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 自1970年P(guān)ropson 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 式中:Hpi、Qpi分別為t時(shí)刻的未知水頭和流量; 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: 式中: 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: 對于雙吸泵,應以 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: 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 1.2.3水頭平衡方程根據圖1所示的水泵邊界示意圖和 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; 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、Np和Mp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: 式中:下標1,2分別代表進(jìn)、出水池斷面; 式中: 令 式中:下標a代表閥門(mén)全開(kāi); 假定上、下游水位不變,即 根據文獻 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 整理可得水泵出口控制閥相對流量系數 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), 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。 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 表1 泵站管道特征參數 導出到EXCEL Tab.1 Characteristic parameters of pipeline
表2 水泵機組特征參數 導出到EXCEL Tab.2 Characteristic parameters of pump units
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) 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。 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
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。 |
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本文Tag:調節閥、控制閥、閥門(mén)特性、邊界條件 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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