中图分类号:TU991.39 文献标识码:A 文章编号:1007-2284(2011)02-0139-03
An Analysis of Pump-stopping Hydraulic Transient in Long-pipe Water Supply System and Its Protection
LIN Qi, LIU Zhi-yong, LIU Mei-qing, LI Qiu-wei
Abstracts: The characteristics of pump-stopping hydraulic transient in long-pipe water supply systems are expounded in this paper. Genetic Algorithm method is used by combiNIng examples The optimization model of close program on pump out let valve is established.Then the pump-stopping hydraulic transients are calculated and analyzed, the protecting effect of the air valve and the oneway surge tank simulated and compared by using the characteristic line method and presenting the protective measures for water hammer .
Key words: long-pipe water supply system; pump-stooping hydraulic transient; close program of valve; air valve; one-way surge tank
随着经济社会的发展, 需水量也在日益的增大, 各地都兴建了越来越多的长管道输水系统。此类系统的停泵水力过渡过程的特点主要表现在以下2 个方面: 一是水泵机组的倒流和倒转现象, 造成机电设备的安全隐患, 应合理地设定泵出口阀的关闭程序以限制水泵的倒转转速在允许的范围; 二是断流弥合水锤问题, 管道中的水压力, 特别是管线的凸起处常常会降低到水的汽化压力以下, 发生水柱分离及其再弥合现象, 形成较大的断流弥合水锤压力并在全管线内传播, 对供水管道的安全构成威胁。
本文结合工程实例, 对长距离管路输水系统停泵水力过渡过程进行计算分析, 提出相应的防护措施。
1 工程概况
某供水工程为水泵加压输水方式, 取水口水位1348. 25m, 出水池设计水位1415.94 m。通过2 根DN800 的PCCP 管和PCP管输水, 管道全封闭, 全线共计19 048. 5 m。其管线纵剖面如图1所示。
图1 太阳山供水工程管线纵剖面图
该工程采用6 台大泵运行, 2 台小泵备用的运行方式。大泵的额定参数为: 流量QR=0. 315 3 m3 / s; 扬程H R =100 m; 转速nR = 1 480 r / min。水泵出口均安装2 阶段关闭液控蝶阀[1]。
2 停泵水锤分析及防护措施研究
根据水锤基本方程[2], 应用常波速水柱分离模型和特征线法[3], 对6 台大泵双管运行、同时停泵的水力过渡过程进行计算分析。
2. 1 无防护措施时的停泵水锤
图2、图3 分别为计算得到的泵出口阀不关闭条件下, 水泵特征量的变化过程和管线压力包络线。
图2 事故停泵水泵各特征量变化过程(泵出口阀不关闭)
注: h、v 、a、β分别为水泵的无量纲扬程、无量纲流量、无量纲转速和无量纲转矩, 下同。
图3 事故停泵管线压力包络线(泵出口阀不关闭)
注:Hmax、Hmin、HGL、Z分别为最大水锤压力、最小水锤压力、初始压力水头和管轴线高程, 下同。
从图2 中可以看出, 事故停泵后, 第3. 3 s 左右, 水泵开始倒流; 第5.9 s 左右, 水泵开始倒转, 最大倒转转速为额定转速的1.231 倍, 最大倒泄流量为额定流量的0.707 倍。由于停泵后水泵的倒转转速超过了《泵站设计规范》要求的1.2 倍, 因此应确保停泵后泵出口阀的可靠关闭, 以防止水泵倒转, 减少水量和能量损失。
从图3 中可以看出, 发生事故停泵后, 由于管线中出现了水柱分离及其再弥合现象, 因此管线中部分管段的最大水锤压力高于稳态运行时的压力。
2. 2 泵出口阀关闭程序寻优
2. 2. 1 优化模型
(1) 决策变量。取泵出口阀的4个关阀程序参数为决策变量: 快关时间T1、快关角度θ1、慢关时间T2、慢关角度θ2 。
(2) 目标函数。希望管线中出现的最大水锤压力越小越好, 因此, 目标函数表示为:
式中: i 为节点编号, i= 1, 2,…, ns ; Hma x (i) 为各节点出现的最大水锤压力; [Hmax] (i) 为各节点的管道允许最大压力。
(3) 约束条件。包括系统约束、水泵倒转转速和倒转时间约束、关阀时间约束、决策变量上下限约束[4, 5] 。
①系统约束。瞬变流的基本方程、系统上游边界条件、阀门的边界条件、系统下游边界条件、液柱分离模型等。
②水泵倒转转速和倒转时间约束。满足《泵站设计规范》要求的“离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1. 2 倍, 超过额定转速的持续时间不应超过2 min”, 即:
[ndz]max / nR≥- 1. 2 (2)
tdz < 120 s (3)
式中: [ndz] max为水泵最大倒转转速; nR为水泵额定转速; tdz为超过额定转速的持续时间。
③关阀时间和角度约束。关阀总时间不应超过允许的最长时间[T]max , 本研究取为60 s。快关速度应大于慢关速度,即:
T 1 + T1 < [T] max = 60 s (4)
θ1/ T1 + θ2 / T2 ,θ1 + θ2 = 90°(5)
④决策变量上下限约束。各决策变量的取值必须在规定的范围内, 即:
0 < T1 < [ T ] max , 0 < T2 < [T] max , 0 < θ1 < 90°(6)
2. 2. 2 优化结果
采用遗传算法对由式(1) ~ 式(6) 所组成的优化模型进行求解, 得到泵出口阀的最优关闭程序为快关4 s/ 75°, 慢关56 s/15°。
以下计算中, 泵出口阀关闭程序均为: 快关4 s/ 75°, 慢关56 s/ 15°。
图4、图5 分别为泵出口阀以上述程序关闭时, 事故停泵过程中水泵特征量的变化过程、管线压力包络线。
图4 事故停泵水泵各特征量变化过程(泵出口阀2 阶段关闭)
图5 事故停泵管线压力包络线(泵出口阀2 阶段关闭)
从图4 中可以看出, 发生事故停泵后, 由于泵出口阀的及时关闭, 水泵的最大倒转转速为额定转速的0. 818 倍, 满足《泵站设计规范》的要求。
从图5 中可以看出, 水泵出口阀的关闭保护了水泵, 减少了水量和能量损失, 但加剧了管线中的压力上升, 泵出口阀后点的最大净压力水头达到249. 84 m, 大大超过管道的设计承压压力。同时, 由于管线最高点高程高于下游出水池水位, 因此,发生事故停泵后, 该点将一直处于真空状态。
根据上述分析, 必须采取合理的水锤防护措施, 降低管道中出现的最大水锤压力, 同时破坏事故停泵后管线最高点的真空状态。
2. 3 空气阀防护
空气阀又称作进排气阀, 其工作原理是: 当空气阀处的管内压力降到低于1 个大气压时, 空气阀打开, 让空气流入; 管内压力增加到1 个大气压以上时允许空气流出, 从而防止管道中因负压而造成的水锤事故。这种方法具有构造简单、造价低、安装方便、不受安装条件限制等特点, 但是由于进气和排气两相流过渡过程影响的因素比较复杂, 管道中排完空气时, 可能产生水柱再撞击。
本输水管线设计安装24 个空气阀, 图6 为在管线中设置空气阀、泵出口阀按前述规律2 阶段关闭条件, 事故停泵过渡过程中的管线压力包络线。可以看出, 当发生事故停泵时, 在负水锤阶段, 空气通过空气阀进入管道, 管线中的水柱分离及其再弥合现象有所缓解, 管线中出现的最大水锤压力比未采取防护措施时有所降低, 但空气阀排气完毕时, 由于上下游水柱的碰撞, 泵出口阀后点的最大压力值仍然达到197. 80 m, 大大超过管道的设计工作压力。
图6 事故停泵管线压力包络线(泵出口阀2 阶段关闭, 空气阀)
2. 4 空气阀和单向调压塔防护
单向调压塔是一种只允许单向流动的调压塔, 主要用于防止管道中产生负压。单向调压塔在与输水主管道相连的短管上装有逆止阀, 水流只能在主管压力降低至塔内水面以下时由塔内向主管道充水, 防止管道中压力降低而产生水柱分离。另外装设有补水管道, 由主管道引水对单向调压塔进行充水, 当充水至控制水位时, 装在单向调压塔中的浮球阀(或其他控制装置) 将自动关闭充水管道, 停止充水, 因此可以大大降低调压塔的高度。
本文根据输水系统管线布置的特点, 考虑一定的安全系数, 拟在输水管线上桩号A1+ 880 m 处安装单向调压塔, 其结构参数见表1。
表1 单向调压塔的结构参数
图7 为管线中设置单向调压塔并布置空气阀、泵出口阀2阶段关闭条件下, 事故停泵过渡过程中的管线压力包络线。从图7 中可以看出, 发生事故停泵后, 由于单向调压塔及时向主管道内补水, 有效防止了水柱分离及其再弥合现象的发生, 管线中的最大水锤压力大大降低, 泵出口阀后点的最大水锤压力为127. 17 m, 全线的最大水锤压力均可控制在管道设计承压等级以下。
图7 事故停泵管线压力包络线
(泵出口阀2 阶段关闭, 空气阀, 单向调压塔)
此外, 通过计算可得出, 当管道内的压力降至低于单向调压塔内的水头时, 水从单向调压塔流入管道, 在补水过程完成后, 调压塔内留有1. 86 m 深的水体, 不致出现由于调压塔水体补空、进气而形成管线中的水气两相流过程。
3 结语
事故停泵后, 水泵机组的倒转飞逸转速和管道中的水锤压力是长距离输水系统水力过渡过程中的主要问题。本文结合工程实例, 首先通过遗传算法, 得出事故停泵时泵出口阀的最优关闭程序, 有效限制了水泵机组的倒转转速在允许范围内。接着对该系统中的事故停泵水锤进行了计算分析, 并对空气阀和单向调压塔的水锤防护效果进行了预测, 提出了相应的水锤防护措施, 满足工程的水锤防护要求。
参考文献:
[ 1] 刘梅清, 刘志勇, 林琦, 等. 宁夏吴忠市太阳山供水工程泵站及输水系统过渡过程计算[R]. 武汉: 武汉大学, 2004.
[ 2] [美] E B 怀利V L. 瞬变流[M] . 清华大学流体传动与控制教研组, 译. 北京: 水利电力出版社, 1983.
[ 3] 刘竹溪, 刘光临. 泵站水锤及其防护[M] . 北京: 水利电力出版社,1988.
[ 4] 刘志勇, 刘梅清. 梯级供水泵站停泵水力过渡过程分析及控制[ J ] . 中国农村水利水电, 2006, (7) .
[ 5] 刘梅清, 刘志勇, 蒋劲. 基于遗传算法的单向调压塔尺寸优化研究[J] . 中国给水排水, 2008, (12) .
[ 6] 陈汉宁. 消除长距离输水管道水锤压力的措施[ J ] . 中国农村水利水电, 2009, (6) : 85- 86.
作者简介: 林琦(1984-) , 男, 博士研究生。
