（水利水电工程专业论文）高扬程泵站压力管路安全防护的计算机数值模拟.pdf

太原理j ：人学硕+ 研究生学位论文 高扬程泵站压力管路安全防护的计算机数值模拟 摘要 在供水工程中，由于压力管路中流速的突然变化，引起管 路中水流压力急剧上升或降低的现象，称为水锤或水力过渡过 程。泵站水锤对供水工程的正常运行影响很大，一般事故停泵 所产生的水锤压力比正常压力高出1 5 4 倍，当发生断流弥 合水锤时产生的水锤压力更大，不少供水工程因事故水锤而遭 受严重破坏，给人民的正常生产和生活带来了很大损失。因此 艮距离、高扬程供水工程水力过渡过程的计算，已经成为供水 工程安全运行的重要课题之一，只有对供水工程水力过渡过程 进行精确、合理的数值模拟，同时采取必要、可靠的水锤防护 措施，才能确保供水工程的安全运行。 本文首先系统介绍了供水工程水力过渡过程计算的特征线 法，然后对供水工程的稳态运行工况进行了研究，在此基础上 对泵系统的过渡过程特性进行了研究，通过模拟水泵故障的边 界条件，基于特征线法建立了不同水锤防护措施下水锤计算的 数学模型，同时应用合理的数值计算方法，编写了计算机模拟 程序，并结合实际具体工程进行研究。主要内容如下： 1 在总结前人研究成果的基础上，系统的阐述了水锤的 基本理论及其特征线法，分析各种水锤防护措施( 蝶阀、下开 式水锤消除器、进排气阀等) 的工作机理，建立其边界条件和 求解的数学、水力学模型。 2 结合不同型号水泵并联运行和两阶段关闭的液控蝶阀 太原理工火学硕士研究生学位论文 防护的边界条件方程，建立了对应的水力计算模型，并通过宁 夏固海扩灌灌区九泵站工程的应用和计算，对大泵配小泵的方 案和优化两阶段液控蝶阀关闭程序的防护效果进行了模拟计 算，该成果对于系统的第一次充水运行提供了技术保障，为该 工程今后的安全运行提供技术支持。 3 山西省禹门口黄河工业供水工程属于长距离供水工 程，基于管路压力的分布和管路局部凸点处布置安装迸排气阀 的特点，结合当量管道法和调整波速法，建立了进排气阀的数 学模型，得出进排气阀在供水工程安全防护中有着重要意义的 结论。 4 l i l 西省娘子关提水工程二级泵站水力过渡过程的分析 计算，结合水锤消除器本身特性。建立了水锤消除器的水力计 算模型和合理的求解方法，通过计算分析，验证了下开式水锤 消除器对于该系统压力管路安全防护的合理性。 5 以上三个工程项目水力过渡过程的计算机模拟全部是 在供水工程稳态运行研究的基础上进行的，其模拟运算的结果 对供水工程的水锤防护而言更接近实际，这一点具有创新性。 6 采用v i s u a lb a s i c 语言，开发界面友善、交互性强、性 能可靠、操作简便的供水工程水力过渡过程的计算机数值模拟 系统。 论文最后对于上述研究的成果进行了分析，探讨了模拟计 算误差的原因，提出了供水工程水力过渡过程计算中有待进一 步研究的问题。 关键词：水力过渡过程，特征线法，压力管路，安全防护，数 值模拟 2 太原理_ 大学硕士研究生学位论文 t h ec o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f p r e s s u r ep i p e l i n e ，ss a f e t yp r o t e c t i o n i nh l g h l i f tp u m p l n gs t a t i o n a b s t r a c t i nw a t e rs u p p l ys y s t e mw o r k s ，f l o wr a t es u d d e n l yc h a n g i n gi n p r e s s u r ep i p i n gt h a tc r e a t ep r e s s u r eo fs t r e a mc u r r e n ts t e e pr i s eo r s u d d e nd r o p ，w h i c hi sa l s oc a l l e dw a t e rh a m m e ro rh y d r a u l i c t r a n s i e n t w a t e rh a m m e rs h a l la f f e c tl a r g e l yt h en o r m a lo p e r a t i o no f p u m p i n gs t a t i o n ，w a t e rh a m m e rp r e s s u r eo fg e n e r a lc u t - o f fw a t e r h a m m e ri sh i g h e r1 5t o4t i m e st h a nn o r m a lp r e s s u r e ，a n dt h e h a m m e ro f w a t e rc o l u m ns e p a r a t i o nc a nc r e a t eg r e a t e rw a t e r h a m m e rp r e s s u r e m a n yp u m p i n gs t a t i o nh a db e e nd e s t r o y e db a d l y b yw a t e rh a m m e ra n dt h i sc a u s eg r e a tl o s st ot h en o r m a lp r o d u c t i o n a n dl i f ef o rp e o p l e t h e r e f o r e ，h y d r a u l i ct r a n s i e n tc a l c u l a t i o no f l o n gd i s t a n c ea n dh i g hl i f tp u m p o fw a t e rs u p p l yw o r k sh a sb e c o m e o n eo f i m p o r t a n tp r o j e c t o n l y w h e nh y d r a u l i ct r a n s i e n to f p u m p i n g s t a t i o ni s p r e c e d ep r e c i s i o n & r a t i o n a l n u m e r i c a l c a l c u l a t i o n ，a tt h es a m et i m ea d o p tr e q u i r e m e n ts a f e t ym e a s u r eo f w a t e rh a r m n e r , w h i c he n s u r es a f eo p e r a t i o no fp u m p i n gs t a t i o n t h i sa r t i c l es y s t e m a t i ci n t r o d u c e sm e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c c u r v e so fh y d r a u l i ct r a n s i e n to fp u m p i n gs t a t i o nf i r s t l ya n dt h e n 3 太原理工大学硕士研究生学侥论文 r e s e a r c h e ss t a b l eo p e r a t i o no fp u m p i n gs t a t i o n ，o nt h eb a s eo fi t ， s t u d y i n g t r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i co f p u m ps y s t e m t h r o u g h s i m u l a t i n g t e r m i n a lc o n d i t i o no fw a t e rp u m pa c c i d e n t ，a n d e s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fw a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o nt h a t i su n d e rd i f f e r e n tp r o t e c t i v em e a s u r e so fw a t e rh a m m e r , w h i c h b a s e do nt h em e t h o do fc h a r a c t e r i s t i cc u r v e s a tt h es a m et i m e ， a p p l y i n g t h e p r o p e r n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n m e t h o d ，c o m p i l i n g c o m p u t e rs i m u l a t i o np r o g r a m ，a n dc a r r y i n gt h r o u g hs t u d y i n g c o m b i n ew i t ht h ep r a c t i c e e m b o d yp r o j e c t t h ek e yr e s e a r c h c o n t e n t sa sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do ng e n e r a l i z i n gp r e d e c e s s o rr e s e a r c ha c h i e v e m e n t ， s y s t e m i cf o r m u l a t i o nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fw a t e rh a m m e ra n d m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c c u r v e s ，a n a l y z i n go p e r a t i n gp r i n c i p l eo f d i f f e r e n tw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nm e a s u r e ( s u c h a sb u t t e r f l y v a l v e 、w a t e r h a m m e ra r r e s t e rw i t ht h el o w e ro p e n t y p e 、a i ri n l e ta n d v e n tv a l v e ，e t c ) ，e s t a b l i s h i n gt h eb o u n d a r yc o n d i t i o na n ds o l v i n g m a t h e m a t i c a l h y d r a u l i cm o d e l 2 c o m b i n eb o u n d a r yc o n d i t i o ne q u a t i o no fd i f f e r e n tm o d e l w a t e rp u m pp a r a l l e l o p e r a t i n ga n dt w o s t a g ec l o s e d o w np i l o t b u t t e r f l yv a l v e ，w h i c he s t a b l i s hs u i t a b l e h y d r a u l i cm o d e lf o r c a l c u l a t i o n t h r o u g h n o 9 p u m p i n g s t a t i o n s a p p l i c a t i o na n d c a l c u l a t i o na tg u h a ie x p a n s i o ni r r i g a t e da r e ai nn i n g x i ap r o v i n c e ， a n a l o g yc a l c u l a t i o no ns c h e m eo fb i gp u m pm a t c h i n gs m a l lp u m p 4 太原理工查堂堡主塑至尘堂垡鲨壅 一一 一一一 a n do d t i m i z a t i o np r o t e c t i o nr e s u l t o ft w o s t a g ec l o s e d o 由np i l o t b u t t e r f l vv a l y e ，sc l o s ep r o c e d u r e ，s u p p l ym a i n t e n a n c el o g i s t i c st o w a r e rf i l l i n go ft h ef i r s tt i m ea n ds a f eo p e r a t i o nf o rt h ef u t u r e 3 a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c p i p e l i n ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o ni nl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yw o r k sa n dp a r t i a ls a l i e n t d o i n ti n s t a l l m e n ta i ri n l e ta n dv e n tv a l v e ，c o m b i n a t i o ne q u i v a l e n t p i p e l i n e m e t h o da n da d j u s t m e n tw a v es p e e dm e t h o d ，w h i c h e s t a b l i s hm a t h e m a t i cm o d e lo fa i ri n l e ta n dv e n tv a l v e t h r o u g h c a l c u l a t i o na n a l y s i si ny e l l o wr i v e ri n d u s t r i a lw a t e rs u p p l yp r o j e c t i ny u m e n k o uo f s h a n x ip r o v i n c e ，w h i c hp u tt h ec o n c l u s i o n ，t h a ta i r i n l e ta n dv e n tv a l v ei sv e r yi m p o r t a n tt os a f e t yp r o t e c t i o ni nw a t e r s u p p l yw o r k s 4 c o m b i n a t i o nw a t e rh a m m e ra r r e s t e ri t s e l fc h a r a c t e r i s t i c ， w h i c he s t a b l i s hh y d r a u l i c c a l c u l a t i o n m o d e lo fw a t e rh a m m e r a t t e s t e r t h r o u g ha p p l i c a t i o na n dc a l c u l a t i o na n a l y s i so f t h ew a t e r h a m m e ra r r e s t e ri nn o 2n i a n g z i g u a np u m p i n gs t a t i o np r o j e c to f s h a n x ip r o v i n c e ，p r o v i d et e c h n i c a lb a s i sf o rs a f eo p e r a t i o no ft h e p u m p i n gs t a t i o ns y s t e m 5 t h eh y d r a u l i ct r a n s i e n tm u m e r i c a ls i m u l a t i o n o ft h r e e p r o j e c ti t e m sm e n t i o n e da b o v ei sb a s e do ns t e a d y s t a t eo p e r a t i o n s t u d yo f w a t e rs u p p l yw o r k s ，t h u sm a k e t h er e s u l to f w a t e rh a m m e r c a l c u l a t i o nm o r ep r e s sc l o s e rt op r a c t i c e ，i ti so fi n n o v a t i o n 6 a d o p t i n gv i s u a l b a s i ct o e x p l o i tg o o di n t e r f a c e ，h i g h 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n t e r a c t i v e ，c r e d i b i l i t yp e r f o r m a n c ea n ds i m p l eo p e r a t i n gc o m p u t e r n u m e r i cs i m u l a t e ds y s t e mt h a ti s a p p l i e di nh y d r a u l i ct r a n s i e n to f w a t e rs u p p l yw o r k s a tt h ee n do ft h ep a p e r , c a r r y i n gt h r o u g ha n a l y s i st ot h e c a l c u l a t i o nr e s u l tm e n t i o n e da b o v e ，s t u d y i n go nc a l c u l a t i o ne r r o r s r e a s o n ，a tt h es a m et i m e ，p u t t i n gt h ef u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e mt h a t i se x i s t e n c ei nt h ec a l c u l a t i o no fw a t e rs u p p l yw o k s h y d r a u l i c t r a n s i e n t k e y w o r d s ：h y d r a u l i ct r a n s i e n t ，m e t h o do fc h a r a c t e r i s t i cc h i v e ， p r e s s u r ep i p e l i n e ，s a f e t yp r o t e c t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 6 太原理工大学硕十研究生学位论文 第一章概述 1 1 泵站水力过渡过程研究概述 在供水工程中，由于闸阀的启闭或水泵的启动与突然停机，造成管路 中水流速度的突然变化，进而引起管路压力的急剧变化，在流速和压力的 变化过程中，水泵的流量、扬程、转速等参数亦随之发生瞬时的变化，这 种现象称之为泵站的水力过渡过程，亦称为泵站水锤现象。压力管路中的 水流在水泵失去原动力后的最初瞬间主要靠惯性以逐渐减慢的速度继续 向原方向流动，流速逐步减小最终降至零；然后管路中的水在重力水头的 作用下，又开始向水泵倒流，速度由零逐渐增大，产生水锤。按照水锤产 生的原因可分为启动水锤、关阀水锤、停泵水锤；按照水锤相可分为：当 阀门关闭历时小于一个水锤相m = 2 l a ，即t m 时产生的水锤称为直 接水锤，当阀门关闭历时大于一个水锤相时( t m ) 产生的水锤称为间 接水锤。在同一条件下，停泵水锤比启动水锤和关阀水锤的危害性要大， 直接水锤比间接水锤的危害性要大，但危害最大的是当管路中出现水柱分 离而产生的断流弥合水锤，本论文的研究主要针对停泵水锤、直接水锤和 断流弥合水锤。 泵站水锤对泵站工程的正常运行影响很大，不少泵站因水锤而遭受严 重的破坏。如1 9 8 5 年7 月8 日长沙市自来水五厂，在2 、3 、4 号水泵机 组同时运行时，电网突然停电，3 台机组的自动保压液控蝶阀同时关闭时 产生水锤，3 号机组的液控蝶阀阀体和阀门基本遭到破坏，发生了淹没机 房的特大事故。致使河东部分地区的3 0 万人在酷暑季节停水3 天，给人 民生活和生产带来了严重困难和影响，这次事故造成的直接经济损失达 5 0 万元”3 。1 9 9 8 年7 月，宣钢东区供水系统发生停泵水锤事故，不仅造 太原理r 人学硕十研究生学仿论文 成选媒厂停水，大量的漏水还冲毁了运输部铁路，使其中断运行三天。宣 钢东区供水系统负责整个东区六个主要生产厂矿的工业用水供应任务，发 生停泵水锤事故后给生产工作带来难以估量的经济损失。早在2 0 世纪7 0 年代，北京市政工程设计院就进行过调查，在华东、中南等4 个地区有 3 0 多个较大泵站都发生过水锤现象，记录到的损失较大的事故达2 0 0 次 以上。“。在国外水锤事故也屡见不鲜，1 9 8 5 年月发生在荚国加利福尼 亚州圣俄罗费尔核电厂l # 机组的巨大水锤危害，事故是由于电源短路造 成二回路中主给水泵停泵断水，四分钟以后运行工人又误操作，启动了补 水泵，从而产生了巨大的水锤事故。5 0 多米的给水管道严重扭曲位移， 十几个支撑遭到破坏，位移达3 0 c m 之大，有处爆裂管道出现2 c m 长的 鱼嘴裂缝，使核电厂被迫停堆“。这些水锤事故有的造成压力管道的破坏 ( 即爆管) ，有的造成泵房被淹；有的还引起次生灾害，如冲坏铁路，中断 运输；还有的设备被打坏，伤及操作人员等，给人民的f 常生活和生产带 束了严重的影响和损失，所以入们特别将水锤的危害列为泵站三害( z k 锤、 泥沙、汽蚀) 之首。因此在设计或扩建供水泵站系统时必须认真研究事故 水锤的危险性，分析水锤压力的变化过程，采取合理、可行的防护措施， 来确保压力管路的安全运行。 1 2 泵站水力过渡过程计算机数值模拟的目的和意义 在当今的技术条件下，水利工程建设中已经不再仅仅凭借工作经验进 行施工而是越来越多依靠先进的技术和手段对工程中可能出现的情况进 行模拟，其中用计算机来对水力机械及水工建筑中的水流状态进行模拟是 当前发展起来的新方法，它可以通过大量快速计算在短时问内得出大量的 较为准确的数据，为工程的设计和施工提供科学的理论依据。通过对供水 工程水力过渡过程的计算机数值模拟，分析供水工程中水锤的发生与发 2 太原理t 大学硕士研究生学悔论文 展，科学地估计它司能带来的危害，及时有效地采取措施，避免或减少水 锤带来的损失，对于保证供水工程的安全运行，制定科学的运行规程都具 有重要的意义。 泵站水锤综合防护的目的： 1 技术上安全可靠。根据泵站设计规范( g b t5 0 2 6 5 9 7 ) ，有 可能产生水锤危害的泵站，在各设计阶段均应进行事故停泵水锤计算。在 可行性研究阶段，允许采用简易图解法计算；在初步设计阶段及施工图阶 段宜采用特征线法或其它精度比较高的计算方法进行计算。在计算泵站水 泵启动和事故停泵的瞬变过程，应满足下列要求m 3 ： 离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1 2 倍，超过额定转速 的持续时间不应超过2 m i n 。 立式机组在低于额定转速4 0 的持续运行时间不应超过2 m i n 。 最高压力不应超过水泵出口额定压力的1 3 1 5 倍。 管道任何部位不应出现水柱断裂。 管道宜布置在最低压力线以下。 真空破坏阀应有足够的过流面积，动作应准确可靠；用拍门或快 速闸门作为断流设施时，其断流时间应满足水锤防护的要求。 2 经济上合理。 3 管理上比较方便。 通过计算机数值计算方法来模拟各种工况条件下水泵和输水管路系 统的水锤状况，包括压力、流量、泵的转速过程等，进而分析超常水锤压 力可能出现的情况，校核阀门和压力管路的承受压力，针对计算分析结果 采用必要的水锤防护措施，寻求阀门的最优关闭规律，来确保整个供水工 程的安全运行。 对泵站进行水力过渡过程的计算机数值模拟，不但缩短了泵站设计的 3 太原理工人学硕士研究生学位论文 时问周期，优化了泵站研究的方案，大大降低了用于试验的经费，而且可 以为泵站的安全运行和泵站的优化设计提供技术依据，因此意义重大a 1 ，3 国内外泵站水力过渡过程的研究概况 1 31 国外泵站水力过渡过程的研究概况 水力过渡过程总是伴随着波( 纵向的或横向的) 的传播形式出现，所 以它的研究历史可以追溯到1 9 世纪关于波的传播理论的探讨。水力过渡 过程研究最早是从探讨声波在空气中的传播和波在浅水中的传播以及血 液在动脉中的流动开始的，但是直到弹性理论、微积分学以及解偏微分方 程的方法建立以前，这些问题都未能精确地获得解决”1 。 牛顿( n e w t o n ) 和拉格朗日( l a g r a n g e ) 对声波在空气中的波速作了 理论分析以及实验测试。牛顿推导出了个不正确的渠道中的水波波速公 式，拉格朗n 则推导出了明渠中波速的j 下确公式。 欧拉( e u l e r ) 建立了更打洋细的弹性波传播理论并导出波传播的偏 微分方程。1 7 8 9 年，蒙吉( m o n g e ) 提出了偏微分方程的图解法，并提出 了特征线法”3 。 杨( y o u n g ) 研究了血液的流动、阻力损失、弯曲损失和压力波在管 中的传播。赫尔姆合尔茨( h e l m h o l l z ) 首先正确指出，水在管道中的压 力波速较其在无围限的水中高是由于管壁有弹性引起的。韦伯( w e b e r ) 研究了弹性管中的不可压缩流体的流动并做了决定压力波速度的试验，他 建立了运动方程和连续方程，这些方程是我们研究的基础。 首先对水锤问题进行研究的是意大利工程师门那布勒( m e n a b r e a ) 。 他在1 8 5 8 年所发表的文章中，不同于前人只注意波速，而把着眼点放在 由波的传播所引起的压力变化上面。他利用能量原理，考虑了管壁和流体 4 太原理i j 大学硕七研究生学位论文 的弹性，导出了波速公式，说明了水击的基本理论，从此奠定了弹性水击 的理论基础。 同一时期，美国、俄国和意大利的学者分别发表了比较全面系统的水 锤理论的著作。1 8 9 8 年，美国工程师弗早泽尔( f r i z e l l ) 在美国土木工程 师协会会报上发表了论文“管道中流速变化所产生的压力”。文中弗里泽 尔导出了水锤波速和由于流速突然变化所产生的水锤压力的公式，并且指 出如果管壁弹性模量是无限大，水锤波速与声波在不封闭的水中的速度相 等。文中还讨论了分岔管、波的反射以及连续波对速度的影响等闳题“3 。 1 8 9 7 年，俄国空气动力学家儒科夫斯基( my kobck ”n ) 在莫斯 科用不同的管道对水锤现象做了大量的实验。在理论和实验的基础上，他 于1 8 9 8 年发表了题为“管道中的水锤”的著名论文。文中建立了速度减 小与压力升高的关系式，即著名的儒科夫斯基公式：讨论了压力波沿管道 的传播和压力波在出流端点的反射；对调压室、安全阀以及阀门关闭速率 等对水锤的影响也进行了研究；并且指出：当关闭时削，湿后时( l 表示 管长，a 表示波速) ，压力达到最大值。 意大利工程师阿列维( a l l i e v i ) 稍后于儒科夫斯基，于1 9 0 2 年发表 了关于水锤理论的论文。儒科夫斯基的研究只解决了直接水锤的问题，阿 列维则在理论分析的基础上，解决了间接水锤的问题。他在计算公式中引 进了迄今仍在使用的水锤常数。对于线性启闭规律条件下的阀门端的水锤 压力，他提供了一套图表，便于实际应用“。 从1 9 世纪初至2 0 世纪5 0 年代末，伍德( w o o d ) 、洛威( l o w y ) 等 人提出了图解法，伯格龙( b e r g e r o n ) 、帕马京( p a r m a k i a n ) 等对图解法 做了全面系统的发展。莫斯特科夫( moctxob ) 、克里夫琴科( kp mbvet ix o ) 等对于水力机械特性的影响作了一定的研究。沃格特 ( v o g t ) 、克轨姆( c a l a m e ) 、弗朗克( f r a n k ) 、托马( t h o m a ) 等对于调 5 太原理1 j 人学硕十研究生学位论文 压室理论与实际运用作出了贡献。 2 0 世纪6 0 年代仞期，美国著名流体力学专家斯特单特vl ( s t r e e t e r v l ) 教授连续发表几篇论文。“，1 9 7 8 年怀利eb ( w y l i ee b ) 和斯 特里特vl ( s t r e e t e rv l ) 合著了( ( f l u i dt r a n s i e n t ) 一书，书中主要 讨论了瞬变流的发生、发展的机理以及如何减少和防止由于瞬变流动造成 的不利影响，并给出了用f o r t r a n 语言计算瞬变流的方法和程序以及控 制瞬变流的工程措施。书中涉及了涡轮泵、调速水轮机、阀调节、往复泵、 明渠、石油和天然气输送等系统中的工程实际问题，并系统地介绍了他们 运用电子汁算机进行水锤计算的研究成果。该书于1 9 8 3 年由清华大学译 成中文版瞬变流。1 9 7 9 年，加拿大的m h 。c h a u d h r y 博士发表专著 ( ( a p p l i e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) ) ，书中系统地介绍了水力过渡过程的基本 原理、数学模型与工程实用计算方法，以及水电站、核电站。水泵站、输 油管道系统中的水力过渡过程计算方法、控制过渡过程的实例、电算程序， 也涉及压力管道中的水柱分离与共振等问题。 随着管道水锤研究工作的发展，在英国皇家学会流体工程分会的组织 下，国际上每隔几年召开一次国际压力涌波会议( i n t e m a t i o n a ip r e s s u r e s u r g ec o n f e r e n c e ) ，总结和交流这方面的研究工作。我国从第四届( 1 9 8 3 年) 开始4 有学者参加这项国际会议“”。 总之，运用计算机求解非恒定流问题标志着非恒定流计算进入了一个 崭新的时期。其后，随着计算机的普及和发展，非恒定流计算研究不断完 善和向纵深发展。 1 3 2 国内泵站水力过渡过程的研究概况 国内在水力过渡过程方面的研究起步较晚m 3 。由于水锤事故的发生， 在6 0 年代，王守仁和龙期泰等人做了大量的试验，对后期水锤计算及防 6 太原理1 ：火学硕士研究生学位论文 护奠定了基础。特别是对下开式水锤消除器的研究“6 ”。，为其7 0 年代的 普及使用起到了很好的指导作用。栾鸿儒等人对利用爆破膜防止泵站水锤 进行了试验研究，提出了膜片材料及厚度选择的计算方法。 8 0 年代初期，随着f l u i dt r a n s i e n t s ”和a p p l i e dh y d r a u l i c t r a n s i e n t s ) ) ”“两本书中译本的出版，我国进行瞬变流研究的科技人员越来 越多。刘竹溪、刘光l 临等人将计算机电算技术用于国内的泵站水锤计算中， 他们的论文还涉及到水泵全特性曲线的研究，其专著泵站水锤及其防护 是国内第一本系统介绍泵站水锤及防护的专著。刘光临等人将特征线法应 用于工程实际，通过研究，对两阶段关闭的缓闭蝶阀在事故停泵时的关闭 过程进行了优化等“2 “。金锥等人在水柱分离方面进行了多年研究，建立 了水锤分离计算模型。索丽生等人在水电站压力引水系统水力过渡过程研 究方面做了大量的工作，为调压在工程中的应用提供了理论基础“。液控 缓闭蝶阀是我国科技人员8 0 年代开发的一种新型水锤防护设备，通过调 节阀门的关闭时间和角度( 可分为快关和慢关) ，来有效预防水锤的发生 23 o 王学芳等主要从事工业管道中水锤的分析与研究，其研究涉及到密闭 输油，大城市长距离输水，火电厂、核电厂和化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”“1 ，并于1 9 9 5 年出版了 工业管道中的水锤一书。栾鸿儒等人在泵站水锤的试验和计算方面做 了大量的工作，发表的论文对舀内常用的两阶段关闭蝶润、逆止润和微阻 缓闭止回阀等在工程中的正确应用起到了指导作用“”叫。2 0 0 0 年杨开林 的电站与泵站中的水力瞬变及调节和2 0 0 1 年陈璧宏的水电站和泵 站水力过渡流都系统总结了前人的成果，对进一步进行瞬变流的研究起 到了积极的作用。目前对泵站水力过渡过程研究，采用的主要方法是试验、 计算机数值模拟或两者相结合的方法。 7 太原理r 人学硕十研究生学位论文 总之，从计算机的广泛应用至今，水锤及其防护问题的理论研究和实 际应用两个方面都获得了相当程度的进展，整个水锤研究体系日趋完善， 研究范围也同益扩大，近年来，由于管道系统中因出现水柱分离及其再弥 合现象而造成的水锤事故时有发生，目前国内外有关流体瞬变流的研究己 深入到液气两相瞬变流水锤问题和管路中两相瞬变流的固液耦合作用 ( f l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n 简称f s i ) ”“1 ，同时如何更加经济、有效地 防止水锤事故，根据实际情况寻找最优的防护对策也是一项长期地研究课 题。 1 4 高扬程泵站压力管路安全防护措施的研究 为了控制水锤，人们提出了用阀调节的概念。早期丌展阀门关闭方案 研究工作的有：克耐仆( k n a p p ) 在1 9 3 7 年，鲍杰龙( b e r g e r o n ) 在1 9 4 9 年，克尔( k e r r ) 在1 9 5 0 年和1 9 5 1 年，锐斯( r u u s ) 和史催特( s t r e e t e r ) 在5 0 年代后期开始建立类似的方法。直到1 9 5 3 年，才建立了无摩擦阀调 节的完整处理方法，它能在阀运动停止后消除最终瞬变。1 9 7 0 年普洛普 生( p r o p s o n ) 对此方法的建立有了详细的解释，并且给出了方法的证明。 他将阀调节分为“被动”与“主动”两种情况。此外他还研究了一种给定 时间内的调节，并且研究了迅速关阀，将时间降低到2 l a ，而以前的各 种调节方法到少需要4 l a 。”1 。在7 0 年代以前，我国高扬程抽水泵站防护 水锤的办法是：在压力管道上设置调压水箱、空气室、爆破膜片、水锤消 除器、机组装设飞轮。以上几神办法都可在不同程度上防护水锤，但是存 在着占用厂房面积大，土建工程投资大的问题，而且运行不方便。进入 8 0 年代，我国科技人员开发出了一种新型水锤防护设备液控缓闭蝶 阀。该阀在断电时可按预定的时间和角度，分快、慢关二阶段关闭，能有 效地降低管网中压力的波动，消除流体在管网中的水锤危害，控制水泵反 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 转。从而保护水泵和管网系统的安全可靠运行。同时还可将其作为水泵主 阀使用，一阀带两阀( 代替闸阀和止回阀) 。进入9 0 年代，液控缓闭蝶阀 又有了不同程度的发展。一是改进了液压系统设计，使其性能更可靠，调 节更方便；二是增设了防止重锤下掉的压力补偿系统及锁定装置，保证了 最小流阻系数，具有更大节能效果；三是增设了泵阀联动控制，使其操作 更加简便”。 目前，停泵水锤的防护措施大体上有以下三种类型“： 1 补水、补气、蓄水以降低水锤压力，防止产生液柱分离和断流弥 合水锤。属于这种类型的有各种型式的双向调压塔、单向调压塔、气压罐、 进排气阀等。这些装置一般不会造成管道系统的水量损失。 2 泄水降压，避免压力骤升。属于这种类型的有各种型式的泄水阀 门。其中有水锤消除器、缓闭反向阀、快闭反向阀( 止回阀) 、自闭碟阀、 防爆薄膜以及设置旁通管等。这些装置一般都要泄水，会造成管道系统数 水量损失。 3 其他防护措旌。例如增大管经，减小流速，改善管道系统布置， 以减小水锤压力，防止液柱分离合弥合水锤等。 现在分别叙述如下： 双向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，双向调压塔的 水面高度应高于输水管道终点接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头 损失a 调压塔将随着管路中的压力变化向管道补水或泄掉管路中的过高压 力，从而有效地避免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠，但其应用 受到泵站压力和周边地形的限制。 单向调压塔：在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的 高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时调压塔向管道 补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阉 9 太原理工人学硕士研究生学位论文 p _ _ 一。一 水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠， 一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。 气压罐：国内使用经验不多，在国外( 英国) 使用较广泛。它利 用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道 补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。 水锤消除器：8 0 年代以前曾经广为采用。它安装予止回阀附近， 管道中的一部分水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉。某些水锤消除器无 自动复位功能，容易因误操作导致发生水锤。国内常用的是下开式水锤消 除器。 缓闭止回阀：缓闭止回阀是只能单向开启的阀门，它通过阀门缓闭 的形式来消酴水锤。缓溺止回阀的形式很多，有旁通式、上阻式、侧阻式、 复合式等。其中有一种叫液控缓闭蝶阀，近年来常用在实际工程中，这种 阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。一般在停电后 3 7 s 内阀门关闭7 0 8 0 ，剩余2 0 3 0 的关闭时间则根据水泵和管 路的情况调节，般在l o 3 0 s 范围。可以利用计算机模拟最佳时间，并 现场调试确定。值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓 闭止回阀的作用就十分有限。 超压泄压阀：超压泄压阀能够在管道内压力超过预先整定的释放 压力( 例如1 3 倍的正常压力) 时，阀门迅速开启，释放超高压力压力峰值， 并在5 2 0 秒内自行关闭，释放压力可以方便的调节设定。 进排气阀：进排气阀是一种补气和排气装置，当管内压力低于大气 压力时，阀门打开，空气进入管内以避免管内压力下降过低当管内压力高 于大气压力时，管内的空气又通过阀门排出。进排气阀价格便宜，管理方便， 工程中采用较多。 爆破薄膜：在水泵压水管道上装设金属爆破薄膜、铅片或紫铜片等。 1 0 太原理t 大学硕士研究生学位论文 当管道由于水锤升压超过预定值时，薄膜自行爆破，水流外泄，达到泄水 降压消除水锤的效果。这种措施简单、造价低廉，但薄膜的爆破压力难以 精确计算，还可能造成大量水量的损失，目前尚未普遍推广应用。 装设惯性飞轮：装设惯性飞轮是为了加大水泵机组的转动惯量，以 减小停泵后的水泵机组转速的下降率，延缓机组开始倒转的时间。这样可 以降低停泵后管路中流速的急剧降低。这种方法设备比较简单，效果也比 较好。但是，在长输水管路及管路沿地形起伏大的场合，可能需要尺寸很 大的飞轮；另外，飞轮也增加电动机的启动负荷，这对一般适宜于轻载启 动的异步电动机而言时不利的。 另外，取消普通止回阀、设置多级止回阀、合理布置管线、降低管路 中的流速等措施都能起到减小管路水锤压力的作用，在具体工程中还得结 合实际情况，采用计算机模拟或试验研究来选择”“。 为了最大限度地消除水锤对管路安全的影响，充分发挥供水工程的经 济与社会效益，长期以来，广大科研与工程技术人员在实践中积极探索， 得出了以下一些有益的经验性结论o ”。“”： 对于无逆止阀的管路系统：须注意的是水泵机组倒转和水大量倒 流造成的损失和危害。般情况下，无逆止阀管路主要应避免水泵机组的 长时间过度倒转，以防水泵轴套松脱和机组共振。输水距离在1 2 5 0 k m 范围，管线愈长，停泵水锤值愈大，水泵机组倒转愈严重。管线长度超过 5 0 k m ，长度继续增加则对水锤值影响较小。几何扬程增高，最大水锤值 和水泵机组倒转值均有所增加，当几何扬程大于5 0 m 时，水泵机组倒转 值将持续超过额定正转速( bm a x bn 一1 o ) ，超过规范的允许范围。在 这种情况下应与水泵制造厂联系采取相应的技术措施以确保水泵在倒转 运行工况下的安全。对于无逆止阀管路选用转矩( m n ) 较小、转动惯量( g d 2 ) 较大的水泵机组将有利于改善停泵水锤发生时的水泵和管跆工况，推迟水 太原理工大学硕士研究生学位论文 泵的倒转时间，降低水泵的倒转值e 对于装有普通止回阀的管路系统这种停泵水锤的情况较为严重， 一般输水距离在1 2 5 o k m 范围时，管线愈长，停泵水锤值愈大。管线 长度超过5 o k m ，长度继续增加对上述参数影响较小。几何扬程增高，停 泵水锤值也愈大。对于取水泵房，若条件许可( 输水管路较短，水泵允许 短时i 日j n 转) ，可取消普通逆止阀。如果采用了普通逆止阀，则水泵机组、 管路配件和管路系统的耐压等级和稳定性均应考虑最大水锤压力值。 对于装有缓闭逆止