)行了詳細論述。楊麗明等[7]對泵站輸水工程中緩閉止回閥的使用范圍進(jìn)行了分析,并針對有無(wú)設置氣壓式調壓室的不同泵站,分析了緩閉止回閥的水錘防護效果。王念慎[8]等對多功能水泵控制閥的設計原理進(jìn)行了闡述,這種閥門(mén)在其主閥板上留有泄流孔。在發(fā)生事故停泵時(shí),主閥板以較快速度關(guān)閉,允許一部分水流通過(guò)泄流孔泄流,最后再通過(guò)可調節流速的旁通管控制泄流孔的關(guān)閉時(shí)間。這樣既能保證較小流量的倒轉水流不至于使水泵的反轉速度過(guò)大,又能緩和關(guān)閥帶來(lái)的水錘沖擊。王學(xué)芳等[9]在專(zhuān)著(zhù)《工業(yè)管道中的水錘》一書(shū)中指出了傳統普通止回閥在水錘防護方面的缺陷,并詳細闡述了防水錘型止回閥和防水錘型偏心蝶閥的結構特點(diǎn)、阻力特性試驗以及關(guān)閥特性?xún)?yōu)化等研究。Zhu等[10]還研究了利用優(yōu)化的復合型空氣閥設置參數和兩階段液控蝶閥聯(lián)合控制停泵水錘,取得了良好效果。王麗[11]、郭亞麗[12]等均針對兩階段緩閉式液控閥的水錘防護特性,分析研究了兩階段關(guān)閉規律優(yōu)化問(wèn)題,對快關(guān)時(shí)間、快關(guān)角度、慢關(guān)時(shí)間和慢關(guān)角度對閥門(mén)出口水壓以及沿程壓力包絡(luò )的影響進(jìn)行了分析,提出的最優(yōu)關(guān)閉規律均能在一定的關(guān)閉時(shí)間內,有效降低關(guān)閥時(shí)產(chǎn)生的水擊壓力,但研究多針對某一特定工程,難以直接套用于其他工程。從上述研究可以看出,目前對控制閥的水錘防護研究多集中于控制閥的結構設計優(yōu)化以及關(guān)閉規律的優(yōu)化方面,對于控制閥理想阻力特性的研究較少。Tørdal[13]和Kodura[14]也對壓力管道的水力瞬變過(guò)程進(jìn)行了研究,認為閥門(mén)的關(guān)閥特性是模擬關(guān)閥水錘的關(guān)鍵,它的誤差是造成水力過(guò)渡過(guò)程數值模擬結果與實(shí)驗結果偏差較大的重要原因之一。楊開(kāi)林等[15]針對高落差的重力流輸水工程中的水錘防護難題,提出了一種能夠有效控制水擊壓力的多噴孔套筒式調流閥的設計原理,可顯著(zhù)改善管道中水擊壓力情況或縮短閥門(mén)控制時(shí)間,給泵站有壓管道輸水工程的水擊控制提供了一個(gè)新思路。

本文以水泵出口控制閥為研究對象,通過(guò)理論推導和數值模擬相結合的研究手段,建立水泵出口控制閥門(mén)的相對流量系數與閥門(mén)相對開(kāi)度的理想關(guān)系模型,保證事故停泵閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中既能抑制水泵機組的飛逸反轉,又能使得水擊壓力不至上升過(guò)高。并且通過(guò)數值模擬分析閥門(mén)特性對泵站水力過(guò)渡過(guò)程的影響,對比分析幾種典型的閥門(mén)特性,驗證提出的理想閥門(mén)特性的水錘控制效果。研究成果對于調水工程中控制閥的合理選型,以及改進(jìn)控制閥設計理念具有重要的指導意義。

1數學(xué)模型

1.1管道水擊方程

泵站壓力管路中水流動(dòng)態(tài)特性可由水流運動(dòng)方程和連續方程等一對偏微分方程組來(lái)描述,利用特征線(xiàn)法可將其轉化為如下所示的有限差分方程,也稱(chēng)為相容性方程[16]

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式中:Hpi、Qpi分別為t時(shí)刻的未知水頭和流量;Cp=Hi1+BQi1 、Cm=Hi+1BQi+1 、Bp=B+R|Qi1| 、Bm=B+R|Qi+1| tΔt 時(shí)刻的已知量;其中i為管道內計算截面的編號;B=a/(gA) ,R=fΔx/(2gDA2) ;a為水擊波速(m/s);g為重力加速度(m/s2);A為斷面面積(m2);f為摩阻系數;D為管路直徑(m);Δx 為空間步長(cháng)(m);Δt 為時(shí)間步長(cháng)(s)。

1.2水泵邊界條件

水泵的邊界條件可由力矩平衡方程和水頭平衡方程來(lái)描述,它們是一組非線(xiàn)性方程,在求解時(shí)需要運用水泵的全特性曲線(xiàn)。

1.2.1水泵的全特性曲線(xiàn)

由于水泵主要工況參數之間的關(guān)系復雜,難以直接用數學(xué)函數表達,而通過(guò)將轉輪模型試驗測得的離散數據點(diǎn)繪制成曲線(xiàn)的方式來(lái)表達,這種描述不同運行工況下水泵的過(guò)流量Q、水頭H、轉速N和力矩M等工況參數相互之間關(guān)系的曲線(xiàn),稱(chēng)為全特性曲線(xiàn)。為了方便數值求解,通常需要對全特性曲線(xiàn)開(kāi)展相應的數學(xué)變換。采用常用的Suter變換,它的變換形式如下:

WH(x)=hq2+n2

WB(x)=mq2+n2

{x=arctanqnn0x=π+arctanqnn<0

式中:h=H/Hr 為相對水頭;q=Q/Qr 為相對流量;n=N/Nr 為相對轉速;N為轉速(r/min);m=M/Mr 為相對力矩;M為水泵的軸力矩(N·m);下標r代表額定值。

由于轉輪全特性模型試驗耗時(shí)耗力,多數情況下,水泵廠(chǎng)家不提供水泵的全特性曲線(xiàn)。這時(shí),可利用現有的水泵全特性曲線(xiàn)數據插值獲得。一般而言,比轉速相同的水泵是相似的,其全特性曲線(xiàn)相近,Suter變換保持了水泵的相似關(guān)系。水泵比轉速的定義如下:

ns=3.65NQH3/4

對于雙吸泵,應以Q/2 代替式(6)中的Q計算水泵的比轉速。

1.2.2力矩平衡方程

水泵機組的瞬時(shí)力矩可由下式表示:

n=n0+mg+mg0(m+m0)2TaΔt

式中:下標0代表t = t0時(shí)刻;mg = Mg/Mr為電磁阻力矩相對值;Mg為電磁阻力矩(N·m);Ta為機組慣性時(shí)間常數(s)。

當水泵機組事故斷電時(shí),電磁阻力矩Mg = 0,則由式(7)可得

n=n0m+m02TaΔt

1.2.3水頭平衡方程

根據圖1所示的水泵邊界示意圖和文獻[17]可知,水泵水頭可表示為:

Hp=Cm2Cp1+(Bp1+Bm2)Qrq+Ch|q|q

式中:下標1、2分別代表出水管進(jìn)口斷面和吸水管出口斷面;Ch=Qr2[1/(2gA22)1/(2gA12)] 。

圖1 水泵邊界示意圖   下載原圖

Fig.1 Boundary conditions of pumps

聯(lián)立式(3)~式(5)、式(8)和式(9),即可求出水泵節點(diǎn)的瞬態(tài)參數Hp、Qp、NpMp等。

2水泵出口控制閥的理想特性

根據圖2所示的泵站輸水工程示意圖,以水泵安裝高程斷面作為基準面,在進(jìn)水池斷面1-1和出水池斷面2-2建立伯努利能量方程,有:

Z1+P1ρg+α1Q22gA12+Ht=Z2+P2ρg+α2Q22gA22+hf+ΔH

式中:下標1,2分別代表進(jìn)、出水池斷面;Z 為相對于基準斷面的高程(m);P 為斷面壓強(Pa);ρ 為水的密度(kg/m3);α 為動(dòng)能修正系數,一般可取1;Ht 為水泵的工作揚程(m);hf=SQ2 為管道水頭損失(m);S為管道阻抗系數;ΔH=ζQ2/(2gAV2) 為控制閥水頭損失(m);ζ 為閥門(mén)阻力系數;AV 為閥門(mén)流通面積(m2)。

P1 、P2 為進(jìn)、出水池表面大氣壓力,由于進(jìn)、出水池表面大氣壓力差別較小,可認為P1=P2 ;一般而言,斷面行近流速水頭α1Q2/(2gA12) 、α4Q2/(2gA22) 很小,可忽略不計。則由式(10)可得

Ht=ΔZ+SQ2+ΔH

式中:ΔZ=Z2Z1 。

圖2 泵站輸水工程示意圖   下載原圖

Fig.2 Layout of water conveyance system in a pump station

τ=ζa/ζ ,則控制閥的水頭損失可改寫(xiě)為:

ΔH=ΔHaQaQ2τ2

式中:下標a代表閥門(mén)全開(kāi);τ 為相對流量系數。

假定上、下游水位不變,即ΔZ=Const ;當閥門(mén)全開(kāi)時(shí),由式(11)可得:

S=HtaΔZΔHaQa2

根據文獻[15]的研究可知,當閥門(mén)的過(guò)流量與閥門(mén)相對開(kāi)度y呈線(xiàn)性關(guān)系時(shí),此時(shí),閥門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中的流量變化平穩,關(guān)閥水錘最小。因此,可假設理想的情況是

Q=Qay

式中:y為閥門(mén)的行程相對開(kāi)度。

將式(12)~式(14)代入式(11),移項可得

Ht=ΔZ+(HtaΔZΔHa)y2+ΔHaτ2y2

整理可得水泵出口控制閥相對流量系數τ 與相對開(kāi)度y的理想關(guān)系如下:

τ=yΔHaHtΔZ(HtaΔZΔHa)y2

當閥門(mén)的初始開(kāi)度不同,水泵的工作揚程Ht也不同,則根據式(16)可知,控制閥的理想特性關(guān)系隨初始開(kāi)度變化而變化。當閥門(mén)初始開(kāi)度為1時(shí),Ht=Hta ,則有

τ=yΔHaHtaΔZ(HtaΔZΔHa)y2

當水泵出口控制閥滿(mǎn)足式(17)的理想特性關(guān)系時(shí),同樣關(guān)閥時(shí)間的情況下引起的關(guān)閥水錘最小。圖3展示了理想情況下水泵出口控制閥的相對流量系數τ與閥門(mén)相對開(kāi)度y的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可以看出,水泵出口控制閥的理想特性曲線(xiàn)是下凹型曲線(xiàn)。值得注意的是,上述理想特性是基于恒定總流的能量方程推導而得的,當發(fā)生事故停泵時(shí),受管道水擊及水泵全特性的影響,閥門(mén)過(guò)流量與閥門(mén)相對開(kāi)度并不呈線(xiàn)性變化。

圖3 水泵出口控制閥的理想特性曲線(xiàn)   下載原圖

Fig.3 Ideal characteristic curves of pump outlet control valves

3工程實(shí)例分析

某地下泵站設計安裝5臺單級雙吸臥式離心泵,三工兩備,單泵設計流量1.05 m3/s,設計揚程130 m,額定轉速993 r/min,比轉速68.21,機組飛輪力矩GD2為1116 kg·m2。工程由5根直徑DN800 mm的進(jìn)水鋼管從進(jìn)水池取水,經(jīng)機組后,由5根直徑DN700 mm的出水支管匯合成一根DN1800 mm的總管后垂直出廠(chǎng)房。水泵出口控制閥采用DN700 mm的液控半球閥,全開(kāi)時(shí)的閥門(mén)阻力系數ζa=0.07 。泵站布置示意圖如圖4所示,管道和水泵機組的特征參數分別見(jiàn)表1和表2,采用調整波速法確定管道分段數,調整后水擊波速的相對誤差最大值僅為2.5%,在允許偏差范圍內。

表1 泵站管道特征參數 導出到EXCEL

Tab.1 Characteristic parameters of pipeline

管道編號

管徑/ m

管長(cháng)/ m

曼寧糙率

水擊波速/ (m·s-1)

管道分段數

調整后的水擊波速/(m·s-1)

水擊波速的相對誤差/ %

P1

0.8

23.0

0.012

1103

21

1095.2

0.7

P2

0.7

7.0

0.012

1197

6

1166.7

2.5

P3

1.8

366.0

0.014

1258

291

1257.7

0

表2 水泵機組特征參數 導出到EXCEL

Tab.2 Characteristic parameters of pump units

項 目

指 標

數 值

水泵

高效區揚程 /m

139

130

120

高效區流量 /(m3·s-1)

0.88

1.05

1.21

高效區效率 /%

85.20

86.50

86.15

額定轉速 /(r·min-1)

993

GD2 /(kg·m2)

238

配套電機

額定功率 / kW

1800

額定電壓 / kV

10

同步轉速 /(r·min-1)

993

GD2 /(kg·m2)

878

圖4 泵站布置示意圖   下載原圖

Fig.4 Layout of the pump station

計算工況為:進(jìn)水池水位為1264.65 m,下游出水池水位為1395.00 m,三臺工作水泵正常運行,1 s后同時(shí)突然事故掉電,水泵出口控制閥采用48 s線(xiàn)性關(guān)閉規律。

對圖5四種典型閥門(mén)特性下的事故停泵過(guò)程進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程數值模擬,計算時(shí)間步長(cháng)Δt 取為0.001 s,其中曲線(xiàn)4的下凹曲線(xiàn)為控制閥的理想特性曲線(xiàn)。通過(guò)穩態(tài)計算,首先得到閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的過(guò)閥損失ΔHa 和水泵的工作揚程Hta ,然后將本工程參數ΔZ=130.35m 、ΔHa=0.02mHta=130.66m 代入式(17),可得本工程控制閥的理想特性為:

τ=y0.020.310.29y2

圖5 四種水泵出口控制閥的特性曲線(xiàn)   下載原圖

Fig.5 Characteristic curves of four pump outlet control valves

模擬得到的控制閥出口壓力變化過(guò)程及理想閥門(mén)特性下的壓力包絡(luò )見(jiàn)圖6和圖7,控制閥出口和管路沿線(xiàn)壓力極值結果見(jiàn)表3。從中可以看出,當控制閥特性采用上凸特性時(shí),管路沿線(xiàn)最大水壓達到210.31m,超過(guò)了水泵出口額定壓力(135.70 m)的1.5倍,不滿(mǎn)足規范要求,因此,在進(jìn)行控制閥選型時(shí),應避免選擇上凸形閥門(mén)特性;當采用線(xiàn)性特性時(shí),管路沿線(xiàn)最大水壓達到185.32 m,約為水泵出口額定壓力的1.37倍,管道承壓仍然很大,導致管道投資增加;當采用特性曲線(xiàn)3和特性曲線(xiàn)4的下凹特性時(shí),管路沿線(xiàn)最大水壓顯著(zhù)減少,僅分別為水泵出口額定壓力的1.17倍和1.12倍,理想的特性曲線(xiàn)4較最不利的上凸特性最大水壓降低了約60 m水頭,可極大地降低管道投資,表明理想的控制閥特性應為下凹形;此外,控制閥采用下凹形特性對于管道中的最小壓力也是有利的,較最不利的上凸形特性最小水壓提升了約9 m水頭,有效抑制了管路中負壓的產(chǎn)生。

圖6 控制閥出口壓力過(guò)程線(xiàn)   下載原圖

Fig.6 Pressure process of control valve outlet

圖7 理想特性下的測壓管水頭沿程分布   下載原圖

Fig.7 Distribution of piezometric head under ideal characteristics

表3 控制閥出口和管路沿線(xiàn)壓力極值 導出到EXCEL

Tab.3 Extreme pressure of control valve outlet and pipeline

閥門(mén)特性編號

控制閥出口

管路沿線(xiàn)

最大壓力/ m

最小壓力/ m

最大壓力/ m

最小壓力/ m

特性曲線(xiàn)1

210.31

60.53

210.31

2.58

特性曲線(xiàn)2

185.32

78.84

185.32

10.45

特性曲線(xiàn)3

159.07

78.85

159.07

11.80

特性曲線(xiàn)4

151.71

78.85

151.71

11.81

4結論

針對泵站輸水工程中水泵出口控制閥的選型問(wèn)題,本文通過(guò)理論推導,建立了水泵出口控制閥門(mén)的相對流量系數與閥門(mén)相對開(kāi)度的理想關(guān)系模型。并基于工程實(shí)例,通過(guò)水力過(guò)渡過(guò)程數值模擬,對比分析了幾種典型的閥門(mén)特性,得到以下結論:

(1)控制閥特性是泵站水力過(guò)渡過(guò)程的重要影響因素,理想的控制閥特性應為下凹形曲線(xiàn)。因此,在泵站工程的控制閥選型中,應盡量選擇特性曲線(xiàn)接近理想下凹形曲線(xiàn)的控制閥;

(2)當控制閥特性采用上凸特性時(shí),管路沿線(xiàn)最大水壓很大,甚至超過(guò)水泵出口額定壓力的1.5倍,易造成管道投資顯著(zhù)增加。因此,在進(jìn)行控制閥選型時(shí),應避免選擇上凸形閥門(mén)特性;

(3)控制閥采用下凹形特性對于提升管道中的最小壓力也是有利的,可有效抑制管路中負壓的產(chǎn)生。

本文Tag:調節閥、控制閥、閥門(mén)特性、邊界條件
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