（流体机械及工程专业论文）变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究.pdf

五1 删涨一 贯流式泵站是低扬程抽水一种较好的方式，南水北调工程已经有多座泵站采用 灯泡贯流泵机组，其在水力性能和工程造价方面的优越性决定了它将成为低扬程泵 站未来发展的趋势。 贯流式泵站的流道短且直，采用快速闸门断流，为防止水倒灌闭门启动，使得 扬程迅速增加，易引起电机超载而启动失败，贯流式泵站的水力过渡过程影响到工 程的运行控制和安全性，成为设计和运行单位广为关注的问题之一。 以往人们对贯流式泵站过渡过程的研究都是以同步电动机异步启动为前提。南 水北调东线工程已经有4 座贯流式泵站采用变频装置进行工况调节，水泵的过渡过 程在变频装置的控制下发生了许多新的变化，目前的研究均未涉及，对变频调速下 灯泡贯流泵过渡过程的研究成为极具实际意义的课题。 本文从电机的变频调速特性出发，结合泵站系统的水力特性建立了过渡过程的 数学模型，对南水北调东线淮阴三站变频软启动和变频软停机进行数值模拟。主要 完成了以下几方面内容： ( 1 ) 本文引用了比转速为9 4 4 和11 0 0 两种水力模型的全特性，首次将无网格拟 合方法移动最d - - 乘法应用于水泵的全特性曲线和全特性曲面的拟合中，通过与 以往多项式拟合方法的比较，表明其数值仿真精度较高。 ( 2 ) 介绍了同步电动机的基本运行原理，分析了变频装置的特点及作用，为过 渡过程计算中水泵调速特性模型提供了依据。 ( 3 ) 以带分流小拍门的快速闸门断流的灯泡贯流泵为对象结合同步电动机变频 调速特性建立了变频灯泡贯流泵过渡过程的数学模型，并给出过渡过程模拟框图。 ( 4 ) 以淮阴三站为例，用m a t l a b 7 0 编制程序，模拟了淮阴三站变频软启动和变 频软停机的过渡过程，并分别探讨了频率线性变化和非线性变化、频率线性变化的 速度、快速闸门的启门速度、快速闸门延迟开启的时刻以及不同的站上水位对机组 启动过程的影响。 ( 5 ) 根据数值模拟的结果总结出一般性的规律，为变频变速灯泡贯流式泵站的 安全可靠运行提供科学的指导依据。 扬州大学硕士学位论文 关键词：灯泡贯流泵；过渡过程；移动最d - 乘法；变频；软启动；软停机 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究 i i i - - - _ - _ - _ _ - _ _ - - i - - l _ - - _ _ - 。_ - - - _ l - - _ _ _ _ 。- - l _ _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ - _ - - _ i _ _ _ _ - _ - - l - _ 。_ _ _ _ - - l _ _ _ - _ - _ i i - - _ - _ - _ _ - _ _ - i _ _ _ - _ _ l _ _ _ - - 一 a b s t r a c t t u b u l a rp u m p i n gs t a t i o ni sab e t t e rw a yi nl o w - h e a dp u m p i n g ，t h eb u l bt u b u l a rp u m p h a v eb e e n a d o p t e db ys e v e r a lp u m p i n gs t a t i o ni ns o u t h - t o n o r t l lw a t e rd i v e r s i o np r o je c t , t h es u p e r i o r i t yi nh y d r a u l i cp e r f o r m a n c ea n dp r o j e c tc o s td e c i d e di tw i l lb e c o m et h e f u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n do fl o w - h e a dp u m p i n gs t a t i o n t h ec o n d u c to ft u b u l a rp u m p i n gs t a t i o ni ss h o r ta n ds t r a i g h t ，m o v e a b l e g a t ev a l v ew a s a d o p t e dt oc u to f ff l o w , c l o s et h eg a t et h e ns t a r t u pt op r e v e n tt h ew a t e rf l o wb a c k w a r d m a k et h el l e a di nc o n d u c ti n c r e a s e d r a p i d l y , w h i c hc a nc a u s et h em o t o ro v e r l o a da n dt h e n f a i l e di ns t a r t u p t h ec o n t r o la n ds e c u r i t yo ft u b u l a rp u m p i n gs t a t i o na r ei n f l u e n c e db y t h eh y d r a u l i ct r a n s i e n tp r o c e s s ，w h i c hb e c o m eo n eo ft h ep r o b l e m st h a td e s i g na n d o p e r a t i o nu n i tw i d e l yc o n c e r n e da b o u t i i lt h ep a s t t h es t u d yo nt h et r a n s i e n tp r o c e s so ft u b u l a rp u m p i n gs t a t i o ni sp r e m i s e w i t ht h ea s y n c h r o n o u s s t a l l u p o fs y n c h r o n o u sm o t o r t h e r eh a v eb e e n4t u b u l a r p u m p i n gs t a t i o ni n 此p r o j e c to fs o u t ht on o r t hw a t e rd i v e r s i o ne a s tr o u t ea d o p t e d v f dt oa d j u s tt h ew o r k i n gc o n d i t i o n u n d e rt h ec o n t r o lo fv f d ，t h e r ea l eal o to f c h a n g e si nt h ep u m p st r a n s i e n tp r o c e s s ，w h i c ha r en o tm e n t i o n e di na n yo fp r e s e n t r e s e a r c h ，s ot h es t u d yo nt h et r a n s i e n tp r o c e s so fb u l bt u b u l a rp u m pu n d e rf r e q u e n c y c o n t r o li sap r o j e c tt h a to fv a l u a b l es i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ep r o c e e df r o mt h ef r e q u e n c yc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fv f d ，c o m b i n e d 谢t l l t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co fp u m p i n gs t a t i o n , e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t r a n s i e n tp r o c e s s ，t h ef r e q u e n c yc o n t r o l l e ds t a r t u pa n ds h u t d o w no fh u a i y i n3p u m p i n g s t a t i o ni nt h ep r o j e c to fs o u t ht on o r t hw a t e rd i v e r s i o ne a s tr o u t ew a sn u m e r i c a l l y s i m u l a t e d i tm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t w ok i n d so fc o m p l e t ec h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i cm o d e lw h o s es p e c i f i cs p e e da r e 9 4 4a n d110 0w a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ，am e s l d e s sf i t t i n gm e t h o d - - m o v el e a s ts q u a r e m e t h o dw a sf i r s ta p p l i e dt ot h ef i t t i n go f p u m pc o m p l e t ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n ds u r f a c e ， t h r o u g hc o m p a r ew i t hp r e v i o u sp o l y n o m i a lf i t t i n gm e t h o d ，i tp r o v e st h a ti th a v eh i g h f i t t i n gp r e c i s i o n ( 2 ) t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs y n c h r o n o u sm o t o ri si n t r o d u c e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h e f u n c t i o no ft h ev f dw a sa n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e dar e a s o n a b l eb a s i sf o rp u m ps p e e d i v 扬州大学硕士学位论文 c o n t r o l l e dm o d e li nt h ec a l c u l a t i o no ft r a n s i e n tp r o c e s s ( 3 ) r e g a r d i n gt h eb u l bt u b u l a rp u m pw i t hm o v e a b l eg a t ev a l v ef i t t e dw i t hf l a p sc u t o f f a sr e s e a r c ho b j e c t , c o m b i n e dt h es p e e dc o n t r o l l e ds y n c h r o n o u sm o t o r ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fv f dc o n t r o l l e db u l bt u b u l a rp u m pw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h es i m u l a t e db l o c k d i a g r a mo ft r a n s i e n tp r o c e s sw a sg i v e n ( 4 ) t a k et h eh u a i y i n3p u m p i n gs t a t i o nf o re x a m p l e ，m a t l a b 7 0w a su s e dt op r o g r a m ， t h et r a n s i e n tp r o c e s so fv f dc o n t r o l l e ds t a r t - u pa n ds h u t d o w nw e r es i m u l a t e d , t h e e f f e c t so nt h es t a r t u pp r o c e s so ft h em o t o r p u m p s y s t e mw h i c hc a u s e db yf r e q u e n c y l i n e a rv a r i a t i o na n dn o n l i n e a rv a r i a t i o n , t h es p e e do ff r e q u e n c yl i n e a rv a r i a t i o n ，t h es p e e d o fm o v e a b l eg a t ev a l v e ，t h eo p e n i n gd e l a yt i m e o fm o v e a b l eg a t ev a l v ea n dd i f f e r e n t w a t e rl e v e lo ft h es t a t i o nw e r ei n d i v i d u a l l yd i s c u s s e d ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , g e n e r a lr u l e sw e r es u m m a r i z e d ， s c i e n t i f i cg u i d i n gb a s i sf o rt h es a f e t ya n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ef r e q u e n c ya n ds p e e d c o n t r o l l e db u l bt u b u l a rp u m p i n gs t a t i o nw a sp r o v i d e d k e yw o r d s ：b u l bt u b u l a rp u m p ；t r a n s i e n tp r o c e s s ；m o v el e a s ts q u a r em e t h o d ；f r e q u e n c y c o n t r o l ；c o n t r o l l e ds t a r t - u p ；c o n t r o l l e ds h u t - d o w n 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究 主要符号说明 符号物理意义单位符号物理意义单位 面积 宽度 直径 电动势 重力 扬程 电流 转动惯量 阻力系数 长度 扭矩 功率 流量 摩阻系数 时间 电压 毒打离 遮度 浮力 高度问7 曼 开度 频率 重力加速度 电流 转速 时间 比转速 效率 角速度 高程 电磁转矩 滑差 水头损失 流道直径 水密度 钢密度 m m k g m 。3 k g m 3 三 娩 a 加 s 一 a 羹 s r 拈 m 岫 小 m 厂 g ； 以 f 埘 刁 缈 z 乙 5 取 风 口 m f 巧 a o， r o m m v n m a 删 m w s v | 耋 n m m m v n m a 吼 阳 m w 以 细 s v n m 么 b d e g 日 ， ， k 三 m p q s 丁 u y 形 z p 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究l 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国调水工程发展概况 我国江河湖泊众多，水能资源丰富，淡水资源总量为2 8 万亿立方米，居世界 第6 位。但人均水资源稀少仅为世界平均水平的1 4 ，且我国水资源在空间和时间 上分步极不均匀。首先，从全国范围看，长江、珠江、松花江三江的年均径流总 量为1 3 8 8 万亿立方米；辽河、海河、黄河、淮河四河的年均径流总量为o 1 7 2 万 亿立方米，仅为三江的l 8 ，形成了“三江水富，四河紧缺”的局面。全国约3 5 的耕地集中在辽河、海河、黄河和淮河流域，而水资源仅为全国的1 7 ，据统计， 全国6 0 0 多座大中型城市中，约有3 0 0 座城市面临水资源短缺 1 】，每年约有2 0 0 个城市不同程度地存在供水不足，其中有4 0 个城市缺水严重( 2 】，年缺水总量约3 0 0 亿立方米到4 0 0 亿立方米【3 】，由此可见区域性水资源短缺严重的阻碍了我国工农业 的健康快速发展；其次，每年降雨量的6 0 , - - 7 0 集中在乱8 月，如1 9 9 8 年和2 0 1 0 年形成的长江特大洪水，汛期每遇暴雨，沿江滨湖平原地区降水若不能及时的排 出，将形成内涝，严重威胁着人民的生命财产安全，制约着社会经济快速发展， 影响了社会稳定，打破了人民生活的和谐。另一方面，随着工业的大力发展和城 市人口的不断扩涨，水体遭受污染严重、水质恶化，形成了污染性缺水，如近年 发生的太湖水质污染现象。因此，兴建以大型泵站为主体的机电排灌工程实施区 域性和时域性灌溉排水、跨流域调水是解决水资源在时间和空间上分布不均匀， 科学合理配置水资源的有效途径。 我国提水机具的发展【4 】可以追溯到5 0 0 0 - - 6 0 0 0 年以前的仰韶文化时代，在现在 的陕西省西安市近郊半坡村遗址出土的尖底带耳陶罐，据考证就是当时人们用以 系绳从井中、河中提水的器具。大约到了我国的隋唐时代，黄河上游就出现了以 水为动力的提水机械一筒车，灌溉岸边高地小块农田，至今在这些地区依然可以 看到这一古老的提水机械。我国利用水力机械进行提水大约始于2 0 世纪初，江苏、 天津等地陆续兴建了小型泵站，利用煤油机带动龙骨水车和小型水泵抽水灌溉和 扬州大学硕士学位论文 排涝。1 9 2 4 年江苏常州地区安装了一台口径为1 2 0 m m 的离心泵，由2 0 k w 的电动 机拖动提水，是我国电力排灌的先例。直至1 9 4 9 年，现代机械排灌面积只有3 7 8 万亩，占当时总灌溉面积的1 6 。 新中国成立以来，水利事业发展迅速，其中对跨流域调水和大范围排洪除涝 起决定作用的大型泵站的发展更是突飞猛进。从上世纪五十年代中期开始，最早 建成较大规模的工程有：江苏省丹阳珥渎河上电力提水灌区( 8 座泵站，总排水流 量1 5 m 3 s ，装机容量1 5 0 0 k w ) ；河北省静海团泊洼排水泵站( 口径1 2 0 0 m m 立式 轴流泵6 台套，总排水流量2 0 m 3 s ，装机1 2 0 0 k w ) ；山西省夹马1 2 泵站( 口径 6 0 0 m m 离心泵站1 0 台套，扬程7 1 m ，三级提水，总扬程1 l o m ，总流量9 5 m 3 s ， 总装机7 8 0 0 k w ，灌溉面积4 0 万亩) ：陕西省渭水高原提水灌区( 1 7 座泵站，泵 机组5 1 台套，总装机1 2 6 0 0 k w ，灌溉面积7 7 万亩) 。同时期，江苏、浙江、福 建等省还建有不少水轮泵站和水锤泵站。六十年代初，以江苏省江都排灌站的兴 建为标志，我国开始运用大型泵机组于机电排灌工程，之后在7 0 8 0 年代，我国 在山东、江苏、安徽、湖北、湖南、广东等地区相继建成了三百余座大型泵站， 形成了以大型泵站为骨干的抗洪除涝以及跨流域调水体系，其中为从根本上解决 我国北方广大地区的水资源短缺问题，跨流域的南水北调工程已经在规划和实施 之中。南水北调工程分东线、中线、西线三条线路将长江、黄河、淮河、海河相 连形成“四横三纵的局面。其中东线调水工程从已建成的江苏江都枢纽泵站首 期抽取长江水以5 0 0 m 3 s 北上，输水线路长6 4 6 k m ，沿线兴建2 0 余座大型泵站共 1 3 梯级，提升4 0 余米，将水输送到黄河以南广大地区。二期工程将抽水流量加大 至7 0 0 m 3 s ，穿越黄河，将水引入冀鲁和天津等省市，输水线路总长达11 5 0 k m ， 三期流量将达到1 0 0 0 m v s ，共计划兴建和扩建泵站6 0 座左右，共需叶轮直径。3 米 左右的大型泵2 6 0 台【5 】，装机总容量为7 4 万k w 。除了南水北调工程外，国内的 大型调水工程【6 】还有引滦入津调水工程，引滦河水为天津、唐山供水；东深供水工 程从珠江支流东江引水经9 座提水泵站送至深圳水库，然后通过管道送至香港； 引黄济青调水工程引黄河水向青岛市供水，共建大型泵站5 座，总净扬程为5 4 m ， 还有万家寨引黄工程等。在调水工程中，泵站发挥着极其重要的作用，到目前为 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究 3 止全国已建各类固定泵站5 0 余万座阴，包括机电井总排灌动力7 5 0 0 万k w ，数量 遥居世界各国首位有力地提高了我国抗御自然灾害的能力，保证工农业用水和城 市供水，实现农业机械化、电气化，对促进国民经济持续快速发展及改善生态环 境等发挥了巨大的作用。 1 1 2 贯流式泵站的特点及其应用 泵站的核心部分是水泵机组。水泵的种类很多，按照工作原理分【8 】，主要有叶 片泵、容积泵、和其他类型泵，在调水工程中所使用的泵多为叶片泵，叶片泵按 照其叶轮的形式也分为离心泵、混流泵、轴流泵。 离心泵是靠叶轮旋转形成惯性离心力而工作的水泵，扬程高，流量范围广， 在实际中获得较为广泛的应用；轴流泵是靠叶轮旋转所产生的轴向推力而扬水的 的泵，其提水高度低( 一般在l o m 以下) ，流量大，多用于低提程大流量的泵站 中；混流泵是既产生惯性离心力也产生轴向水推力的泵，其适用范围介于离心泵 和轴流泵之间。 贯流泵的进出水流道在同一条直线上，水流直进直出，近似直圆筒形。按照 所采用的贯流式机组型式，贯流式泵站又可分为灯泡贯流式泵站、轴伸贯流式泵 站、竖井贯流式泵站和潜水贯流式泵站等四种，其中以灯泡式贯流泵站水力性能 最好。 贯流式泵站具有以下特点： ( 1 ) 在泵的性能对比方面，装置效率高【9 1 。根据水电科学研究院水力机电研究 所试验资料介绍：灯泡贯流泵和立式轴流泵采用相同转轮和导叶，工程布置形式 常规，在低扬程、大流量泵站的模型试验中对比，两者的最优点装置效率相差5 ， 对应的最优点流量相差可达2 0 左右；相同流量时效率相差7 - - - 1 3 5 ，流量愈大， 效率相差愈大。 ( 2 ) 进出水流道顺直，轴向尺寸短，灯泡式贯流式泵站的进水流道和出水流道 都不拐弯，水流进出流态好，流道水力损失d , , o o l 。 ( 3 ) 载荷分散，单位面积地基上的荷重小，适用于地基不良的情况。 ( 4 ) 贯流式泵站基础简单，建设周期短，水工建筑物简单，土建工程量小，施 4 扬州大学硕士学位论文 工方便，利于节省土建工程的费用，和卧式轴流泵相比【1 0 】，贯流泵包括进出水流 道在内的轴向长度约为卧式轴流泵轴向长度的6 0 - q 0 ，贯流式泵站造价比立式 轴流泵可减少3 0 ，比卧式轴流泵可减少1 5 。贯流式泵站还可以采用无厂房露 天式结构。 贯流式泵站在我国起步晚，尤其是装置性能方面的研究相对较少，且发展缓 慢，经过多年努力，在低扬程泵装置方面的研究取得了一定的进步，贯流式泵站 在我国的应用已逐步广泛。在南水北调中大量采用贯流式泵站。据统计【9 】，东线第 一期规划新建的2 l 座泵站，贯流泵2 0 台；东线第二期规划新建的1 3 座泵站，贯 流泵1 4 台；东线第三期规划新建1 7 座泵站，贯流泵1 4 台。 表1 - 1 新建贯流泵站装机情况 设计规模 设计扬程单机流量配套功率 序号梯级泵站名称装机台数 ( m 3 s ) ( m ) ( i 12金湖站 1 5 02 3 53 7 52 2 0 05 2 3 淮阴三站 1 0 04 2 83 42 2 0 04 34 泗洪站 1 2 03 7 3 03 0 0 05 4 6邳州站1 0 03 23 42 5 0 04 5 蔺家坝站 7 52 42 5 1 2 5 0 4 9 6 韩庄站 1 2 54 1 53 1 52 0 0 05 71 0 二级坝站 1 2 5 3 2 l3 1 51 6 5 05 表1 1 给出了南水北调东线一期工程新建的2 1 座泵站中有7 座泵站采用贯流 式泵站，且均为灯泡贯流泵机组，灯泡贯流泵的电动机布置在与水密封的灯泡形 金属壳体内，灯泡体的位置如果布置在叶轮的上游为前置灯泡贯流泵，灯泡体的 位置如果布置在叶轮的下游为后置灯泡贯流泵，其全部重量支撑在混凝土基础上， 如图1 1 所示为南水北调东线淮阴三站站身剖面图。 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究 图l l 淮i 羽三站站身剖面图 贯流式泵站凭借其在低扬程泵站中的巨大优势其必将在低扬程抽水站中变 得更加重要和具有竞争力，是低扬程泵站未来发展的趋势。 1 1 3 变频调速技术在泵站中的应用 近二十年来，交流变频调速技术得到了广泛的应用，特别是在大容量，复杂 环境中，正在逐步替代直流调速系统。目前，南水北调东线工程的大型低扬程泵 站中已经有4 座贯流式泵站采用变频装置进行工况调节【1 1 】，功率在1 6 5 0 - - 2 2 0 0 k w 之间。 水泵机组是电机和水泵联接而成的一个系统，由电动机拖动水泵旋转进而实 现电能和水能的转换，大型调水泵站，外部环境变化复杂，常常是多用途、多目 标，这就要求水泵机组要能够适应各种环境，进行适当的调节，以免能源的浪费。 对于轴流式机组，要改变其运行工况通常采用两种方法：一是变角调节，通过改 扬州大学硕士学位论文 变水泵叶片的角度进行调节，分为半调节和全调节，半调节为有级调节，需要在 停机状态下拆除外壳改变角度，操作时极为不便，因而较少使用；全调节为无级 调节，但是必须增加全调节机构才能得以实施，导致水泵结构复杂化；二是变速 调节，通过改变水泵的转速实现的一种调节方式，大型泵站电机采用同步电动机， 通过改变电机定子绕组供电频率进而改变转速，是一种无级调节，当水泵转速变 化时，其流量、扬程、轴功率等也相应变化，而转速在一定范围内变化时水泵的 效率变化不大 1 2 1 。 大型泵站中采用变频调速具有效率高，调速范围宽，能四象限可逆运行，且 优化的节能控制软件可以最大限度的使水泵机组节能运行【1 3 】，同时变频装置具有 占地面积小，安装灵活等特点，因而已成为水泵调节的重要发展方向。变频调速 技术将会在大型泵站中得到越来越多的应用。 1 1 4 问题的提出 泵站在调水工程中的作用如此巨大，因而泵站安全可靠运行已经成为工程界 非常关注的问题。 大型泵站稳态特性已经有较充分的研究，随着科学技术水平的提高和先进测 试设备的应用，近2 0 年来，国内外学者除了进一步研究大型泵站稳态特性外，对 于其动态特性研究也给予了充分的重视。大型泵站机组的动态特性也即泵站的过 渡过程主要包括：水泵机组的启动过渡过程；水泵机组运行中工况的调节；水泵 机组动力切断，调节元件受控关闭或失控的过渡过程；以上这些过程都可能影响 水泵机组的安全可靠运行，严重时甚至损坏电机和水泵。 离心泵的功率随流量的增加而增加，通常将出水阀门保持在关闭的状态，启 动水泵，逐渐打开水阀；正常停机时，先慢慢关闭水阀，而后再关闭电源，这种 正常开停机情况下的过渡过程，参数变化相对较平稳。而当电源突然失去，由于 离心泵扬程高，管路长，泵出口止回阀快速关闭，会引起管道内水压上升与下降 的交替变化现象，即产生水锤，严重时将导致管道破裂，损坏水泵机组。对于管 路较长的离心泵管路产生的水锤，属于弹性水锤，主要采用特征线法，将管道系 统非恒定流的水锤偏微分方程沿特征线，变换为常微分方程，在近似变为差分方 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究 7 程，进行数值求解。 我国在南水北调东线工程及沿江滨湖地区多为低扬程泵站，低扬程轴流泵站 具有流量大、扬程低，设计工况效率较高等特点，在小流量时有不稳定的马鞍形 运行区域，且小流量时功率比较大容易引起电机过载问题，导致启动过程比较复 杂：停泵动态特性是大型低扬程轴流泵站的重要运行特性之一，是校核水泵运行 安全性的重要内容，因而大型低扬程轴流泵站的可靠启动和安全停泵问题，一直 备受工程技术界的关注，己在理论模型构建、装置型式设计及数值计算等方面取 得了不少的研究成果。 灯泡贯流泵虽作为大型低扬程轴流泵的一种，但其有许多自身的特点，加之 变频调速技术在大型贯流式泵站中的应用推广，其过渡过程也具有许多新的特点， 有必要对其进行研究。 1 2 研究的目的与意义 泵站机组的过渡过程关系到泵站建成后可否安全可靠的发挥效益。 一般大型立式轴流泵扬程相对贯流泵较高，流道长，泵机组启动时，水泵的 流量、扬程等变化较平缓，水泵总阻力矩相应地也变化平缓，当电动机启动转矩 达到临界转矩时，水泵总阻力矩还较小，加速力矩大，这样能够保证泵机组正常 启动。大型贯流泵站，流道相对较短，泵机组启动时，水泵流量、扬程等瞬态量， 特别是扬程变化较大，因而水泵水力转矩在启动后较短时间内就出现较大值，很 可能使水泵总阻力矩在电动机启动加速至某种转速时达到或大于电动机瞬时启动 转矩，致使电动机超载，泵机组不能正常启动。如我国已建大型贯流泵泵站淮安 三站常出现启动时主电机超载、机组端部铜连接片脱焊等问题 1 4 】。停泵过渡过程 中，若水泵机组因突然断电或误操作等原因造成事故停机，且截流闭锁装置( 拍门、 快速闸门等) 拒动作，则将形成泵装置系统水力“短路”，极易损坏泵机组部件。即 使正常停机时，快速闸门断流泵装黄的闸门一般为卷扬机式或者液压式，其闭门 速度一般较慢，如果闭门的速度过慢可能会造成泵机组长时间飞逸倒转，影响泵 机组安全。 大型贯流式泵站作为新型泵站型式，其动态过渡过程的理论和试验研究还不 8 扬州大学硕士学位论文 多，国内外相关文献和试验资料较少。加上近年来，变频技术的快速发展，尤其 是高压，大功率变频装置的日臻成熟，在大型调水泵站中得到广泛应用，机组的 启动和停机过渡过程发生了根本性的变化，在变频器的控制下，机组的转速可以 人为地控制，具有较大灵活性，可以实现泵机组的软启动和软停机，通过对电源 频率的控制进而实现对转速的控制，以配合快速闸门的启门和关门的规律，很好 的保护了水泵机组，改善贯流式泵站水泵机组的启动和停机过渡过程，对贯流式 泵站的设计规划、运行管理均具有极其重要的指导意义，克服贯流式泵站因自身 特点而存在的启动困难等缺陷，大大的促进了贯流式泵站的发展。 1 3 国内外研究现状 泵站的过渡过程包括启动过程和停机过程，都是暂态过程属于水力过渡过程， 而水力过渡过程的研究已经有很长的历史，最早可以可追溯到1 9 世纪关于水击波 传播理论的研究，1 8 5 8 年曼拉华( m e n a b r e a ) 最早提出了弹性水击理论【1 5 】，并奠定 了水击理论的基础；1 8 9 7 年俄国儒柯夫斯基( j o u k o w s k i ) 发表了关于水击理论的经 典报告【1 6 ，第一个较完整地建立了水锤基本方程，此后意大利工程师阿列维 ( l a u i e v i ) 、法国学者贝格龙( l b e g r o n ) 等人作了进一步发展，创新提出阿列维连锁 方程即共轭方程【1 7 】等；施奈德( s c h n y d e r ) 、帕马金( p a r m a k i a n ) 等人成功地将水力过 渡过程理论及图解法应用于泵站停泵水击计算，也就是停泵动态特性计算。帕马 金并提出了简易水锤计算方法 1 8 1 。随着电子计算机技术的发展和广泛应用，为水 力过渡过程数值计算开辟了途径，斯瑞特( s t r e e t e r ) 和怀特( w y l i e ) 提出了特征线法， 将考虑管路摩阻的水锤偏微分方程，沿其特征线变成常微分方程【1 9 1 ，然后再近似 地变成差分方程，进行数值计算，该方法求解精度高、稳定且易于编制电算程序， 至今依然用于水锤过渡过程的分析【2 0 1 。 随着( ( f l u i dt r a n s i e n t ) ) 、a p p l i e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) ) ，这两本书【1 9 】【2 i 】 的出版，我国学者从上个世纪5 0 年代初期就开始了水泵系统水力过渡过程研究， 6 0 年代，些学者提出用爆破膜防止水锤现象的方法 2 2 】，之后河海大学、中国建 科院、陕西机械学院等单位相继进行了理论和试验研究，取得了一系列成果。武 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究 汉水电学院刘竹溪简化了帕马金计算曲线【1 8 】，提出了新的停泵水锤计算曲线等。 纵观这些关于停泵过渡过程理论与成果，不难看出它们都是建立在有压管道非恒 定流连续性方程、运动方程及波传播理论基础上，均假设管道有弹性、水体可压 缩，研究虽然结合水泵全特性、机组动力学特性，其核心仍是弹性水击理论，它 适用于高扬程离心泵站停泵水击计算分析研究。但大型低扬程泵站，扬程较低， 流道短，且多为钢筋混凝土结构，因而忽略水体压缩性和流道的弹性，将其看成 刚性水锤。大型轴流泵站动态过程的核心内容是泵机组动力学特性、装置水力特 性及水力机械特性等。 目前，水泵系统停泵动态特性研究方面高扬程离心泵站和混流可逆式机组停 泵过渡过程研究相对较多，大型低扬程立式轴流泵过渡过程试验研究相对较少。 我国学者曾结合拍门，快速闸门等截流闭锁装置研究对其做了一般性的阐述，提 出了从泵系统能量平衡观点出发计算停泵各工况历时近似计算方法，计算中，流 量和转速均假设为线性变化【2 3 ，陆伟冈u 2 4 】结合液压快速闸门的研究，提出了停泵 过渡过程近似计算方法；陈松山从理论上建立了轴流泵站停泵正转正流、正转逆 流和逆转逆流的数学模型并提出了停泵流量回零历时的近似计算方法【2 5 1 ：李彦军、 黄良勇、宋静运用刚性水锤理论和s u t e r 曲线，提出适用于低扬程大型泵站停泵过 渡过程的简易计算方法【2 6 2 8 】；周大庆研究了不同闸门运行方式及不同叶片安放角 对轴流泵站停泵过程的影响，得到了不同工况条件下的水力参数和机组转速随时 间的变化规律【2 9 1 。陈松山运用最小二乘法仿真了水泵的全特性并建立了贯流泵液 压快速闸门断流的停泵过渡过程的有限差分方程组，运用牛顿莱福生法迭代求解， 模拟了淮安三站贯流式机组的停泵过渡过程【3 0 】。此外，江苏机电排灌工程研究所 曾先后实测了淮阴泵站、湖北樊口泵站带虹吸真空破坏阀、拍门等特定断流装置 下的启动、停泵过渡过程，积累了大量宝贵资料【3 1 3 2 】；湖北省水利水电勘测设计 院也曾对樊口泵站停泵反转过渡过程进行现场实测；湖南省水利水电勘测设计院 对花兰窖等几座大型轴流泵站带特定断流装置的停泵过渡过程进行了实测 3 3 1 。事 故停泵水力过渡过程实质是由稳态到动态，再由动态到稳态的过程。它涉及到泵 扬州大学硕士学位论文 机组机械动力学特性、泵装置水力特性和水力机械全特性等，因素多且有理论难 度。以往泵站工程设计或断流装置研究，常避开此难题，对过渡过程中许多重要 参数均作线性化处理，理论上存在一定的局限性。 泵站启动动态特性研究方面，陈新方探讨了大型轴流泵站特性计算【3 4 】；王煦 时提出了用静态特性进行性能的近似计算方法【3 5 】；严登丰从理论上推导适用于虹 吸、直管出水流道的泵系统启动瞬态数学模型，现场测试了虹吸流道泵系统启动 过渡过程中电机定子端电压、泵机组转速、虹吸流道内水位、气压等瞬态值，分 析得出了计算泵系统动态参数数学模型【3 6 3 8 】；李江云建立了泵站超驼峰水位启动 过渡过程数学模型和计算方法【3 9 】；刘梅清应用空气动力学原理，建立了泵站最大 启动扬程计算数学模型，计算了带虹吸式出水流道泵站启动水力过渡过程【4 0 】；汪 桂钦、葛强模拟了灯泡贯流泵站机组启动过渡过程，提出了大型贯流泵站启动过 渡过程各重要参数随时间变化关系【4 1 4 2 1 ；于永海现场测试了肘形进水虹吸式出水 混流泵机组启动、停泵瞬变过程，评价了虹吸管的工作性能 4 3 1 ；周大庆研究了不 同闸门运行方式及不同叶片安放角对轴流泵站停泵过程的影响 4 4 1 ；陈松山从理论 上探讨了轴流泵站启动过渡过程并分析了拍门后通气孔大小对瞬态参数影响【4 5 】。 于永海建立了带有胸墙溢流的贯流泵机组过渡过程的数学模型，并给出了大型立 式轴流泵站快速闸门上分流拍门面积的确定方法 4 6 】。陈松山将水泵的瞬态扬程分 解为稳态扬程和惯性水头扬程，模拟仿真了贯流式泵站平水闸门全开的启动过渡 过程【4 7 】；王林锁、杨晓春分析了胸墙溢流贯流式泵站启动过渡过程的水力特性， 将贯流泵机组的启动过程分为了若干种情况进行模拟，讨论了快速闸门延时开启 时间、叶轮安放角、胸腔高程等因素对启动过程的影响【4 8 】。 由以上各文献可以看出，水泵的过渡过程分析都是将泵系统作为一个整体， 运用刚体动力学，流体动力学，水泵全特性理论建立水泵启动和停机过渡过程的 数学模型，结合一定的初始条件和边界条件，利用数值计算的方法求解数学模型， 对过渡过程进行仿真。然而，目前的研究均未涉及到变频技术运用于大型泵站后， 给水泵机组过渡过程带来的新变化，变频调速下的水泵过渡过程研究国内还是一 李慈祥：变频变速灯泡贯流泵过渡过程研究 片空白，因而有必要对其进行探讨。 1 4 研究的内容和方法 本文研究源于“十一五 国家科技支撑计划重大项目“大型贯流泵关键技术 与泵站联合调度优化( 2 0 0 6 b a b 0 4 a 0 3 ) ，结合南水北调东线工程中的典型灯泡贯 流泵站开展研究，主要内容包括： ( 1 ) 灯泡贯流泵全特性试验数据处理与表达方法的研究。 ( 2 ) 快速闸门带分流小拍门断流，变频调速灯泡贯流泵机组启动及正常停机过 渡过程的数学模型的建立及求解。 ( 3 ) 设计扬程下，同一闸门启闭规律，不同的变频速度给机组的启动过程带来 的影响。 ( 4 ) 设计扬程下，同一变频速度，不同的闸门启闭规律给机组启动过程带来的 影响。 ( 5 ) 同一变频速度，同一闸门启闭规律，同一变频方式，不同的站上水位给机 组启动过程带来的影响。 ( 6 ) 设计扬程下，同一变频速度，同一闸门启闭规律，不同的变频方式给机组 启动过程带来的影响。 ( 7 ) 不同的频率变化速度与闸门启闭规律，对机组正常停机带来的影响。 本文研究的主要方法：以给定的变频规律出发，利用灯泡贯流泵机组的水头 平衡方程，结合水体的连续性，建立变频调速下，启动过程和正常停机过程不同 阶段各物理量随时间变化的数学模型，以某一贯流式泵站为例，用m a t l a b 7 0 语言 编制程序进行仿真计算，寻求出变频规律和闸门关闭及开启规律相互之间较为合 理的配合方式，从而提高泵站运行的可靠性，为大型贯流泵机组的设计和运行提 供参考依据。 扬州大学硕士学位论文 2 水泵全特性表达方法研究 水泵属于可逆式机械，因此泵叶轮既可以正转也可以反转：水流既可以从进 口流向出口也可以从出1 2 1 流向进口；扬程可以为正值也可以为负值；可以从电网 吸收功率也可以向电网输送功率，而通常所说的水泵性能是指水泵的扬程、流量、 转速和功率均为正值，性能曲线在坐标的第一象限内的情况，当水泵的工作参数 出现负值时，也即水泵处于反常运转时，水泵的性能曲线可能出现在四个不同的 象限内。因此要研究水泵的过渡过程，水泵的全特性必不可少。 2 1 水泵全工况性能 为了便于分析水泵的全工况，将水泵工作参数的符号作如下规定 4 8 1 ： ( 1 ) 扬程：水体由叶轮进口流向出口能量增加，则扬程为正( 扮o ) ，反之为负 k o ) ； ( 2 ) 流量：水体由叶轮进口流向出1 ：3 ，则流量为正( 少o ) ，反之为负( q 0 ) 。如果力矩的方向与转速的方向相反，即力 矩与转速的乘积为负值时( ”甩 0 性能曲线图2 - 2n = 0 性能曲线 图2 3n ，r f 擘二川i 荔 彭 彰 e t 址 杉 蕺荔 口f _ _ 么汐 彳 礞 4