停泵水锤（共4篇）
停泵水锤 篇1
在压力管流中因流速剧烈变化引起动量转换, 从而在管道中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象, 称为水锤现象。水锤从不同角度可分为四类:按关阀历时与水锤相的关系分为直接水锤和间接水锤;按水锤成因的外部条件可分为启动水水锤、关阀水锤和停泵水锤;按水锤水力特性可分为刚性水锤理论和弹性水锤理论两种;按水锤波动的现象分为水柱连续现象和水柱分离的水锤现象两种。
停泵水锤是水锤现象的一种, 是由于泵站工作人员失误操作、外电网事故跳闸以及自然灾害 (大风、雷击、地震) 等原因, 致使水泵机组突然断电而造成停车时, 在泵站及管路系统中发生的水锤现象。根据调查统计, 在城市供水及工业企业的给水泵站中, 大部分水锤事故都属于停泵水锤事故。水锤现象的延续时间虽然短暂, 但它会造成严重的工程事故, 轻则水泵机组产生振动和水力撞击噪声;严重时, 水泵机组振坏, 管道锤裂造成停水事故。如因事故停泵在管路中产生水柱分离和断流弥合水锤, 则其破坏力更为严重。泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的, 其中以地形复杂、高差起伏较大的我国西北、西南地区尤为突出。根据调查可以看出:泵站中多数水锤的结果是轻则水管破裂、损坏设备, 造成暂时供水中断, 重则酿成泵站沉没。在农田灌溉泵站中, 常因扬程高, 流量及功率较大, 故其水锤危害及影响丝毫不亚于给水工程系统, 人们还特别将泵站水锤的危害列为泵站三害 (即水锤、泥砂、噪声) 之首。在火电厂循环水系统中, 因停泵水锤引起的最低、最高压力、最大倒流及机组最大反转数等最不利参数, 乃是系统设计的最主要依据;不合理的设计往往导致浪费, 或使设备及管路遭到破坏。近年来, 现场测试证明, 循环水系统中因水柱分离而引起的断流水锤现象是相当严重的;特别是采用了轻型的立式泵、较长的管道和更大的虹吸高度, 就更容易发生断流弥合水锤。由此可见, 按照各种泵站的工作特点和条件, 全面实事求是地进行水锤分析, 从而采取有效的水锤防护措施, 是有关设计及生产管理部门的当务之急, 也是确保泵站安全输水的重要前提。
目前为止, 已经有多种停泵水锤防护措施, 大致可分为三种类型:
1) 补水 (注气) 稳压, 防止产生水柱分离或升压过高的断流弥合水锤。属于这种类型的有双向调压室、单向调压室、空气室及气囊式水锤消除器。
a.调压室是一个钢筋或钢筋混凝土的水箱。单、双向调压室工作原理类似, 当管路中发生局部负压或水柱分离时, 止回阀在水箱静水位作用下迅速开启, 自动向管路中注水, 从而避免了断流弥合水锤所引起的巨大升压。一般可设在水泵出口处。
b.水泵正常工作时, 空气室的空气被压缩而储备能量, 当水泵突然停止时, 空气室向管道中补水, 以防止降压过大和水柱中断;当管道压力上升时, 通过旁通管向管道中补水, 从而减少压力上升。一般安装在水泵装置止回阀附近。
c.气囊式水锤消除器克服了空气室中的空气易被水流带走这一缺点, 使用前, 由筒体上部向胶囊中充气 (空气或惰性气体) 。
2) 泄水降压, 避免压力陡升。属于这种类型的有停泵水锤消除器、缓闭止回阀、爆破膜片、设置旁通管以及取消止回阀等。
a.停泵水锤消除器主要有以下三种类型:下开式停泵水锤消除器、自闭式停泵水锤消除器、自动复位停泵水锤消除器。它们在工作原理上类似, 即在停泵过程中, 当出口压力下降到一定值时, 消除器开启, 当水锤升压波向水泵返回时, 由消除器向外排水, 从而消除水锤。水锤消除器保护干管的长度, 一般不超过800 m。
b.缓闭止回阀是止回阀的一种, 它通过缓闭的形式来消除水锤, 形式很多, 简易可行, 获得了较为普遍的应用。
c.爆破膜片类似于电路上安装保险丝, 当管路中由于水锤升压超过预定值时, 膜片自动破裂, 水流外泄, 起到泄水降压的消除水锤效果。
d.在泵站出水管路上取消普通止回阀对于消除停泵水锤是比较有效的办法。但城镇供水工程中, 水厂二级泵站中取消止回阀还有些困难。在实际工程中, 还应该具体考虑。
3) 其他类型。例如在工程设计中考虑:
a.适当增加管道直径、壁厚, 降低输水管线的流速;
b.减小管道长度, 由一个泵站变为两个泵站, 用吸水井把两个泵站衔接起来;
c.选用转动惯量GD2较大的水泵机组或加装有足够惯性的飞轮, 可在一定程度上降低水锤值;
d.改变管道纵断面布置形式。
另外, 在选择停泵水锤的防护措施时要注意以下几点:1) 所选用的防护措施, 应与所出泵站及管路系统的规模、作用、对安全性的要求及技术 (管理) 水平相适应, 并尽可能选择技术安全可靠、经济合理、管理维修方便的防护措施。2) 在有可能产生水锤危害的情况下, 应早期防治。如在设计泵站及管路系统时, 选定管材走向;选用水泵机组和管材;确定管内流速方面, 都应考虑采取消除或减轻水锤危害的措施。3) 根据具体情况, 尽可能采用综合性防范措施 (几种措施同时采用) , 以提高防护功能的安全可靠性。4) 对防护措施的管理维护及操作等方面的要求, 应给予足够的重视, 国内不少重大泵站停泵水锤事故, 都是由于对防护设备维修不善或操作失误造成的。5) 防护措施的选择, 必须与停泵水锤精确计算及相互分析相配合同时进行。6) 技术上可行, 经济适用。
总之, 停泵水锤现象及其危害与任何一种具体的物理现象一样, 都是在特定的条件下产生的。因此, 大多防范措施是建立在对停泵水锤的早期防护上, 在实际工程中, 应掌握其实质, 综合考虑, 灵活应用。
参考文献
[1]徐腾记.建筑给水系统水锤防护[J].山西建筑, 2007, 33 (17) :204-205.
基于软停机的停泵水锤防范设计 篇2
水锤是由于压力管道中液体流速突然变化, 而引起的液体压力急剧变化的水力现象。水锤诱发的管内压力峰值可以达到正常压力的数倍甚至几十倍, 在设计水电站的引水系统、长管道供水系统、泵站及高层建筑供水等管道系统时, 都要考虑水锤现象并论证管道安全性, 以免对管道、水泵及相关设备造成损坏。如2003年广东清远市自来水公司的一个泵站, 由于供水泵突然停机而产生巨大水锤撞坏水泵导致泵房被淹[1];2010年何家岩金矿的井下排水系统在进行模拟电力中断试验时, 产生的水锤使水泵出口处的不锈钢缓冲器严重变形, 直径273 mm的排水管线位移明显, 巨大的冲击力造成多处焊缝裂开, 水泵叶轮高速反转[2]。
理论及工程实践说明, 在大流量、长管道或高落差的供水管网中, 必须要充分考虑消除水锤现象的方法, 在设计中除选择合适的管径和供排水流速、排水管路转弯要缓慢过渡, 布置时尽量避免出现驼峰或坡度剧变外, 必要时还可采用调压井、缓闭止回阀等水锤防护措施[3,4,5,6,7,8]。
前湖电排站有二台型号为32ZLB-125单级立式轴流式大型防洪泵, 水泵设计扬程4 m, 额定转速为480转/min, 标称流量5 000 m3/h, 每台泵均利用额定电压为380 V的95 kW三相异步电机驱动, 其作用是渠外出现洪涝时将外部的洪水抽回高处的内渠, 管道全程长约40 m, 原采用电抗器降压启动和直接断开接触器停止电机的工作方式, 停机过程中不但在泵站内有明显的震感, 而且可听见水流倒灌冲击水泵叶轮发出的较大声响, 冲击后期电机轴逆向旋转的速度很快。这种运行方式给机组的安全运行带来严重隐患, 必须加以改造。
本文通过南昌市昌北防洪排涝管理处防洪泵的改造设计, 提出大流量低扬程条件下的水锤预防措施。
1水锤成因及改造方法9-12]
由于水锤诱发原因的不同, 常见水锤可以分为关阀水锤、停泵水锤等几种情况。大量研究表明, 水锤会轻则会导致管道异常振动, 重则导致管道变形、管道附件损坏, 尤其当管道存在凸部或驼峰时, 在压力下降过程中一旦低于汽化压力, 水体汽化进而会发生“水柱分离”现象, 接着在升压波作用下, 分离水柱再弥合所产生的压力将远远大于无水柱分离的情况, 甚至会导致整个管道的破坏。同时, 对于水泵而言, 倒流时间过长也会引发水泵反转, 对水泵造成损害。
1.1水锤成因分析
前湖电排站中所遇的是典型的停泵水锤, 由于采用断开接触器的停机方式, 当水泵突然失去电动机的驱动力矩后, 其速度会迅速下降, 但压水管中的水靠惯性会继续向高位水渠流动, 速度会逐渐减慢直至为0, 此时水泵出口处的压力很低, 然后水在重力作用下回流并逐渐加速冲击水泵叶轮, 极可能导致水泵逆向旋转, 对设备造成损害。
在单位时间内, 水从泵中获得的功率为:
式中:ρ为水的密度, kg/m3;η为水泵的效率;g为重力加速度, m/s2;Q为泵的流量, m3/s;H为泵的扬程, m。
由上式可知, 流量越大则水获得的功率越大, 流速越快;
当关闭阀门和电机时, 回流水锤加在阀门上的压强为:
式中:ρ为水的密度, kg/m3;c为水击 (水锤) 波的传播速度;v0为水的流速, m/s。
因为水锤是非恒定流, 因而不能直接应用液体恒定流的动量方程, 而应利用理论力学中的动量定理推导, 但从上式可知:直接水锤的压强与水的流速、水锤波的传播速度成正比, 即流量、流速越大, 水锤的破坏力越大。
为减少水锤冲击, 需要控制电机的停机过程, 使其变为慢速停止, 这样一方面可以减少管道内的水量, 另一方面可以减慢回流的水速;此外还可采用缓慢关闭截止阀的方法, 将直接水击公式 (2) 中的冲击压强, 转变为如下所示的间接冲击压强P=ρ c (v0-v) , 即水依然保持流动, 这要求止回阀不要快速完全关闭。
1.2水锤防范方法
针对前湖泵站停泵时出现泵轴逆向旋转速度较快、机组振动剧烈的情况, 现场观测水泵出口流量及转速时发现, 停泵时水泵流量在30 s内快速降低为0, 而转子则在30 s末逆向转速达到502.1转/min, 在此过程中伴随着巨大的噪声。显然, 对该机组而言, 停泵水锤最大的危害不是水锤压力, 而是水体倒流所引发的转子逆向旋转。
考虑到泵站改造的经济性, 采用增设交流调速设备, 在停泵时逐步降低电机转速, 避免水泵逆转。
常规的交流电机调速方法有外接转子调速电阻、变极或定子调压等, 但这些方法与交流变频调速、软启动器调速相比, 除投资大、占用场地多等缺点外, 还有控制方式不灵活、影响泵机性能的缺点, 如采用调速电阻方式进行控制时, 不但要浪费大量的能源, 而且会使电机的外部特性发生变化, 也不能实现电机速度的均匀调节。采用软启动器与变频器均利用大功率的电力电子元件, 如晶闸管、IGBT进行输出电压和频率的变换, 由于只需在启动和停止阶段对电机速度进行控制, 在运行过程中并不需要对电机进行调速, 且软启动器的体积小、价格低, 在此选用防护等级为IP00的Schneider ATS 48C21Q软启动器进行电机的控制, 它在启动之后还可以利用旁路将启动器从主回路中切除, 以进一步提高能源利用率。
首先根据现有的非绕线式电机设计了控制电路, 见图1。
当合上主供电回路的接触器Q1并按下S2后, KM1得电工作, 软启动器按设定的参数开始工作, 启动完成后KM3动作, 启动器从主回路中退出, 当按下S1停机时, KM3断开, 电机按设定的参数进入停机过程。
起动方式的设定是为了得到性能良好的电机启动特性曲线, 目的是使电机不但能平滑地驱动水泵, 无机械冲击, 而且控制其峰值电流尽可能小、持续时间尽可能短;停机方式的设定是改变水泵卸荷的方式, 控制停机过程中水流的运行状态, 从而减小甚至消除水锤现象。
在具体参数设定中, 限制电流为电机额定电流的百分比, 此值偏小会使电机起动缓慢, 过小甚至出现起动超时报警或故障, 一般应为电机额定值的150%～300%, 在调试初期将其设定为80%, 此时电机起动缓慢, 近1 min内水泵的速度都无法提升到额定值, 且出现电流持续偏大现象;此外, 起动力矩与加速时间要互相配合, 通过试验进行整定, 以电机能够平滑地达到定额转速, 并有适当的启动加速时间为佳, 当此值设定为40%且加速时间为15 s时, 启动平稳但电流达190 A, 持续时间约5 s, 由于水泵为近似的恒负荷启动特性, 为减小电流的冲击, 充分利用软启动器的启动调节特性, 经过比较, 最后启动转矩设为恒定值的20%, 并配合15 s的启动时间, 实现了均匀的加速过程, 启动时间约10 s, 最大启动电流被限制在160 A以下且最大电流持续时间约6 s;停机方式为软停机, 减速时间设为15 s, 减速阈值为电机减速过程末期, 当实际力矩变为额定力矩的10%时, 电机由受控停机变为自由停机时的切换值, 此时软启动器将不再输出直流制动电流, 使电机成为完全的自由停机。
现场调试试验表明, 水泵软停机时, 水泵不再出现逆向旋转现象, 泵出口压力变化平缓, 显然, 以上参数组合可以达到良好的减少水锤冲击的效果, 电机最大电流仅为180 A。此外, 参数设置中还提供了缺相保护, 按实际电流与额定电流的比例设定缺相阈值, 能够根据受控制的额定电流和实际吸收的电流持续地计算电机的温升, 按照参数设定中的值给出不同级别的温度保护。进行了温度保护试验, 当温度保护动作时, 软启动器仍按设定规律进行停机, 水锤抑制效果依然良好。
1.3运行效果
通过以上改进, 前湖电排站的防洪泵运行工况明显改善, 不但电机启动平滑, 而且停机时电机能够缓慢停止, 在确保不出现停泵水锤的前提下避免了关阀水锤的出现, 没再出现因水锤冲击而造成的巨大声响和电机高速反转的现象, 对泵机起到了良好的保护作用。
实践证明, 利用软启动器减小大流量低扬程水泵停机过程中出现的水锤现象是一种经济实用的有效方法。
2结语
低扬程大流量水泵在停机过程中存在的水锤效应对安全生产带来很大隐患, 在对水锤成因分析的基础上, 采用电机软启动器控制水泵停机过程的方法, 对原控制系统进行改造升级, 实践证明本方法对水锤能够起到良好的抑制效果。
停泵水锤 篇3
对于有压输水而言,由于人为误操作或突然断电等外部因素导致水泵突然停机,压力管道中流速剧烈变化,从而在管路中产生急剧的压力交替变化过程,这种水力冲击现象称为事故停泵水锤[1]。特别是在长距离管道中,因为事故停泵水锤导致的压力升高尤为明显,可能造成严重的工程事故。本文针对一长距离有压管道引水工程进行事故停泵的数值仿真,分析泵出口液控蝶阀两阶段关闭、空气阀、调压塔联合防护措施的水锤防护效果,并提出优化建议,以确保输水管道安全稳定运行。
1 工程概况
某长距离有压管道引水工程由1座泵站(大(2)型)、2个水库(中型)、近20km的管道和隧洞等组成。取水泵站共设有6台VENUS-900/1000ZC型水泵(4用2备),配套6台1RN4636-3HE80-Z卧轴三相交流鼠笼式异步电动机。单泵设计扬程H=56.5m,设计流量Q=3.5m3/s,额定转速n=595r/min,效率η=92.2%,比转速ns=140,机组转动惯量GD2=33 5kg/m2。水泵出口依次设有一台TF/VSSJAF型液控止回蝶阀和两台D94A3X型电动蝶阀,直径均为DN1400,如图1所示,其中在4台泵同时运行时,两台电动蝶阀保持全开。引水工程的输水管线全长18.56 km,管道直径有DN2600、DN2800、DN3000、DN3400四种,管材种类分为钢管和玻璃钢夹砂管两种。沿线设置有单向调压室和双向调压塔等附属设施,以及各类蝶阀、空气阀等水锤防护设备,输水管线纵剖面高程变化和各设施设备的布置位置如图2所示,管线最高点高程为74.95m,受施工限制,双向调压塔设置在管线次高点处,管中心高程为68m。
2 事故停泵水锤的数值仿真
针对引水工程取水泵站的边界条件及运行工况,采用常波速的液柱分离模型[2]和特征线法对事故停泵水锤的基本方程进行求解,计算分析瞬态流动任一瞬时各断面上的压力和流量变化过程。
2.1 无防护措施下的停泵水锤
4台泵同时事故停泵时,无任何防护措施,即不考虑单向调压室、双向调压塔、空气阀,泵出口液控蝶阀不关闭的条件下,计算结果如图3、图4所示。图3中h、ν、α、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,τ为泵出口阀的水力开度;图4中Hmax、Hmin、HGL、Z分别为最大测压管水头、最小测压管水头、初始测压管水头和管中心高程。
从图3中可以看出,水泵在停泵后12.3s开始倒流,在停泵后的第12.9s开始倒转。水泵最大倒转转速为其额定转速的1.47倍,最大倒泄流量为额定流量的0.86倍。停泵后水泵的倒转转速不满足《泵站设计规范》规定的1.2倍要求,应确保停泵后泵出口阀的可靠关闭,一方面防止水泵长时间超速倒转,另一方面防止出水管内的水大量倒流回进水池,造成水量和能量损失。
从图4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再弥合现象,在水泵出水管起点处最大水锤压力达到94.79m,远远超过《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3~1.5倍”要求;同时管线从水泵出口到隧洞末端之间大部分管段出现负压甚至发生汽化(按-8m考虑)。
2.2 现有防护措施下停泵水锤
4台泵同时事故停泵,考虑现有防护措施:泵出口液控蝶阀采用快关8s/60°、慢关20s/30°的两阶段关闭程序,沿线设置空气阀、单向调压室、双向调压塔(水深安全余量为1m),计算结果如图5、图6和图7所示。
从图5中可以看出,水泵在停泵后1.5s开始倒流,在停泵后的第2.1s开始倒转。水泵最大倒转转速为其额定转速的0.94倍,最大倒泄流量为额定流量的0.54倍。停泵后水泵的倒转转速满足《泵站设计规范》规定的1.2倍要求。
从图6中可以看出,事故停泵后水泵出水母管起点压力上升到最大水锤压力86.64m,接近《泵站设计规范》规定的“最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3~1.5倍”要求的上限;管线中无汽化压力出现,负压段集中在水泵出口到双向调压塔之间,最小水锤压力为-3m。
从图7中可以看到,事故停泵后,当管道内的压力降至低于双向调压塔内的水头时,水从双向调压塔流入管道,在停泵后的第56.7s,双向调压塔内的水位低于补水管顶高程,调压塔露底,空气开始进入管道,引起更加复杂的液气两相流过程。
2.3 现有水锤防护措施的效果评估
比较无防护措施和采用现有防护措施的事故停泵的计算结果,可以看到采用空气阀、调压室和调压塔的联合水锤防护措施[3],能有效减小管线最大水锤压力,防止管道中发生液柱分离及再弥合现象,避免汽化压力出现,减小管道负压段范围,起到了较好的水锤防护效果。但仍然表现出以下问题:管线仍然存在负压、多泵同时事故停泵时双向调压塔垂线露底等。因此,有必要对现有水锤防护措施进一步优化。
3 水锤防护措施的优化
3.1 泵出口阀关闭程序优化
由于泵出口阀的关闭程序对泵系统事故停泵过渡过程影响较大,对关阀程序进行优化[4],考虑到泵站的实际运行操作及沿线设施设备的影响,最终拟定两种泵出口阀关闭程序方案:①快关8s/60°,慢关15s/30°;②快关15s/60°,慢关55s/30°。比较以上优化后的两阶段关阀程序与现状运行采用的两阶段关阀程序的事故停泵计算结果,如表1所示。
从表1中可以看到,泵出口阀采用快关15s/60°、慢关55s/30°的关闭规律后,管线最大水锤压力明显下降;同时管线均未出现汽化压力。因此,建议将水泵出口阀的关闭速率优化调整为:快关15s/60°,慢关55s/30°。
3.2 空气阀防护优化
根据计算结果,管线中负压段主要出现在水泵出口到双向调压塔之间、管线最高点附近和隧洞进口附近三处位置,为了避免可能出现的弥合水锤,通过试算拟定在原有空气阀的配置基础上增设10处CARX-0400复合式排气阀[5],安装位置见表2及图8。
增设空气阀后,现有空气阀和空气阀优化后对事故停泵水力过渡过程的影响如表3所示。
从表3中可以看出,空气阀优化后,管线最大水锤压力不变,而管线最小水锤压力数值明显减小,这说明增设的空气阀能更好消除管线负压。
3.3 双向调压塔优化
在4台泵同时发生事故停泵时,双向调压塔的补水量不足,出现露底,为了增加补水量,可以采用在下游新建单向调压塔的方案[6]。经过优化计算,在下游新建一单向调压塔,其结构参数见表4,事故停泵水锤的计算结果如表5所示,新建单向调压塔对管线的最大和最小水锤压力没有影响,这是由于安装位置距离管线发生最大最小水锤压力的位置比较远的缘故,但因为增加了多台泵同时事故停泵时的补水量,保证双向调压塔不会出现露底[7]。
m
m
m
4 结语
(1)采用空气阀、调压室和调压塔的联合水锤防护措施,能有效减小管线最大水锤压力,防止管道中发生液柱分离及再弥合现象,避免汽化压力出现,减小管道负压段范围,起到了较好的水锤防护效果。
(2)通过优化泵出口阀关闭速率,可以进一步减小管线最大水锤压力,建议将水泵出口阀的关闭速率优化调整为:快关15s/60°,慢关55s/30°。
(3)沿管线合理地增设空气阀,能够有效地消除管内负压。
(4)为了避免多泵同时事故停泵时,双向调压塔补水量不足出现露底,可以新建单向调压塔增加补水,确保输水系统的安全稳定运行。
参考文献
[1]金锥,姜乃昌,汪兴华,等.停泵水锤及其防护[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2004.
[2]E B怀利,V L斯特里特.瞬变流[M].北京:水利电力出版社,1983.
[3]董丽丽,冯民权,吕岁菊.长距离泵输水系统事故停泵水锤数值模拟研究[J].水资源与水工程学报,2013,(5):112-115.
[4]刘光临,蒋劲,易钢敏.泵系统水锤最优阀调节研究[J].流体工程,1992,(6):1-5,65.
[5]刘梅清,孙兰凤,周龙才,等.长管道泵系统中空气阀的水锤防护特性模拟[J].武汉大学学报:工学版,2004.
[6]刘光临,刘志勇,王听权,等.单向调压塔水锤防护特性的研究[J].给水排水,2002.
停泵水锤 篇4
泵断电数模计算的关键在于泵的特性曲线和数值计算方法。由于泵全特性曲线的现有实测资料非常少,而泵的比转速范围很宽。因此,泵的全特性曲线不论在种类上还是数量上都不能满足科研和生产的需求。当工程实际中所用泵的全特性曲线资料缺乏时,利用现有的泵全特性曲线资料,通过分析获得所需泵的全特性曲线,提高了泵供水系统中水力过渡过程计算的精准性。可见,对泵特性曲线的数值化改造具有重大的实际意义[1,2,3,4,5]。笔者采用就近取值法和通用公式法得到不同比转速的泵全特性曲线的数值化离散数据,研究了工程实例中离散数据差异对停泵水锤的影响,为同类工程停泵水锤的计算提供参考。
1 泵全特性曲线分析和离散数据的获取
1.1 泵全特性曲线分析
式中 h——相对扬程,h=H/Hr;
m ——相对扭矩,m=T/Tr;
v ——相对流量,v=Q/Qr;
x ——水泵的流量系数或称叶片的相对流动角;
β ——相对转速,β=N/Nr。
在经过改造的无因次参数曲线上,从0～2π,以等间距Δx=2π/88=0.0714,取下离散数据,然后通过线性内插,就可相当准确地模拟原性能曲线了。
1.2 离散数据的获取
关于离散数据的获取,主要是采用就近取值法和通用公式法。
就近取值法:以现有的实测比转速Ns为128.00、530.00、950.00的泵全特性曲线的数值化数据为基础,比较实际工程中泵的比转速与这3种比转速哪一个更接近,然后采用隶属数据作为工程实例中泵的全特性曲线的数值化数据,再进行停泵水锤计算。
通用公式法:实际所用泵的比转速没有与之相接近的比转速可以利用时,原武汉水利电力学院的刘竹溪和刘光临提出的通用模型可供参考[9]。通用模型是根据比转速为90、260、530、950的4种泵的实验资料,绘制成WH-x、WM-x曲线,发现在x一定的条件下,WH、WM的值都能写成Ns的函数。对于4种不同比转速的4个点,选取Ns为自变量,WH、WM为函数,用三次多项式进行曲线拟合,建立如下形式的4个方程,对于WH、WM得到:
WHi=a0+a1Nsi+a2Ns
WMi=a0+a1Nsi+a2Ns
i为1～4,对于某一已知的x值,分别代入4种泵的比转速Ns及所对应的WH、WM值,由式(2)、(3)分别求解方程的系数a0、a1、a2、a3和b0、b1、b2、b3。对于19个x值,可得到19组方程系数,同时建立19组以下形式的方程组:
(4)
当所使用泵的Ns值确定时,就可利用这一系利方程组,将具体Ns值代入,从而得到该种泵在这一系列x值条件下的WH、WM值。一般选取Δx=π/44,故在0～3/2π范围内,选择67个等间距的x值,得到67组WH、WM,即可满足计算要求。
利用就近取值法和通用公式法获得两组不同的泵全特性曲线的数值化数据,然后比较其数值差异对长距离浆体输送管道缓闭阀系统的停泵水锤过程的影响。
2 工程实例计算
某电厂的除灰系统由两台串联渣浆泵和一条复合管道组成,将灰渣池的灰浆通过渣浆泵加压后送往山后面的灰场。管道为复合铸石管道,外壁为钢管,中间为水泥砂浆填充层,内层为铸石管,具体参数见文献[10]。选用两台250ZJ-A85渣浆泵串联。单泵工况为:转速为960r/min,扬程为128m,流量为0.328m3/s,额定转矩为535×9.81N·m2,机组飞轮力矩为749×9.81N·m2,比转速
2.1 泵全特性曲线离散数据的选取
就近取值法:根据现有的实测比转速Ns为128.00、530.00、950.00的泵特性曲线的离散数据,本工程中泵的Ns=52.73与比转速为Ns=128.00最接近,可近似利用Ns=128.00的泵的离散数据进行计算。
通用公式法:将工程的比转速Ns=52.73代入式(3),一般选取利用曲线拟合得到的67组离散数据(x>3π/2的工况在水锤暂态中一般不出现)。将Ns=52.73代入式(3)计算泵的WH和WM值。Ns=52.73、128.00、530.00的泵的WH、WM对比曲线如图1所示。
由图1可以看出,Ns=128.00和Ns=52.73泵的WH和WM值是相近的,但是与Ns=530.00的泵相比,WH和WM值差异较大。可见,不同比转速泵的全特性曲线不同,但是同类型泵的全特性曲线是相近的,不同类型的泵,其全特性曲线差异较大。
2.2 工程计算
图2为β、v值的对比曲线。
由图2分析得出,不同比转速下泵全特性曲线差异对发生停泵水锤事故时泵运行工况的影响见表1。
图3为泵出口压头值H(1)的对比曲线。
从图3可以看出,比转速为52.73、128.00、530.00的泵的出口压头值相差不大,压头最低值为115.30m,压头最高值为342.39m。
图4为管路膝部压头值H(5)的对比曲线。
从图4可以看出,比转速为52.73、128.00、530.00泵管路系统中膝部出口压头值相差不大,压头最低值为174.02m,压头最高值为330.41m。
由图3、4可见,不论采用何种比转速的泵全特性曲线,泵出口和管路膝部的压头变化值均相近,对应的曲线几乎重合。3种比转速下停泵水锤的升压均较高。
3 结论
3.1 在没有使用泵全特性曲线资料的情况下,套用比转速相近的同类型泵的全特性曲线进行事故停泵水锤计算,误差在允许范围内,计算结果可以对实际输水工程的水锤防护措施进行指导。
3.2 在长距离浆体管道缓闭阀系统停泵水锤计算中,比转速相近的泵在水力瞬变过程中所表现出来的运行工况、水力特性也相似,存在的差异性对计算结果影响不大。若套用比转速相差很大、不同类型的泵全特性曲线进行停泵水锤计算,泵计算结果的误差也在允许的范围内,只是泵运行工况差异较大。
3.3 套用比转速相差很大,不同类型的泵全特性曲线进行停泵水锤计算,对计算结果的影响主要表现在:泵出口升压变化较大,起伏较大管段容易得出断流结论。
参考文献
[1]Wylie E B,Streeter V L著,清华大学流体传动与控制教研室译.Transient Flow[M].北京:水利电力出版社,1983.
[2]Chaudhry M H著,陈家远,孙诗杰,张治滨译.UtilityHydraulic Transition Process[M].成都:四川水力发电工程学会,1985.
[3]金锥,姜乃昌,汪兴华,等.停泵水锤及其防护[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2004.
[4]龚时宏,刘光临.水泵全特性曲线有关问题研究[J].农业机械学报,1994,(4):38～43.
[5]Yang J D,Wu R Q.On Basic Equation of Water Hammer[J].Journal of Hydrodynamics,1996,8(2):62～71.
[6]王春林,杨敏官,殷震宇,等.输卤泵水力模型的试验研究[J].流体机械,2003,31(5):5～7.
[7]朱贞涛.制冷空调系统中离心泵变频调速的性能分析与试验[J].流体机械,2001,29(11):58～60.
[8]陆宏圻,高传昌.射流泵全特性曲线的研究[J].流体机械,1996,24(1):10～14.
[9]刘竹溪,刘光临.泵站水锤及其防护[M].北京:水利电力出版社,1985.