【doc】 设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回阀作用的研究

【doc】 设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回阀作用的研究 设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回 阀作用的研究 水利水电技术第36卷2005年第10期 设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回阀 作用的研究 杨丽明,原思成,吴秀云2,王念慎 (I.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;2.北京工业大学(分部),北京100044; 3.中国水利水电科学研究院,北京100038) 【摘要】由于设计, 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 安装和运行操作等方面的缺陷和失误,意外地发生管路系统水锤事故的例 子已经屡见不鲜.文中对水泵扬水的压力输水系统中设置气压式调压室和缓闭止回阀,建立了试验模 型和相应的数学模型;进行了理论分析研究,数值模拟和试验研究;通过试验,验证了数值模拟的数 学模型和计算程序,指出了缓闭止回阀使用的范围,为复杂管路系统流体过渡过程分析及研究提供了 合理的试验和计算分析方法,为电站和泵站的优化设计提供了可靠的理论依据,对提高压力水系统的 运行安全及降低工程成本具有现实意义. 【关键词】水锤;输水系统;气压式调压室;缓闭止回阀 中图分类号:TV131文献标识码:A文章编 号:1000-0860(2005)10—0058-04 Researchonactionofslowclosurebackpressurevalveinwaterdeliverysystemwithaircushionsurgetank YANGLi.ming,YUANSi.cheng,WUXiu.yun,WANGNian.shen (1.SchoolofCivil&ArchitectureEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China; 2,BranchofBeijingPolytechnicUniversity,Beijing100044,China; 3.ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China) Abstract:ThefailureaccidentallycausedbywaterhammerinpipelinesystemoftenOCCUrsduetothedefectsoreITOrsintheas- poetsofdesign,constructionandoperation.Theexperimentalmodelanditscorrespondingmathematicmodelforthearrangement ofboththeaircushionsurgetankandtheslowclosurebackpressurevalveinthepressurewaterdeliverysystemofwaterpumping areestablishedherein,andthenthetheoreticalanalysis,numericalsimulationandtheexperimentalstudyaxemade.Fromtheex- periment,thenumericallysimulatedmathematicmodelandthecomputationprogramaxeexamined.Thestudygivestheworking areaofthevalveandprovidesthereasonableanalyticalmethodsfortheexperi mentandthecomputationtotheanalysisandstudy onthetransientprocessofthefluidinacomplicatedpipelinesystem,whichma kesareliabletheoreticalbasisfortheoptimalde- signofhydropowerstationandpumpingstationandhasarealisticsignificance toimprovethesafeoperationofthepressurewater systemandtolowerthecostoftheprojectconcerned. Keywords:waterhammer;waterdeliverysystem;aircushionsurgetank;slo wclosurebackpressurevalve 1引言 ,压力管道内的流体因某些原因从一种稳定流态 (即流体压力,流速和流量不随时间变化的状态)向 另一种稳定状态过渡时,由于流体的惯性作用,流速 变化引起管道内流体压力波动产生很大撞击力的现 象,称为水锤.由于设计,施工安装和运行操作等方 面的缺陷和失误,意外地发生管路系统水锤事故的例 子已经屡见不鲜.为避免发生破坏性水锤事故,压力 输水系统常设置气压式调压室.同时为了防止在水泵 扬水的压力输水系统中,水泵断电后水泵倒转转速过 收稿日期:2005—07—27 作者简介:杨丽明(1976一),男,山西石楼人,博士研究生. WaterResourcesandHydwpowerEngineeringVo1.36No.ID 高损坏设备,及管道里的水全部倒流回吸水池去,供 水系统内一般都要设置止回阀.因为缓闭止回阀不但 能有效地防止强烈的水锤而且正常工作时流阻小,节 能效益相当可观,同时又能有效地防止阀门突然开启 时阀瓣与阀盖的剧烈撞击,延长阀门的使用寿命,长 期以来在相当多的输水系统中习惯上都采用缓闭止回 阀(微阻缓闭止回阀或蝶式缓冲止回阀等),但在设 置气压式调压室的压力输水系统中采用缓闭止回阀防 护水锤的作用目前还未见详细的研究.本文以实际工 程为基础,通过试验,并结合理论分析和数值模拟, 详细地阐述在设置气压式调压室的输水系统中缓闭止 回阀的合理应用,指出了缓闭止回阀使用的范围,对 提高压力水系统的运营安全及降低工程成本具有现实 意义. 2试验 2.1模型试验的管路系统 本试验采用一机一管系统,试验模型如图1所 示. 图1试验模型布置示意(尺寸单位:em;高程单位:m) 试验装置将试验室总水箱中的水引至水箱,由此 水箱引水至管道,再由水泵将水抽到高处的进水池. 进水池内设有一可调平水栅,以保持水库水位恒定. 水再由进水池回流,通至下游的泄水槽内,最后水流 回到进水池,构成了内部循环水系统.调压室用钢板 制成,直径75em,高133em,上部为压缩空气,下 部为水.水泵型号为6BA一12,设计体积流量5L/s, 扬程20.1m,额定转速为1450r/min,水泵额定效 率8l%;管径0.15m. 2.2测量装置 水位振荡量测装置包括钽丝电容式传感器,采集 电压器及计算机;动态水锤压力量测装置包括OEbl 压力传感器,信号放大器,采集电压卡及计算机;流 量则主要通过矩形薄壁堰量测. 水利水电技术第36卷2005年第1O期 杨明明,等//设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回阀作用的研究 2.3试验工况 全部试验共分4种工况进行测试.基本思路是通 过改变针阀大小或阀门连杆的重量来调节阀门的关闭 时间.每种工况测4组数据,以求消除误差. 2.4试验结果 (1)分段关闭时间分别为tl=1.17s,t2=4.73s. 在这种工况下,调压室波高第一次峰值1.2245206m, 波高最小值1.1108406m;阀后压力第一次峰值 15.95853125m,压力最小值2.8798208m. (2)分段关闭时间分别为tl=1.5s,t2=3.5s. 在这种工况下,调压室波高第一次峰值1.23121029m, 波高最小值1.12136029m;阀后压力第一次峰值 15.7381625m,压力最小值2.80636458m. (3)分段关闭时间分别为tl=1.27s,t2=2.67s. 在这种工况下,调压室波高第一次峰值1.2270874m, 波高最小值1.1226174m;阀后压力第一次峰值 15.7136771m,压力最小值2.7678875m. (4)分段关闭时间分别为tl=1.33s,t2=1.73s. 在这种工况下,调压室波高第一次峰值1.23232466m, 波高最小值1.13898466m;阀后压力第一次峰值 15.6786979m,压力最小值2.655954m. 对比4种工况下的波高及压力,可以得出结论: 在带有气压式调压室的高扬程,短压力水管的供水系 统中,缓闭止回阀关闭时间的快慢对水锤压力的影响 甚微. 3数学模型 3.1有压管流中瞬变流的基本方程 有压管中的水力瞬变采用考虑管壁和水体弹性的 弹性水击运动方程和连续方程为 = 0x+gdx+gat+2gD--- … 1 ,, L:oi-1+rot-1++Vsin:0. dtdxgdx 式中,日为测压管水头;V为流速;口为水击波速; D为管径;f为水力摩阻系数.其通用解法是特征线 法,文献[1]中有详细论述.对方程(1)用一个未知 因子A进行线性拟合,即 = 厶+=++吉+A(警+ ++in)=A【警+(+_1JOHA】+(2),L\,J 1[av()砌=0 据微分法则 59 杨丽明,等?设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回阀作用的研 究 dHOHOHdxdVOVOVdx,,,, +,+一dt(3)dtat.adt’dtat.a, 令譬=V+1/A=V+Aa(4) 则式(2)可以写为 A+(1/g)dV+fVIVI/(2gD)+AVsin0=0(5) 从式(4)可解出A的两个特征值A=.4-(1/a), 将A=1/a代入式(4),式(5),并且由于a>>ll, 忽略VsinO和得 fdt+gdt+=0l(6)l一一+一一+—一=lJlc:{n’.2I()【 dx/dt:口J 将A=一1/a代入式(4),式(5),忽略Vsin0和 得 C-:{-…ldH++=0l(7){ndt++l(7) 【dx/dt:一nJ 这样,偏微分方程就转化为在特征线上成立的常 微分方程:c,c一.可利用特征线网格求解. 3.2边界条件方程 文献[2]中对各种边界条件有详细叙述. 3.2.1气压式调压室边界条件 调压室中压力气体服从可逆的多变关系一=C. 式中:P为气体压强;p为气体密度;C为常数.指 数K一般取等温过程K=1.0和等熵过程K=1.4的 平均值,取K=1.2. 调压室连续性方程和动量方程为 A(dH/dt)=Q 詈一一一 式中,各参量的下标s表示调压室. 3.2.2水泵边界条件方程 水泵边界条件由机组转动方程,水头平衡方程和 水泵全特性曲线组成. 机组转动方程J(dto/dt)=一M(9) 水头平衡方程日=:一+?(10) 式中,.,为水泵机组转动惯量;?为转动角速度; 和分别表示电机转矩和水泵轴力矩;H为水泵扬 程. 在水泵边界条件与管道水击方程联合求解时要用 到水泵全特性曲线,为便于求解,对水泵全特性曲线 用SUTER等人提出的方法作了变换处理,这种变换 的一个显着特点是把参量变成相对量后,除q和凡为 夕卜对任何盟旦皿堕的实数.在犍:眭曲线上都为单 水利水电技术第36卷2005年第10期 值函数,克服了原特性曲线在鞍形区的多值现象,文 献[3]中对此种变换处理有详细论述. 3.2.3缓闭止回阀边界条件 水泵事故断电时,缓闭止回阀的关闭规律一般采 用两段线性关闭.水泵断电时,止回阀第一段线性关 闭可以采用较快的关闭速度,这样在水流开始倒流以 前止回阀就关闭到一个较小的开度Y,以减小水泵 倒转速;然后,在第二段以缓慢的速度关闭阀门,以 降低压力水管中的正水击压力升高. 数学模型如下所述.在设有气压式调压室的输水 系统中设置了缓闭止回阀,相当于阀门为中间阀 (即阀门串联在管道中).其基本方程如下:Q= CA.结合连续方程以及特征线方程,可求出 任意时段的瞬态流量. 4数值模拟H 对图1所示的试验模型进行数值模拟时,主管中 的水力瞬变用特征线法的C和C一方程结合边界条件 进行求解,将整个系统分为6个管段,再按管段的最 大公约数法确定20个计算管段,从水泵断电关阀时 刻开始,逐时段求解.求解的初值条件为:初始流量 Q=0.063m/s;初始扬程H=14.92m;调压室初始 水面高程为0.66m;调压室底部高程为一0.10m; 调压室升管长度为2.15m;调压室中空气的初始体 积为0.25m.对所有这些参数,建立一个或分别建 立多个数据库,使输入标准化. 5试验结果与计算结果比较 气压式调压室水位波动计算结果与实测结果比较 见图2. 0?50—————————————————————————— ——————————一 0-45—————————————一 圜 E三三三 从图2中可以看出,两条曲线的线形是比较吻合 的,这说明对设置气压式调压室及缓闭止回阀的压力 水系统所建立的数学模型和运用的数值计算方法是正 确全玉田盘日星?缸右一=血b助笪结里白晶I— 压力值小于实测结果的最小压力值,这主要是由于计 算时主管与调压室的连接管道的水头损失取值偏小引 起的,也是由于仪器的误差而引起的. 图3为缓闭止回阀阀后压力计算结果与实测结果 比较图.. 25 20 三15 奋10 5 0 1 I,,AA一… V’… 20406080100120 时间/S r二二面 I--~1 图3缓闭止回阀阀后压力计算结果与实测结果比较 从图3中可以看出,计算结果与实测结果吻合比 较好,但有不同之处:其计算结果在阀关闭后水位波 动的第一个周期内的压力谷值与试验值吻合不是很 好,这是由于计算时阀门关闭所设定的时间比实际阀 门关闭时问要长而引起的;由于计算中采用恒定的波 速,又忽略了紊流脉动流中管道摩阻的影响,因而计 算结果一般来说是偏保守的;同时还有部分误差是由 于仪器的率定误差所造成的. 6结论及建议 6.1结论 压力管道输水系统已经广泛地应用到工程中,在 很多情况下需要用水泵扬水,然后再进行长距离输 水.在水泵扬水的输水系统中,水泵断电过渡工况会 产生很大的正负水击压力.从本文的试验和计算结果 以及计算和试验结果的对比都可以看出,在改变缓闭 止回阀阀门关闭速度的4次试验中,调压室中波高的 峰值和最小值,以及阀门后的压力峰值和最小值相差 都不大,因此可以得出这样的结论. (1)在设置气压式调压室的高扬程,短压力水管 的水泵扬水输水系统中,由于水流惯性作用较小,当 气压式调压室出现涌浪时,高压气体抑制水位变化的 作用远大于改变缓闭止回阀调节规律对水力瞬变的影 响.在这样的输水系统中,缓闭止回阀关闭速度的快 慢对水锤压力影响很小,因此也就没有必要设置第二 段慢速关闭. 杨丽明,等?设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回阀作用的研 究 (2)在设置气压式调压室的高扬程,短压力水管 的供水系统中,希望阀门关得越快越能减小机组反向 转速,避免发生反向飞逸事故,而普通止回阀就具有 这种功能,它一次关闭,且关闭时间很短,因此可以 用普通止回阀代替缓闭止回阀. (3)由于普通止回阀在高扬程,短压力水管的供 输水系统中一次关闭,且关闭快,可以保证水流不至 于倒流,并且可以保证气压式调压室内水体不会下降 太多,且设计与安装方便,结构简单,造价便宜;而 缓闭止回阀要实现两段关闭故结构复杂,造价昂贵. 用普通止回阀代替缓闭止回阀可降低工程成本.因 此,在此类系统中应用它比缓闭止回阀更经济. 6.2讨论及建议 对于缓闭止回阀的适用范围,笔者作了如下讨论 和总结. (1)在未设置气压式调压室的供水系统中,特别 是高扬程,大流量,压力水管道长的压力水系统中, 缓闭止回阀的作用是明显的. (2)设置气压式调压室的高扬程,短压力水管的 供水系统中,缓闭止回阀的作用不明显,可以用普通 止回阀来代替. (3)在低扬程,长距离的供水系统中,不宜采用 缓闭止回阀. 因为在此类系统中,由于管道距离很长,所以水 流惯性很大,扬程低,故水流倒流速度慢.当断电停 泵时,若阀门关闭很快,则由于阀门处的压力很小, 有可能在阀门附近产生负压,发生汽化:而当水流倒 流时,阀门处的压力又升高,这可能引发气泡渍灭,引 起爆管事故.故在这种情况下,可采用电动阀门慢关. 参考文献: [1]怀利EB,斯特里特VL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. [2]王学芳.工业管道中的水锤[M].北京:科学出版社,1995. [3]陆佑楣,潘家铮.抽水蓄能电站[M].jB京:水利电力出版 社.1992. [4]杨丽明.设置气压式调压室的输水系统中缓闭止回阀作用的研 究[D].北京:北京工业大学,2003. 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