禹門口提水東擴工程二級泵站蝶閥加空氣閥聯(lián)合防護下水力過渡過程的數(shù)值模擬研究_工程管理

1、禹門口提水東擴工程二級泵站蝶閥加空氣閥聯(lián)合防護下水力過渡過程的數(shù)值模擬研究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,壓力管道的平安運行已經(jīng)成為討論的重點。本討論通過建立水泵及空氣閥邊界的數(shù)學(xué)模型,基于 計算 機數(shù)值模擬以期優(yōu)化蝶閥關(guān)閉并確定空氣閥位置及數(shù)量,結(jié)合工程實例提出供水系統(tǒng) 經(jīng)濟 平安的運行制度。1 供水工程水力過渡過程數(shù)值模擬討論的目的壓力管路的平安運行,是設(shè)計者必需首先考慮的問題,在設(shè)計階段,數(shù)值模擬管道過渡過程的方法不失為一種既經(jīng)濟又平安的方法。文章討論目的: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(shù)學(xué)模型,通過計算機數(shù)值模擬優(yōu)化蝶閥關(guān)閉

2、,并結(jié)合工程實例計算確定空氣閥位置,對蝶閥加空氣閥的聯(lián)合防護措施進行模擬,提出供水系統(tǒng)經(jīng)濟合理的運行制度。2 水力過渡過程數(shù)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(xù)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(shù)。設(shè)A、B和P為管道上兩個相鄰的斷面,斷面間的距離為x。假如在t0時刻A斷面和B斷面處的水頭H和流量Q己知,依據(jù)下列正、負(fù)水錘特征方程聯(lián)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:A:管徑過流斷面積。聯(lián)立求解方程式(1)和(2),即可依據(jù)管路A點和B點在t0時的已知值QA、HA、QB、HB,求出t0+t

3、時的管路P點的QP、HP值為2.2 空氣閥邊界條件假定:空氣等熵地流進流出閥門;管內(nèi)氣體的變化遵守等溫 規(guī)律 ;進入管道的空氣留在它可以排出的閥四周;液體表面的高度基本不變,而空氣的體積和管段里的液體體積相比很小。流過空氣閥的空氣質(zhì)量流量分下述4種狀況:當(dāng)不存在空氣及水壓高于大氣壓時,空氣閥接頭處的邊界條件就是Hpi和Qpi的一般內(nèi)截面解。當(dāng)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,氣體滿意恒定內(nèi)溫的完善氣體方程: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

4、流量;Ma0:時刻t0空穴中空氣的質(zhì)量;Ma0':流入或流出空穴的空氣質(zhì)量流量;Ma':時刻t流入或流出空穴的空氣質(zhì)量流量。其中,Ha:大氣壓頭(肯定壓頭);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于山西省中南部,是向臨汾、運城六縣市(新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城)工農(nóng)業(yè)以及 農(nóng)村 生活供水的保障性給水工程。年農(nóng)業(yè)供水量(包括汾河生態(tài)用水)8 095萬m3, 工業(yè) 供水8 031萬m3,總計1.61億m3。工程干線起點位于新絳縣的禹門口提水工程二級干渠光馬渡槽末端,終點位于距翼城縣城6 km的西梁水庫。其間分別設(shè)置了向襄

5、汾原井灌區(qū)供水支線、新絳供水提水支線、侯馬和曲沃分水口、汾河生態(tài)補水輸水支線、侯馬北莊灌區(qū)分水口、澮河灌區(qū)供水支線等。另在禹門口提水工程二級干渠樁號Q44+324處,設(shè)置了向稷山汾南灌區(qū)供水支線。工程沿線共布置調(diào)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,輸水干渠總長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(shù)資料見表1。(2)輸水管線系統(tǒng):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。(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(chǎn)廠

6、家供應(yīng)并且常用的蝶閥的特性資料,見表2。4 二級泵站水力過渡過程數(shù)值模擬的結(jié)果及分析(以下全部描述全部以泵系統(tǒng)最不利工況進行說明,所用全特性曲線是利用BP神經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 猜測的結(jié)果。)(1)水錘波傳播速度及摩阻,見表3。壓力主管道水力過渡過程的數(shù)值模擬以調(diào)整播速法,計算方式上,以偏微分方程下的迭代求解進行檢驗,以供水泵站工程的相關(guān)技術(shù)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)進行。依據(jù)設(shè)計單位供應(yīng)的壓力主管道鋼筒混凝土管(PCCP管)的糙率是0.0125,由于水力過渡過程計算中采納摩阻系數(shù),經(jīng)計算得:鋼筒混凝土管的摩阻系數(shù)是0.0166。(2)泵出口閥門拒動作(閥門不關(guān)閉)工況。本工況反應(yīng)了當(dāng)出口閥門在需要關(guān)閉時無法正常關(guān)閉工

7、況下的水泵特征量,見表4。從表4可以看出,在發(fā)生事故停泵后第29.13 s,水泵開頭倒流,在發(fā)生事故停泵后的第31.63 s,水泵開頭倒轉(zhuǎn),最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速74 r/min,為額定轉(zhuǎn)速的0.08倍,沒有超過泵站設(shè)計規(guī)范要求的“水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)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,不滿意泵站設(shè)計規(guī)范“水泵最大壓力不得超過額定壓力的1.31.5倍”的要求。為了保證水泵機組的平安,應(yīng)實行其他措施以防止泵出口無閥門防護或是當(dāng)閥門拒動作時,機組的長時間高速倒轉(zhuǎn),并且應(yīng)實行合理措施以保證管路平安。(3)泵出口蝶閥優(yōu)化關(guān)閉工況。在選擇閥門關(guān)閉程序時,以兩階段關(guān)閉,快關(guān)

8、角度和快關(guān)行程,慢關(guān)角度和慢關(guān)行程來掌握管道的壓力和水泵機組的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。計算的最優(yōu)關(guān)閥結(jié)果見表5。由計算結(jié)果可見,蝶閥有效遏制了水泵機組的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象,但同時也必定加劇了水泵出口的壓力上升,二級泵站同型號并聯(lián)泵同時停泵時泵出口最大壓力為穩(wěn)態(tài)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(yīng)留意加固愛護,可以通過安裝進排氣閥來實現(xiàn)。(4)泵出口蝶閥加排氣閥聯(lián)合防護工況。長輸水管路的凸起處在停電和停泵后水壓經(jīng)常降到蒸汽壓力以下,引起液體局部汽化產(chǎn)生空泡,消失水柱拉斷現(xiàn)象(也就是產(chǎn)生真空),為了愛護管路,沿管路凸起處可以設(shè)置進排氣閥。進排氣閥的作用是當(dāng)閥門處管內(nèi)

9、壓力降低到低于大氣壓(或預(yù)先規(guī)定的最小壓力)時,閥門打開讓空氣進入;當(dāng)管內(nèi)水壓增加到大氣壓以上時,閥門允許空氣漸漸流出。在一般狀況下,這種閥門不允許液體漏入大氣,在排解管道中的空氣時具有自動關(guān)閉的功能。下述計算中,所采納的空氣閥直徑為0.3 m,進氣流量系數(shù)為0.95,排氣流量系數(shù)為0.65。據(jù)計算機模擬試算,建議安裝9個空氣閥后該工程可達到平安規(guī)范要求,樁號為:23+248;23+927;29+020;30+038;31+736;33+433;34+112;34+452;35+470。計算結(jié)果見表6。在裝設(shè)9個進排氣閥后,管路壓力符合平安規(guī)定。由于工程設(shè)計中依據(jù)管道壓力分布布置了不同壓力等級

10、管道,本 計算 對各管段內(nèi)可能消失的最大壓力進行復(fù)核計算,均滿意要求規(guī)范。(6)壓力管線壓力分布的包絡(luò)圖,見圖2。5 討論結(jié)論(1)計算結(jié)果說明,蝶閥在優(yōu)化關(guān)閉程序后可以有效防止供水機組的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象,在肯定程度上可以減小供水系統(tǒng)的水錘壓力,從系統(tǒng)平安運行、水錘防護的設(shè)備制造及本模擬計算的結(jié)果綜合考量,說明本供水系統(tǒng)選用蝶閥防護的方案是可行的、合理的。 (2)由于泵站工程的機組轉(zhuǎn)動慣量較以往使用的機組轉(zhuǎn)動慣量小10倍之多,水錘壓力較大,因此必需討論加強水柱分別的防護措施。(3)泵站工程壓力管線設(shè)計中采納了肯定數(shù)量的進排氣閥,在很大程度上可以對壓力管路的平安起到防護作用,模擬計算說明由于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范圍內(nèi)偏于平安。(4)鑒于目前排氣閥的市場供應(yīng)和技術(shù)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