高扬程大流量事故停泵水锤防护的研究(可编辑)

高扬程大流量事故停泵水锤防护的研究(可编辑) 高扬程大流量事故停泵水锤防护的研究 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果,也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 、 研究生签名:从嘶 时间:如年』月歹/日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。 保密的学位论文在解密后应遵守此 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 研究生签名: 时间:加『; 年月歹日 、 导师签名: 时间:?侈年明乡/日 艿 赫一摘要 随着我国城市化进程的加快以及人们日益增长的生活水平,用水量在不断增加,再加上我国 水资源的分布特点和污染的加剧,我国修建了大量的输水工程以满足需求,特别是高扬程、大流 量的输水工程。在这些工程中,最常见而且最严重的问题就是如何保证工程的安全运行。因此, 针对具体工程采用合理、有效的水锤防护措施,是输水工程安全运行的重中之重,需要我们去深 入研究。 事故停泵水锤的防护与具体工程之间是一一对应的,不同工程的防护措施的选择是不同的。 本文结合山西中部引黄工程,针对该工程高扬程、大流量、水泵机组功率大的特点进行了大量的 计算、分析与研究。 首先,阐述了进行事故停泵水锤研究的意义以及国内外研究现状,分析了水锤计算的基本原 理,给出了不同工况下的边界条件,根据水锤计算的特征线法,建立了水锤计算的基本数学模型 和不同型号泵并联情况下的数学模型,为后文的水锤防护研究奠定了理论基础;同时还给出了水 锤计算理论中最重要的水柱分离模型。 其次,给出了三大类水锤防护措施,着重对空气阀进行研究,并进行了较深入的探讨:同时 给出了具体防护措施的边界条件以及如何去合理的选择、搭配防护措施。 再次,在中编写水锤计算的可视化程序。并利用计算机对水泵出口无任何阀,两阶段 缓闭阀以及空气阀等不同防护措施下停泵水锤的水力暂态过程进行数值模拟。 最后,结合山西中部引黄泵站工程,进行模拟计算和分析。根据模拟结果,得到了两阶段缓 闭蝶阀的最优关闭程序,空气阀合理的安装位置;提出了高扬程、大流量事故停泵水锤的最优水 锤防护措施:在泵出口安装两阶段缓闭蝶阀,结合实际在管线上合理布置空气阀。为以后高扬程 大流量泵站的水锤分析提供了参考。 关键词:事故停泵,水锤理论,数值模拟,联合防护 ’ , . , . .瞰刈 .. , ..毯. , , , ,. . . , . . , .? 。 ;,. :.. : ,. ... 目录 工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录 第一章绪论??一 .水锤的基本概念~ ..水锤现象 ..水锤分类 .水锤研究的意义.. .国内外的研究现状..国外研究现状.国内研究现状.. .本文的主要研究内容和创新点. ..主要研究内容? ..创新点 第二章水锤计算基本原理??.. .水锤计算综述.水锤特征线法基本原理及方法. ..水锤特征线法基本原理 ..水泵端边界条件方程. ..水泵端边界条件方程的联立求解? .并联边界条件方程..水头平衡方程. ..相连管路的负特征方程..连续方程??. ..水泵全特性曲线方程 ..惯性方程??. .停泵水锤水柱分离模型 ..水柱分离的判断??. ..水柱分离模型. 第三章水锤防护措施? .泵站规划 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中对水锤的防护 ..减小管道中的流速? ..合理布置管线 .防止产生过火负压的措施..空气阀.. ..调压塔 ..增大转动惯量或增设惯性飞轮..设置空气室? .防止升压力措施 .安装缓闭阀?.. ..安装水锤消除器.安全膜片.防护措施的选择 第四章工程应用. .工程概况 ..基本参数??. ..管线布置..水锤波速??~ ..稳态运行工况.‘ .事故停泵阀门拒动作无阀水锤计算分析?. .’事故停泵阀门拒动作无阀水锤计算??...事故停泵阀门拒动作 无阀水锤计算分析.. .事故停泵加两阶段缓闭阀水锤计算分析..在事故停泵水锤发生 后阀门最优操作程序调节的原贝:? ..两阶段缓闭阀关阀时间的确定..事故停泵加两阶段缓闭阀水 锤计算分析? .事故停泵加两阶段缓闭阀和空气阀水锤计算分析? ..空气阀位置的合理选择。,沿线各断面空气阀的排出量 ..事故停泵加两阶段缓闭阀和空气阀水锤计算分析.. 第五章结论与展望.结论?. .展望 参考文献。 个人简介? 教育经历:?. 攻读学位期间发表的相关论文:?. 致谢. 附录.宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 .水锤的基本概念 ..水锤现象 水锤也称为水击,或称水力瞬变过程,是指在压力管中因流速剧烈变化引起动量转换,从而 在管路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。它是流体的一种非恒 定流动,从某~稳定状态过渡到另一种稳定状态的过程中所发生的非稳定的一切“。 事故停泵水锤是指由于人为失误操作或水泵机组的突然故障断电等外部因素而引起的开阀 突然停车,在管输系统中,因流速的急剧变化引起的管路中的压力急骤波动的水力冲击现象。总 的来看造成事故停泵水锤可能有以下几种原因?: 由于电力系统或电气设备突然发生故障、人为的操作失误等致使电力供应突然中断; 雨天雷电引起的突然停电; 水泵机组突然发生机械故障,致使水泵转动发生困难而使电机超 载,由于保护装置的作用 马上将电机切除: 在自动化泵站中,由于维护管理不善,也能使机组突然断电: 对中、小型泵站为了简化自动控制,而采取开阀开、停车。 根据调查统计,大部分水锤事故都属于停泵水锤事故。虽然水锤现象发生的时间非常短暂, 但是它能够造成严重的工程事故。依据各地区所发生的多次有记录的水锤事故中可发现:不 同工程的事故停泵水锤所产生盼破坏程度与地形起伏程度、管线的长度以及管线的布置情况等有 很大的关系,因此事故停泵水锤所产生的事故一般的则破坏水管,供水被迫暂时中断;严重的则 淹没泵站及机组、使泵船沉没等:有时候,由于事故停泵水锤,而破坏设备、危及工作人员的生 命,甚至破坏了铁路、公路的路基,进而引发更大的灾难。 ..水锤分类 水锤按不同的分类条件可分为以下几种心: 按照水锤成因的外部条件,可分为启动水锤、关阀水锤、停泵水锤。启动水锤一般在 有压管未充满水而压水阀门过快启动的情况下出现;关阀水锤则是在阀门关闭时出现的水锤现 象,通常如果遵守操作程序去关闭阀门,水锤压力波动不大,但如 果没有按照正常程序或发生意 外事故时,出现的关阀水锤的程度也不一样;事故停泵水锤是由于泵站维护人员的操作失误、事 故停电以及自然灾害导致的短路等原冈,造成水泵机组突然断电而造成开阀停车,在管输系统中 所发生的水力冲击现象。 按照水锤水力特性,可分为刚性水柱理论、弹性水柱理论。刚性水柱理论则是以不考宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 虑管材的弹性和水流阻力为基础的理论,应用这种理论进行的计算较为简单,但结果与实际有较 大差距;弹性水柱理论则是考虑了管材的弹性以及水的可压缩性,虽然导出的水锤基本微分方程 比较复杂,但与实际差距较小,因此,在实际的工程中进行水力过渡过程分析时,应尽可能应采 用弹性水柱理论,使得到的计算结果更加贴近实际。 按照水锤波动的现象,可分为水柱连续现象和伴有水柱分离的水锤现象。在泵系统的 水力过渡过程中,由于边界条件的突然改变,管路中的压力随之发生急剧变化。伴随着压力的降 低,气体或因释放成为气泡,或因汽化而生长发育成蒸汽泡,从而形成水柱分离。一般来说只有 在阀门端或管道凸起部才会发生水柱分离现象。 按关阀历时正和水锤相‖的关系,可分为直接水锤、间接水锤。直接水锤是最简单的 水锤情况,即阀门处产生的最大升压值与管线长度和阀门的关闭时间无直接关系;而间接水锤则 比较复杂,不能一概而论。 .水锤研究的意义 近年来随着我国各类高新产业的高速发展,针对各城镇工企业的供水也发展极快,因此如何 保证各个输水管线的安全运行,免受水锤破坏,就显得极为重要。在具体的技术条件下进行水锤 计算不仅对于停泵水锤分析、判断停泵水锤的危害、采用哪种防护措施以及预测技术经济效果等 有着重要的意义,而且还对最新的水锤防护研究应用于工程实际中有着积极的意义。 水锤研究对于泵站及管输系统的安全运行有着重要的意义。依据各地区所发生的多次有 记录的水锤事故中可发现:不同工程的事故停泵水锤所产生的破坏程度与地形起伏程度、管线的 长度以及管线的布置情况等有很大的关系,因此事故停泵水锤所产生白事故一般的则破坏水管, 供水被迫暂时中断;严重的则淹没泵站及机组、使泵船沉没等;有时候,由于事故停泵水锤,而 破坏设备、危及::作人员的生命,甚至破坏了铁路公路的路基,进而引发更大的灾难。种种事实 表明水锤产生的灾害已经严重威胁到了人民的正常生活生产甚至生命安全,因此按照各种泵系统 工作的特点与条件,正确地进行停泵水锤计算,全面实事求是地且又有预见地进行水锤分析,采 用必要的水锤防护措施,从而防止各种水锤灾难的发生,确保泵站及其管输系统的的安全运行。 下图为大战场泵站事故停泵管道破坏图: 图事故停泵管道破坏图 影响事故停泵水锤计算的因素有很多,工程本身的因素有长距离、高扬程、大流量等,还有 水锤波速的变化、沿程阻力系数的不同等,都会造成一定的影响,进而影响对工程防护措施的选 择。因此不同工程间的差异,都要求对水锤进行进一步的计算,去确定具体的、切合实际的防护 一.宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 措施,这对于事故停泵系统的安全有着重要的意义。 我们通过计算机模拟出不同工况下输水管路的水锤状况,在满足水泵设计规范的条件下,不 但可以确定两阶段缓闭蝶阀的最优关闭时间及角度,还可以分析 出压力管线的压力分布情况,确 定各段管道的工作压力,以便合理的选择管道工作压力,进而针对出现的最不利工况采用合理的 水锤防护措施,以确保整个供水工程的安全运行。为以后高扬程大流量的输水管线的水锤分析提 供了参考。 .国内外的研究现状 ..国外研究现状 人们对于水锤的真正研究是从意大利人门那布勒开始的,年,他发表了论文, 论文中指出压力变化是由波的传播引起的,然后根据能量原理,考虑了流体的可压缩性和管壁的 弹性,进而给出了波速计算公式,形成了水击的基本理论.为后世的弹性水锤理论的研究奠定了 基础‘川。 意大利、俄国和美国的学者在这一时期也对水锤理论进行了研究,并发表了一些著作。弗里 泽尔于年发表了一篇论文,文中给出了水锤波速以及由于流速的急剧变化而引起水 锤压力变化的公式,并且假设管壁的弹性模量是无穷的,在一定条件下,水锤波速与声速相等; 同时他还给出了分岔管、波的反射以及连续波等因素对波速有一 定的影响啼。 俄国人儒科夫斯基在年针对不同管道中的水锤现象做了大量实验。并且于下年发表了 著名论文“管道中的水锤”。文中建立了著名的儒科夫斯基公式:当关闭时间/时,其中 表示管长,表示波速,压力达到最大值旧,会形成直接水锤。但是儒柯大斯基只解决了关于 直接水锤的问题。 紧跟着儒科夫斯基,年,意大利人阿列维发表了著名的关于水锤理论的论文, 在总结前人的研究基础上,为解决间接水锤做出了巨大的贡献,文中他介绍了常数和阀门 关闭特性两个参数,并且使用了水锤常数,这个常数至今还在引用;针对线性关闭的阀门,为了 便于求解阀门实际的压力,他给出了一套图表,并在实际工程中得到了广泛的应用? 年,在芝加哥由和联合发起了关于水锤的专题学术讨论会,这次会议主 要研讨了水锤在排水管和压力管中如何变化方面的论文:与之相关的又一次水锤的研讨会是在 年举行的,这次会议主要分析了空气室和阀门,包括了水泵的全性能特性以及测量值与计算 值之间的误差等方面的论文。 对于液柱分离现象年哺给出了计算,尤其是对分岔管路和复杂管道的水锤计算进 行了研究。在有压管道的分析中,删旧。通过限性化阻力损失项,利用了提出的微积 分法运算,在这之后“?“还利用拉普拉斯变换法来分析管道中的水锤现象。 ,首先使用了图解法,随后,对图解法的发展使用做出了巨大 的贡献;....,.和.等结合实际对断流弥合水锤进行了分析研究, 为后世的研究打下了坚实的基础.。“。 是第一个给出如何确定阀门关闭最优策略的人,这将保持最大压力在一定的范围内。之 后,、以及将这种方法策略应用到复杂管路系统中,并实现了在计算机上 ..宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 的应用。 上个世纪年代初,美国著名流体力学专家斯特里特.教授连续发表了几篇著 ”一书, 名的论文“’蚓,其中最为著名的是年..和..合著的 书中论述了瞬变流是如何发生的、发展的机理以及如何减少和防 止瞬变流动而造成的诸多不利影 响,并利用语言编写成程序模拟计算瞬变流以此达到控制瞬变流的目的,进而在实际 工程中采用合理的防护措施。书中涉及了阀调节、涡轮泵、往复泵、调速水轮机、明渠、天然气 和石油的输送等具体的实际工程问题,并针对每一种情况介绍了如何系统地运用电子计算机进行 水锤计算。清华大学在年将该书由译成中文版的《瞬变流》。 ,这书不仅对水 年,加拿大的..博士发表专著即 锤的基本理论、数学模型的建立以及实际工程的计算方法进行了系统地介绍,而且还对输油管道、 水电站中水锤的计算方法、如何对水力过渡过程进行控制的实例、电算程序进行了阐述,同时也 初步涉及了有压管道中的共振和水柱分离问题。年日本教授秋元德三“刚出版了《水击与压力 脉动》一书,并于年在我国出版了中文版。 国际水力研究协会于年还专门成立了水柱分离研究组,在年发行名为《伴 有水柱分离的水力过渡过程》羽的综合 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 书。该书囊括了该研究组这些年来对水柱分离的研究 成果。 近年来,随着计算机技术快速发展,管道中水锤的计算机模拟也日趋完善,对水锤的防护从 此进入一个全新的阶段幢?。 ..国内研究现状 世纪的年代,国内开始了对水锤的研究,但是在这个时期国内的专著较少;年, 由于水锤事故的频繁发生,龙期泰等人在一系列短管水锤实验的基础上做了大量试验,并对下开 式水锤消除器作了很好的研究,这对于年代水锤的防护起到了至关重要的作用佐“。 到了年代,由清华大学翻译的‘瞬变流》埋引 以及由陈家远,孙诗杰,张 治滨翻译的《实用水力过渡过程》? 的出版,使我国进行水力过渡过 程研究的科研人员逐渐增多,对于后来国内水锤计算及防护奠定了基础;年,随着清华大学 王树人等编写的《水击理论与水击计算》一书的出版,我国进入了用计算机进行水锤计算的历史, 虽然这时仅能对一些简单边界条件进行处理比“。在年的第五届学术会议上,王树人和王学 芳等将他们所研究的水电站调压塔的防水锤措施及旋启式止回阀水锤性能研究成果公布于世,在 国内外引起了强烈反响。 刘竹溪、刘光临等人编写的‘泵站水锤及其防护》是国内较早的系统论述了泵站水锤及其防 护的专著,并且将计算机电算法应用到实际的泵站水锤计算中,同时他们还对水泵全特性能曲线 和单向调压塔进行了研究幢”: 刘光临等人通过实验研究,对两阶段关闭的缓闭蝶阀作了深入的研究,并且将其关闭过程进 行了优化啪; 金锥教授专注于水柱分离的研究,从水柱分离发生的内在原因进行了阐述,建立了伴有多处 水柱分离模型,并将计算机电算法应用到各种复杂的边界条件,其研究成果收录于《停泵水锤及宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 其防护》中。“; 索丽生等人删对水电站压力引水系统水力过渡过程进行了理论研究,并对多方面的水锤进行 了分析,为调压塔在实际工程中的应用提供了理论基础。 王学芳等对于工业管道中的水锤有很深入的分析与研究,其研究涉及到多个领域,如:密封 输油,城市输水,工厂的热力交换和循环系统,热水供应系统及具有防水锤特性的阀门等,其研 究成果收录于《工业管道中的水锤》一书啪; 年代,我国的科技人员在系统总结前人的基础上成功开发出一种新型水锤防护设备一液控 缓闭蝶阀,通过调节阀门的快关、慢关时间以及关闭角度,对简单边界条件的水锤有很好的防护 作用; 年,杨玉思恻经多年研究终于成功研制出气缸式排气阀,从根本上解决了输水管道的排 气问题,消除了管道的安全隐患,他认为管道排气不畅引发气爆是城市管网爆管的主要原因,因 此在实际工程中减少气爆水锤的发生,我们可以尽可能的选择性能优良的排气阀; 奕鸿儒”“等人通过大量的实验和计算,发表了许多论文,这对工程中常用的两阶段关闭蝶阀、 逆止阀和微阻缓闭止回阀等的合理使用起到了很重要的指导作用,并且对瞬变流的进一步研究有 着积极作用; 最近几年,国内对于事故停泵水力过渡过程的研究主要集中在有压输水管道系统伴有空穴 流、液柱分离两相瞬变流现象等方面,并且取得了一定的成果。于必录等编写了《泵系统过渡过 程分析与计算》,他主要对有压输水管道系统发生液柱分离现象 进行了理论研究旧引; 年,蒋劲等发表论文《管路系统气液鼯相流瞬变流的矢通量分裂法》,提出了求解气液 两相瞬变流的新方法一矢通量分解法; 在输水管道气泡动力特性方面,杨开林等率先对其进行了研究,并收录在《水电站长输水管 道气泡动力特性研究》一文中?; 在管道负压较大的条件下,郑源等对于管道中气体如何释放进行了更深的研究: 孙兰凤?副对丁.管道中采用空气阀消除断流弥合水锤进行了数值模拟:金锥、杨玉思等对断流水 锤进行了实验研究,同时对于数值模拟和气液两相流等方面也都有较深入的研究。 近年来,随着我国经济的快速发展以及城市化的加快,大型的输水工程被大量建设,因此 这些管输系统的安全运行就显得尤为重要,人们对于这些问题的研究也日益增多,国内知名学者 对此的研究也越来越多。水锤的理论研究以及实际工程中的防护研究也越来越合理,很多水平已 经达到世界领先水平。随着计算机技术的进一步发展,人们对于水锤的研究也将更加精细、合理。 .本文的主要研究内容和创新点 ..主要研究内容 本文结合高扬程、大流量事故停泵水力过渡过程的特点,在搜集、总结、研究前人理论研究 成果的基础上进行了大量的分析、计算与研究,我们主要完成的工作是: 搜集并总结前人的研究成果,论述了事故停泵水锤的定义,特点,分类以及研究意义, 并对国内外研究现状进行了综述。 . 在总结前人研究成果的基础上,分析了水锤计算的基本原理,给出了不同工况下的边 一.宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 界条件,根据水锤计算的特征线法,建立了水锤计算的基本数学模型和不同型号泵并联情况下的 数学模型,为后文的水锤防护研究奠定了理论基础;同时还给出了水锤计算理论中最重要的水柱 分离模型。 提出了三大类水锤防护措旅,着重对空气阀进行研究,并进行了较深入的研究和探讨; 同时给出了具体防护措旌的边界条件以及如何去合理的选择、搭配防护措施。 在中编写水锤计算的可视化程序。并利用计算机对水泵出口无任何阀,两阶段 缓闭阀以及空气阀等不同防护措施下停泵水锤的水力暂态过程进行数值模拟。 结合山西中部引黄泵站工程,进行模拟计算和分析。根据模拟结果,得到了两阶段缓 闭蝶阀的最优关闭程序,空气阀合理的安装位置;提出了高扬程、大流量事故停泵水锤的最优水 锤防护措施:在泵出口安装两阶段缓闭蝶阀,结合实际在管线上合理布置空气阀。为以后高扬程 大流量输水管线的水锤分析提供了参考。 ..创新点 本文的创新点主要包括: 所研究的泵站及其管输系统为扬程高、流量大以及泵站机组的功率大,目前国内少见甚至 唯一,为以后此类工程的建设提供了参考价值和借鉴意义; 以实际工程为例,解决了高扬程、大流量水泵机组事故停泵水锤分析数值模拟计算的工程 问题,为该泵站设计提供技术数据和水锤防护的具体措施。宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 第二章水锤计算基本原理 停泵水锤计算是进行水锤分析和防护的基础。停泵水锤计算概念性强,涉及学科广,影响因 素多,所处工况及计算过程复杂,因此在具体进行计算前必须牢固地掌握好停泵水锤计算基本原 理。 .水锤计算综述 停泵水锤的计算常用的有图解法和电算法两种。图解法概念清晰,方法简便,虽然在计算 时要经过试算,作图繁琐费时,而且难以处理复杂的边界条件如在管路中发生水柱分离或管路 情况复杂时,其使用范围受到多方面因素制约,但是如果各种图幅的选用并配合得当,同时还 要有精细的作图技巧,则计算也有一定的精度,所以该方法曾在生产上被广泛应用过。 随着计算机的广泛应用,目前电算法已被普遍采用。电算法可避免图解法的不足,可利用计 算机进行计算,能处理复杂的边界条件,计算精度高、速度快,现已被广泛采用。 泵站水锤分析计算中普遍采用的电算法为特征线法。特征线法是一种数值计算方法,其思路 明确,不但可利用计算机编写程序进行计算,还可以计算复杂的边界条件,容易满足数值计算解 收敛的稳定条件。由于它可以处理管道的非线性摩阻项,从而提 高了计算精度。 .水锤特征线法基本原理及方法 特征线法‘譬也称电算法,其主要思路是将以偏微分方程式表示 的相容性方程,转化为便于 用计算机进行分析的有限差分方程。该方法精虞高,适用性强, 可用于求解各种复杂边界条件下 的水锤计算问题。 ..水锤特征线法基本原理 ?。, 鹾西岩 塑口:业: 【百怕‘瓦 ? 髫:爹。 式中:一水的压力 一断面面积; 口一水锤波传播速度;第二章水锤计算基本理论 三塾学硕士学位论文 一重力加速度; 一管道直径; ’,一水流流速; ?水流流量; .厂一摩擦损失系数; 一计算断面在管道中的位置: 一计算时刻。 令 。 厶:鲥罢塑型:, ::鲥警口:罢: 。良 。。 苏 现用待定系数旯将以上二式进行线性组合,即 ? 厶勉 将厶、厶代入,整理后得: ?, 罢勉罢倒,.塑去罢器。 该式就是偏微分形式的水锤基本方程。 设日,和五是运动方程和连续方程的解,并假定变量工是的函数, 则和 日对的全导数为: 丝;詈署去 敲 , 塑:丝塑查 ? ?~一 设 勉:宴 ? 将上式代入.,有 一一~‘一 塑:塑知:塑 又设 九 出 将上式代入式.,有、 ??一士??一; 根据式和式?,有 , . 九?一 ? 口 ..宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 综合式?、式和式?,得 塑?丝堕型: 口 这样,就将偏微分方程形式的水锤基本方程转变为常微分方程。 但该式必须满足的条件是: ~厶一 鱼:三:? ? 一一以 破 五 或 一 一:?一这就是特征线方程。在图.所示的~坐标系中。两条直线仰和即的斜率分别为 、/,两直线并交于点。若将上式写成出的形式,则出就是时间段内水 锤波以波速?沿管道移动的距离。 图?工~坐标系中的水锤特征线 在图中,假设、两点问的距离为?,在。时刻,从点生成或传出一正向水锤 波,在出时移动缸距离到达点。在点生成或传出一反向水锤波一,在时 也到达点。点的流量和水头可以根据点和曰点的流量和水头,用式.来求得。若令彳、 两点在岛时刻的流量和水头分别为、』、绋、,点在%时刻为绋、日尸, 那么,可用差分形式表示彳、两点之问及曰、两点之间流量和水头关系如下: 对于正特征线 ?口』等鳞珐 五 对于负特征线沪 一蚴口小茄绕圳 口 圳宁夏大学硕士学位论文 第二章永锤计算基本理论 将以上两式可简写成 一解 肼 ? 绋绋 % 式中 明。 口绋删口.. :: :坐 彳 式.和式.分别称为正特征方程和负特征方程。和为常数与管道特 性有关的; 将式一和式.联立,可得 ? ,。/ ?。, 掣 或 ? 如果将整个管长分成?段,如图所示这里?,则/。根据/求 出 。稳态时,各断面的流量、水头由式.奢式.可求出?时间段内各个断面的流量 和水头。如图所示.在时,、断面的流量和水头己知,则可根据处的负特征方 程和点的正特征方程,求出经过 时段点的流量和水头,以此类推。 对于泵出口和管道出断面,下一时段的流量和水头只能根据边界条件和相应的一个特征方 程联立求解。泵出断面由负特征方程和水泵端边界方程等联立求解,管道出:断面根据正特征 方程和管道出边界条件联立求解。宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 图计翼水锤特征线网络图 由此可见,边界条件和初始条件是水锤计算的关键。因此,需要对水泵装置的边界条件进行 分析,构造边界条件方程,以使求解方程组封闭。 ..水泵端边界条件方程 与水泵全面性能曲线有关的方程 全性能曲线是在口~或口~,坐标系中,以两簇等和等曲线表示的 性能关 系,其形式比较复杂,为便于计算机对水泵性能参数的存储和运算,需要对全性能曲线简化。根 据泵的相似理论,在相似工况下有 兰, , 刀 ’水泵参数中的转矩可表示为二兰竺,故有?????? 玎 用相对值表示时,以上的流量流速、扬程、转矩与转速的关系为一 , , 。一 仪一 如果把泵的全性能曲线的四个象限每隔一定的角度?等分,则对应任意角度为口的射线 上的各点为: ,:竺: 这就是说,同一射线上各点的兰相等,均为相似工况点,所以该射线上各点的乓和罢也 , 口‘ 口‘ 分别相等。这样,给出不同的值,就能求出相应的竺、乓和罢值。 口‘ 口‘宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 如果以里为横坐标,分别以乓和罢为纵坐标,就可将水泵全性能曲线用两条以综合参数 , ‘ ‘ 表示的曲线来概括。其中~竺曲线表示的是任意转速情况下,扬程与流量的关系;~竺 口‘ 口。 曲线所表示的是任意转速下,转矩与流量的关系。从而,使全性能曲线得到简化。 由于水泵全性能曲线表示水泵各种不同工况下的参数,、、臃和口值都可正可负, 当口:或,:时,使之、?或堡变为无穷大而没意义,也不可能绘出整个曲线。 口‘ 岔‘ 将等?珊和譬?船进行组合变换’得 丽?舢‘ 将生:珊和堡:船,进行组合变换,得 丽?船‘ 这样,就可以将全性能曲线表达为去:口和??:两条曲线,其中 窿‘,‘ 口‘‘ 口:兰:铬谴这种转换坐标后的曲线,其横坐标口:兰在任何工况下都在~万范围内变化,且口和’,不可能同时为零,从而使纵坐标去和? ‘均为有界值。 口‘‘ 口‘‘ 在~万范围内,将口等分,如:。,分别求得相邻点的去和??值,然 口‘,‘ ‘‘ 后以数据表的形式存储于计算机中,便可供水锤计算时使用。 对于两点之间的任意口值,可由线性插值求出口所对应的去和?;, 即 口‘‘ 口‘‘ 去:删锄竺‘’ 丽岛删锄了 口‘‘ 去:口, 丽钏. 式中: 口,一分别为扬程直线方程中的截距和斜率; 口:,如一分别为转矩直线方程中的截距和斜率。 水泵机组转子惯性方程宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 由理论力学知,机组转子绕固定轴旋转矩是: ? :掣:一?:壁~ 出 式中: 一作用于机组转子上的转矩,.: ,?机组转子的转动惯量,?; 国~转动角速度,~: ~机组转动部分的飞轮惯量,.胁。 机组失去动力后,靠惯性减速运转。用有限差分表示上式,取微小 时段一:,则有 ,一 丝?丝:一壁坐 ? ? 一一 将上式中的有关参数用无因次的相对值表示,即:竺,口:旦,代入 上式并整理得 刀。 盱弘鬻肘啪 令 一., :掣 / . 式中下标“”表示泵的额定工况参数。 由此可得时段末未知的转速相对比值为 ? 口口一/ 任意时刻水头平衡方程 如果水泵出口装有缓闭阀,则水泵扬程与管道始端阀后水头。的 关系在不计流速水头 的情况下为 ? ?, 式中: 日,一管道始端阀后水头; 日。一水泵进口断面的测压管水头。当进水管较短,忽略水力损 失时,其值为进水池水面 到基准面的高度; 日一水泵扬程; /一阀门的水力损失,可表示为,,。其中,,为阀门的阻力参数?由 阀门开度确定。 流量连续方程 在水泵和阀门之间,没有分流和汇流,因而流过阀门的流量与水 泵流量相等,即 一?宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 ? 绯 出水管道起始断面特征方程 当进水管较短时,可略去其与水泵连接的特征方程。由式,列出管 道起始断面处的 负特征方程 ? 口 ..水泵端边界条件方程的联立求解 便可求得所需要的水泵端参数, 将方程、、、、和联立, 过程如下: 首先将式和式.代入式?,得: 口?, 将水泵流量和扬程用无因次的相对值表示,上式变为 ? 口阴: 现有个方程,即式.、式?、式.和式,共含有个末知量、、,口, 方程组可解。经过代换,消去和,整理可得下列两个方程 巳?丫一,簖巩口 。 ? 最砌口:口 上式两式包含口、两个末知量,方程组封闭,但这是一组非线性方 程,需要用 迭代法求解。 求解时,先假定口和为近似解,则更逼近于精确解的近似值为 :口?口 ? :【?, ? 式中的和可用多元函数的级数展开,并取其线性项求得,即 望堑?,: ? ‘ ? 只堡?口 ’ 口 ?, 和的偏导数,可由式?和式?求得。联立求解以上两方程可得 式中的、 塑一堕 铷, 衄若薏去‰ .‘于夏大学项士学位论文 第二章水锤计算基本理论 矽堡一堡 髀 觚薪筹丢麓 口 , 如果求出的?口和?小于所规定的误差,和就是方程组的解,否则,用口和, 代替口和,再进行迭代计算,扫和?小于所规定的误差。 上述计算可按如下步骤进行: 假定计算过程已进行到时段末,设口和为该时段末已求得的己知值,现在要求 时段耒的口和值。此时,可先用外插法假定一个值 口一口 ,咋“一? 根据得到的口和,计算:咖竺,从而确定在水泵全性能曲线中口所在的分格区 问色,巳】,从数据表中读出该区间端坐标值‘??,‘石专川】及 【南南? 针对上述区间段【秒,,,,建立扬程特性方程和转矩特性方程所对应的直线方程的截距 和斜率,即式和式中的系数 一型盘二竺壶尘 一 厶:型盘尘竺壶生 目,一口 ?王?:::鲨夏尘 口一一口 反:五型尘竺五翌: 口『一 根据阀门开度,确定该时段末的阀门参数,。 根据以各参数,构造方程.、,根据式.和式求得?口和。 由式?和式?计算口和’,的近似值口‘’和‘?。如果?口和?,的值均小于规定 的误差,如.,则停止迭代。否则,以得到的口和’,值为已知值,继续重新从第步计算, 直至迭代多少次,如次。 . . 求出口和’,值后,代入式.和式,便可求出和,进而求得管道始端的流量 ,和水头,。这样,便可根据特征法原理进行下一时段各断面参数的计算。此方法用于只有宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 一种型号泵的事故停泵水锤计算。 .并联边界条件方程 在实际工程中,经常用两台或多台水泵向同一根管道供水,这种运行情况,称为水泵的并联 运行。在水泵并联水锤分析计算中,水泵端的边界条件方程由并联各台泵的水头平衡方程、惯性 方程、连续方程以及并联管道的特征方程组成。下面以两种不同 型号泵并联为例,介绍并联边界 条件方程求解。用下标、分别表示号泵和号泵的各参量,可列出 以下方程: ..水头平衡方程 日耳一皿 一一‖ 式中: ,日一分别表示并联的、泵的扬程; 。~管路并联处水头; 。一进水池水位在基准面以上的高度; 幽川、‖一分别表示、泵出水管蝶阀水头损失; 。。鳞。,, . ‖:鳞:, 、一分别表示、泵出水管蝶阀的特性系数; 级、一分别为、泵的额定流量。 ..相连管路的负特征方程 ? 鳞。日 ..连续方程 ‘,’ ..水泵全特性曲线方程 对于每台泵均可写出扬程和转矩曲线的近似直线方程,即 ? 石阜一:口毗堑 痢剐“毗‘方’ ? 硪碉氇一‖留芸, ..宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 一 南:%丛 陶刮‘右’ 一 磙/‘;:鸪% 式中: ,一表示泵扬程直线方程中截距和斜率: ,一表示泵扬程直线方程中截距和斜率 口一表示泵转矩直线方程中截距和斜率; 口一表示泵转矩直线方程中截距和斜率。 ..惯性方程 一 口口聊. 一,/:/ 式中符号意义同前。 联立方程?~?,并用无因次量表示各参数,则可得 %口心鲁%;。一。,一。: ‘。。,.。:,,:。。;。,。,.?。?。。。。 ‘吨。圯:勰‰:卜:心嚣,啊:卜儿‘。 一一 口 ? 口? ” ?嘴 留 一口 :一 %一% 一 ; 口 卜 口 一口, 口一 外 嘴留 一 ‰一‰ 上述各方程中的符号与单泵单管水锤计算中各方程的符号意义 相同,只是多加了下标和 以区分两种不同型号泵的参量。 两种不同型号水泵并联,泵端边界条件方程由式、、、.四个方程 组成,四个方程包含四个未知量口,口,,,可以有唯一确定解。由 于方程组是一组非线 性方程,可用牛顿一莱福逊迭代法进行求解。将上述四个方程写 成以下迭代求解的矩阵形式:宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 , 口 口、 . , 一,口。口 , 口 一 一 由。 口 口 , 一 由, . , 口口 口 幻, 方程式中包含有四个未知迭代增量口由,口,由,可计算确定并逐 步迭代 求解得各泵的瞬态流量和瞬态转速,其求解步骤如下所述。 设定初值口,口,阳,除稳态开始的第一个时段外,其余时段,前一 时段 的值加上该时段的增量作为下一时段的初值; 计算方程中的常数项; 口 由设定初值确定口辔?生,求各扬程和转速直线方程中的常数项; 将设定瞬态值代入式?、、?、?,求得、、、及式? 中的各系数项: 由式?由,口,由各增量;将设定瞬态参量与求得的各瞬态增量 相加求其代数和,得到更逼近于方程解的各瞬态参量,转向开始重新迭代计算,直到 口,。?占、:?、由,? 、由,:?占为允许的计算误差,这时所求的 口】,口,即为满足一定要求的精确解。 求出口,,口,之后,即可求出其对应时段末泵出口断面的流量和水头。 如果多台水泵并联,而且型号相同,泵出口的闸阀或其它装置,如缓闭阀等的特性也相 同,在这种情况下,所有同型号泵的事故停泵水锤计算,可用一台泵来模拟计算,只要把单泵的 流量乘以相同型号泵并联台数即可。 对于不同型号水泵并联,泵出口无逆止阀或缓闭阀防护情况下的水锤计算,仍采用上述方法, 但式中无幽,、?‖项:对于同型号水泵并联,泵出口无逆止阀或缓闭阀防护时 和合二为一,和合二为一。 .停泵水锤水柱分离模型 水柱分离现象是指在水力过渡过程中管路系统的瞬态压力降到汽化压力以下时,液体就会汽 化成水蒸气,当这些水蒸气在管路中集中成穴时,连续流动的液体就会被这些水蒸气空腔所隔断, 它涉及到一系列复杂的现象诸如气体释放、液体汽化、压力变化以及气液间的相互交换等。由于 惯性,当液体再次达到这里的时候,这时就会使水蒸气空腔被压缩,当水蒸气空腔完全溃灭时, 被隔断的液体将会相撞,这必将会产生非常高的瞬间压力,这种现象就是水柱分离再弥合现象。 水柱分离再弥合所产生的压力,其危害程度远远大于常见的水力过渡过程现象,并会极大危及到 泵及管输系统的安全。因此本节对于液柱分离再弥合现象进行阐述性“。 ..宁夏大学硕士学位论文 第二章水锤计算基本理论 ..水柱分离的判断 水柱分离现象对于水锤的准确计算有着十分重要的意义。根据整个管输系统的最低水头包络 线和管路本身的位置高程关系,我们即可对管路中是否会发生水柱分离现象做出准确的判断。 最低水头包络线和管路本身的位置高程关系,主要分为以下两种: 最低水头包络线高于管路本身,即两者既不相交也不相切。此时整个管输系统中,管内 不会出现负压,均为正压,即不会出现真空,因而不会发生任何的 水柱分离现象。 在管输系统的某些部位,如折点彳附近,最低水头包络线低于管路本身,即两线会有交点 、,由于在矿段内管路中会出现负压,但是否会发生水柱分离现象还要根据以下内容做出 判断。 ? 日。一?风 式中: 一为‖段内某点断面的位置高程; 一为测压管水头以相对压强计; 。一为大气压强: 圩,一为液体的汽化压强,其中。:墨; 若式成立,则会发生水柱分离现象,否则不会发生。 ..水柱分离模型 该模型基于以下几个假设: 水柱分离处于一个集中的空腔,它可发生在管道的任何计算断面上,并且该断面可视为内 部边界条件; 蒸汽空腔内充满蒸汽,其压力不变,等于液体的汽化压力; 在水力过渡过程中,水锤波速不变,两侧水柱均视为连续流动的液体; 水柱完全弥合后,不残留气泡,蒸汽空腔完全消失【; 假设在断面上产生水柱分离,在时间步长内,流入的平均流量为;,流出的平均流量 为,其相对应的水头为巩和?,。根据水柱两侧的特征方程可求得: :鱿?, 一: 。, 令蒸汽空腔体积变化率等于进出蒸汽空腔的流量的变化,即: 华:? ??~? 式中:.为蒸汽空腔体积。 由于水柱分离再弥合而造成的水头升高值为?,则 ‘, 脯豪‘线一宁夏大学硕士学位论文 第三章水锤防护措施 第三章水锤防护措施 在第一章中我们已经介绍了事故停泵水锤发生的原因有很多,在实际的工程中,由于前期设 计阶段考虑不全面使得设计不合理而导致事故停泵水锤的发生;还因为害怕事故停泵水锤的发 生,而不加考虑的选用很多不合适的防护手段,不仅造成了工程造价上的浪费,但没有达到较好 的水锤防护目的。水锤防护是为了减少管道中压力波动的幅度,并且使压力保持在一定的范围内, 令水泵机组及其管输系统能够安全运行。 因此,如何去合理地确定防护措施以消减水锤破坏作用显得尤为重要。由于对泵站水锤的影 响因素有很多,应根据具体的情况去选择合适的防护措施。通常来讲,对泵站水锤的防护要从规 划设计、工程措旄和运行管理三个方面进行考虑。本章我们将分别介绍水锤的防护措施以及如何 去合理的选择防护措施?。 .泵站规划设计中对水锤的防护 ..减小管道中的流速 管中流速减小,管中惯性能量就会相应的减少,从而达到防止降压的目的。但是减小流速是 通过增大管径来实现的,这势必会增加工程造价,应切实地结合经济管径和其它防护措施一并考 虑,并进行经济比较。 ..合理布置管线 管线的合理布置对于水锤的防护也有着重要的作用,管线要尽的布置在最低压力线以下,尽 可能的避开“驼峰”、“膝部”状升高点。若管道纵剖面在虽低压力线以上时,管道中就会出现负 压,特别是在上下坡度差距很大的管道转弯处时,负压最大也最容易引起水柱分离。一般来说, 管道的布置通常根据地形来决定,对于长距离、高扬程的输水管道,“驼峰”、“膝部”等的出现 是不可避免的。因此,在选择防护措施时必须要考虑工程造价、地形、负压的大小等综合因素, 才能找到最佳防护措施。 .防止产生过大负压的措施 ..空气阀 空气阀是一种用于防止停泵水锤过程中产生负压的特殊阀门,通常装设在管线凸起部分。当 管道内压力低于大气压力时吸入空气,而当管道中压力上升高于大气压力时排除空气。空气阀边 界条件遵循以下四个假定: 空气等熵的流进流出阀门; 管内气体的变化遵守等温定律,且温度接近于液体温度; 进入管内的气体仅停留在空气阀附近; 液体表面的高度基本不变,而空气的体积和管段里的液体体积相比很小。 空气通过空气阀时的质量流量不仅与管外大气的绝对压力,有关,而且还与绝对温度、 管内的绝对压力和温度有关。空气阀的流入流出速度分为弧音速 和临近音速两种情况。宁夏大学硕士学位论文 第三章水锤防护措施 一空气质量流量的数学表示 由空气动力学相关理论,可得如下的表示式: 空气流入: ? :历瓦面可再可丽 当.??昂 . ? , 瓜。 当. 空气流出: 浯, 扣。%瓜硒丽郢?兜 .?而 一国 ? 当?/. 式.和分别为空气以亚音速流入和以临界音速流入的情况,式.和 分别为空气以距音速流出和以临界音速流出的情况。 式中: ,?分别为空气流入和流出空气阀时的流量系数; 功,吐一分别为空气阀的开启面积; 一大气密度,/: 尺?气体常数; 一管内绝对压力; 阼,玎一指数,咒.,以.; 用无量纲气体压力’/昂代替,并用二次抛物线方程代替式.和., 可以得 到 当.?’?. ,’鸽 当’. 皑./瓜‘ 当.’?. 砬’哦 当’. .?/?而 二空气阀边界条件的确定 空气阀的工作原理【:当管线内的压头大于外界大气压或者管线 中没有空气时,空气阀关闭, 空气阀既不进气也不捧气;当管线内的压头小于管线的布置高度 时,空气就会流入。由上前述的 假设,流进管内的空气满足如下气体定律: ‘ 式中:一管中空气体积,其余符号意义前同。 根据质量守恒定律知,可将式表示为: .一宁夏大学硕士学位论文 第三覃水锤防护措篪.?庳一?】【. 量 式中: ;一时段初气体体积; 一流出空穴的起始流量; ~流出空穴的末了流量; ?一流入空穴的起始流量; 广流入空穴末了流量: ,‰一空穴中空气的起始质量; 魂一空穴中空气流入或流出的起始质量流量; 廓一空穴中空气流入或流出的末了质量流量; 卜一绝对温度与气体常数的乘积; 与之相连管道的基本方程组为: :一曰胴 . 一:?尸?纵 建立压力水头?和绝对压力两者的关系: 腭?曰 式中: 厅一气压计的压力头; 一空气阀入与基准面的距离差; 式?一?即为空气阀的边界条件方程‘,其中包括含有斑, ;,胴,爿,尸五个未 知量,由以上各式即可求得各个未知量。 将式和式代入式.可得: 五九 十酚%一半吾专一鳓 .神球 式一中,由于未知,其关系受式.的约束,可使用试算法算出。如果满足其中的任何 一个,就可以确定流进或流出空气阀的流体质量;如果任意一个和式.均不能同时满足。 那么管中就不存在空气,即: . . 胡专一蹦;宁夏大学硕士学位论文 第三章水锤防护措施 ..调压塔 一调压塔概述 调压塔是一种连接在管路上的水塔,它对于水锤的消减有很好的效果,主要在易发生水柱分 离或出现真空度较大的管道系统中应用。其工作原理是筇:当管内压力降低到调压塔的水面高度 一下时,调压塔的补水逆止阀打开,调压塔向管内补水,可适当的防止管内压力的降低。当管内 压力增大时,水流进入调压塔,塔内水位就会上升,从而起到了一定的减压作用,进而有效地保 护泵站及其管输系统,调压塔一般装设在临近水泵的管道上。调压塔有多种形式,可分为简单式 竖井式、阻抗式节流式、单向式和差动式,前两种调压塔一般用在扬程低、距离长的大中 型泵站中,这是因为这三种调压塔的高度必须高于管内的水头,这样当其用在高扬程泵站中时, 造价就会相对较高。而对于短管道而言,只要地形变化不大,当发生事故停泵水锤后,管内负压 就会较小,这时候就可以用其他相对更为简单、省钱的水锤防护措施。 单向式调压塔与前三种相比,是一种高度低,造价少,使用范围更广的水锤防护措施,它也 可以用在易发生水柱分离的任何管段上,因此我们主要对单向式调压塔进行研究。 二单向调压塔 单向调压塔义称低位调压塔,是为了防止产生主管道中负压过大【眠水柱分离和消减水 锤断流弥合引起的高压的水锤防护措施的设备。其主要的构造是: 体积不大的水箱或容器、带有 普通止回阀的向主干管道中输水的注水管以及向调压塔中充水的满水管。其工作原理是:水泵正 常工作时,止回阀处于关闭状态。如果调压塔的水箱不满时,就会通过满水管向水箱注水,使水 箱中的水位达到设计正常水位并一直保持在该水位。在水力过渡过程中,当主管道中的压力小于 调压塔内的水位时,止回阀就会打开利用势能差通过注水管向主管道中注水,起到防止主管道中 的负压过大、产生水柱分离并且控制管输系统中的水锤压力震荡的作用。当主管道中的压力逐渐 高于水箱的水位后,止回阀就会关闭。因此单向调压塔一般设置在输水干线上容易出现水柱分离 或者负压较大的地方,如主要峰点、驼峰和膝部折点等。由于它的防护更加稳妥、可靠、经济, 所以在长距离、高扬程的泵站管输系统停泵水锤防护中单向调压塔得到了更广泛的应用。 三单向调压塔的容积计算 水锤计算模拟一般出现在可行性研究阶段,因而对于有单向调压塔管输系统的停泵水锤计算 与分析中,我们可以应用传统的刚性水锤计算理论来求单向调压塔水箱的有效容积最小容积。 其最小容积可按照水箱位置进行计算确副。 若水箱设置在水泵的出口处: ? ‰.? 式中: ?吃。一水箱最小容积; 一正常