简论压力供水管路事故停泵时缓闭蝶阀关闭方式的优化措施

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 简论压力供水管路事故停泵时缓闭 蝶阀关闭方式的优化措施 摘 要为控制长距离有压输水管 路的水锤压力，运用特征线方法，结合 某实际工程，对长距离有压输水管道系 统的事故停泵过程进行了计算，得到缓 闭蝶阀不同关闭时间和关闭方式下各管 段内沿程的最大和最小水锤压力以及相 对空化体积数.计算结果表明，不同缓闭 蝶阀关闭方式下，管内展现出不同的水 锤特性，直接体现在管道的相对空化体 积及空化区域上.通过对比分析，提出相 对最优的缓闭蝶阀关闭时间和关闭方式. 中国论文网 /1/view-12796845.htm 关键词 压力供水管路 水力计算 水锤压力 缓闭蝶阀关闭时间 缓闭蝶阀 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 关闭方式 中图分类号：T02 文献标识码： A 文章编号： 1009-914X（2015）19- 0036-02 1、引言 某有压输水工程共布置并列水泵 7 台，型号为 D 型三级离心泵 D720- 62，额定转速 1480 r/min，单台泵设计 最大流量 0.236m3/s，最大扬程 198m， 电机额定功率 680KW。进入主管后， 设置旁通管，安装平板式闸阀和安全泄 压阀（安全释放压力设为 2.5MPa） 。主 管道共长 8658.312m，管线敷设地形复 杂，附属设施多，水锤防护措施多，输 水系统中可能出现的水锤压力是影响工 程长期安全运行的重要因素。对于类似 这样的长距离有压管道输水系统，准确 了解其系统的瞬态水力学特性，切实达 到指导工程设计的目的，不少学者从工 程关心的不同角度进行大量的探索，在 水锤防护措施的综合应用及优化等方面 取得大量的成果。其中缓闭碟阀关闭方 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 式的优化是水锤防护的重要措施之一， 尽管许多学者针对长距离有压输水系统 提出了缓闭碟阀二阶段直线关闭方式， 有利于降低管内断流弥合水锤产生的机 率。但由于水动力学特性对边界条件的 极其敏感性，决定不同工程的水锤特性 可能存在较大差异，因此对长距离压力 输水管网系统，尤其在事故突然停机时， 全面了解其水锤的动力学特性并优化缓 闭碟阀的关闭方式，不仅可以节约工程 投资，而且有利于确保泵站管网系统的 安全稳定运行。同时，随着电子信息技 术的快速发展，已能为缓闭碟阀关闭提 供较好的自动电控技术，然而缓闭碟阀 关闭方式优化等基础性研究却大大滞后， 诸如二次曲线、三次曲线关闭方式或其 它关闭方式下的水锤特性几乎未见文献 报道。 有鉴于此，本论文主要针对泵后 缓闭碟阀的优化开展如下的研究工作： （1）计算不同关闭时间下（关闭方式 为直线）输水系统在事故停泵过程中， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 各段管内最大正水锤和负水锤情况，以 及空化体积情况，以确定最优的关闭时 间；（2）根据（1）确定的最优关闭时 间，计算不同关闭模式下（关闭开度- 时间曲线不同）输水系统中水锤压力和 空化体积情况，据此确定相对最优的关 闭模式。 （3）计算相对最优的关闭模式 下，沿程管线水锤压力包络线以及最大 空化体积曲线。 2、计算方法 描述管道中可压缩流动的运动方 程和连续性可分别表述为： 式中， 为管道流量，H 为水头， t 代表时间，s 为沿管轴线的轴向坐标， 为重力加速度，为管道断面面积，为管 壁摩擦因子，为管道直径，为流体密度， 式中为管道中压力波的传播速度，其应 满足式，为可压缩流体的体积弹性模量， 为管道壁厚，代表管道材料的杨氏模量。 采用特征线方法，将双曲型偏微 分方程组（1）和（2） ，转化为两组常 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 微分方程进行求解，从而求得流量和水 头。 3、蝶阀关闭方式的优化分析 本文计算工况为 7 台泵运行，7 台泵突然事故停机。计算时间步长 =0.01s，计算时间 400s。瞬态计算时管 道从 0+0 桩号到 8+658.312 桩号主管道 共长 8658.312m，共分为 22 段建模，在 每段管之间都设有空气阀，共计 21 个 空气阀，各段管再按水锤波的平均速度 和等时段分为多个等长的计算单元。从 0+0 桩号到 0+885.52 桩号，0+885.52 桩 号到 1+619.52 桩号，1+619.52 桩号到 8+658.312 桩号的管壁厚度分别为 16mm， 14mm 和 12mm，管内径 0.9m，由于管壁厚度变化，各计算单元 的水锤波传播速度介于 1076m/s- 1149m/s 之间，壁面当量粗糙度设为 0.15mm。 计算过程中，基准面的高程 设为 1884.95m（水泵安装高程） ，水泵 进口处水库水位为 1887.4m（水头为 2.45m） ，管道出水口水库水位为 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 2082.45m（水头为 197.5m） 。 3.1 缓闭蝶阀关闭时间的优化 此阶段优化主要是计算不同关闭 时间下（关闭方式为一阶段直线关闭） ， 管路输水系统在事故停泵过程中，各段 管内最大正水锤和负水锤情况，以及空 化体积情况，以确定最优的关闭时间。 6 种不同关闭时间下各段管内的 最大水锤压力。 （1）各关闭时间下最大 正水锤压力沿管线的变化趋势总体上基 本一致，但局部变化存在差异，尤其在 主管进口段前三段和出口后二段上。 （2）不同管段内，取得最大水锤压力 的关闭时间不完全一致。如进口第一段 管关闭时间为 80s 取得最大水锤压力， 而在第三段管关闭时间为 90s 取得最大 水锤压力，而在第 10 到第 15 段管，关 闭时间为 50s 取得最大值。 （3）总体来 看，关闭时间为 75s 时，各段管内的最 大水锤压力维持在相对较低的水平，尤 其从第 5 段管以后更为明显，比起同段 管内最大水锤压力值降幅达到 10%左右， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 认为是相对合理的关闭时间。 6 种不同关闭时间下各段管内的 最小水锤压力。缓闭蝶阀关闭方式。 （1）各关闭时间下最小水锤压力沿管 线的变化趋势总体上基本一致。论文发 表，缓闭蝶阀关闭方式。 （2）第 4、5、7 和 8 段管，关闭时间为 50、70 和 90 s 时最小水锤压力低于其他关闭时 间，并已低于汽化压力，可能产生断流 弥合水锤。从第 17 段管到 22 段管，各 关闭时间下最小水锤压力都达到汽化压 力。 （3）总体来看，关闭时间为 75s 时， 各段管内的最小水锤压力维持在相对较 高的水平，有利于减少水体大量空化， 避免断流弥合水锤的发生。 6 种不同关闭时间下各段管内的 最大空化体积数。按照现有的管线布置， 各关闭时间下，从第 17 到 22 段管，都 存在不同程度的空化，但明显可以看出， 关闭时间为 70 s 时空化体积最大， 50s 次之，75s 时空化体积大幅降低。在第 22 段管内关闭时间 75s 时的空化体积仅 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 为 70s 时空化体积的 12%左右。 进一 步证实关闭时间 75s 是相对较优的关闭 时间。 3.2 缓闭蝶阀关闭方式的 优化 此阶段优化主要是在一阶段优化 得出的最优关闭时间的基础上，缓闭蝶 阀采用不同关闭模式下（主要采用 5 种 不同关闭模式，分别用 Mode A， Mode B， Mode C， Mode D， Mode E 标示， ） ，进一步比较管内的最大和最 小水锤压力，以及空化体积数，以确定 最优的关闭模式。分别为 5 种不同关闭 模式下各段管内的最大和最小水锤压力。 二阶段关闭模式（Mode E）正水锤压力 最大，负水锤压力最小，是相对最不利 的关闭模式。其他 4 种关闭方式下，各 管段最大正水锤压力较接近，但个别管 段的负水锤压力相差较大，如第 8 段管， 关闭模式 C 的负水锤压力接近 0，而关 闭模式 B 的负水锤压力达到-0.08MPa， 又如第 17 段管，关闭模式 C 的负水锤 压力接近-0.06MPa，而其他三种关闭模 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 式的负水锤压力达到-0.1MPa。 不同关闭模式下各段管内的最大 相对空化体积数。关闭模式 C 下管内相 对空化体积数最小，是相对较优的关闭 模式。 3.3 管网系统的测压管水头包络 线 主管内最大和最小水锤水头线。 缓闭蝶阀关闭方式，沿程最大水锤水头 391.747m，最小水锤水头 21.1959m， 沿程最大水锤压力 3.44MPa，最小水锤 压力接近-0.1MPa。管路局部升高段的 最低水头包络线低于管路中心线，如桩 号 5+600Km 到桩号 6+500Km 管内出现 真空， 当真空值超过 10m 水柱时，局 部凸起段处水体开始空化，但由于空气 阀不断打开补气，起到抑制空化的进一 步发生。缓闭蝶阀关闭方式。 3.4 管网系统的空化体积曲线 主管内空化体积曲线（空化体积 数为空化水体体积与该段管单元体积之 比，本次计算管单元长度约为 11m，计 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 算单元体积 7m3） ，管内局部段存在空 化现象，最大相对空化体积数达到 0.086%，空化管道段数总长达到约 1.0Km。由此可见，对局部凸起段，设 置空气阀虽一定程度上降低管内大面积 空化的风险，有利于防止断流弥合水锤 的发生，但由于自身容积等的限制，很 难阻止局部空化的发生。 4、结论 通过数值模拟 7 台水泵并联模式 运行下，水泵突然事故停机时，不同缓 闭碟阀关闭时间和关闭模式下某长距离 输水系统的瞬态水力学行为。主要得出 如下结论： （1）对联合采用空气阀、泄压 阀和缓闭蝶阀进行水锤防护的长距离有 压输水系统，对缓闭碟阀关闭时间和关 闭模式进行优化分析是十分必要的。 （2）通过对不同缓闭碟阀关闭 时间和关闭模式下各段管内水锤压力及 空化体积的分析，提出最优的关闭时间 为 75s 和最优的曲线关闭模式。计算成 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 果还进一步证实传统的二阶段直线关闭