（水力学及河流动力学专业论文）动力系统失控工况特性及预防控制研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 动力系统失控工况特性及预防控制研究 ( 摘要) 在许多行业的动力系统运行中，都出现过由于各种意外原因 而使系统进入失控工况的事例。失控工况发生时常伴随有瞬变现 象的出现，而系统中的瞬变将会不同程度地对系统造成一定的危 害，轻则使设备损坏，系统不能正常工作，重则造成停产，人员 伤亡等严重后果，所以失控工况尤其是失控工况发生时瞬变强度 的预防和控制应引起足够重视，并找出能够控制失控工况的瞬变 强度的方法，用于指导生产实践，使运行系统不发生瞬变现象或 即使是瞬变现象发生了也能将其危害降到最低，避免经济损失。 据此，本文对典型的失控工况进行了实验研究和理论分析，主要 内容和结论如下： 1 典型失控工况特性的实验研究。 文中根据动力系统的实际情况，归纳了六种典型的失控 工况，并根据实验条件在保证安全的前提下，对带负荷启动 经短暂稳定后停泵的失控工况特性进行研究，得到了一批研 究成果。 1 ) 泵的进出口压头和流量的瞬变规律； 2 ) 管系中间压头瞬变规律； 3 ) 管系出口压头和流量瞬变规律； 4 ) 泵轴转矩变化规律； 奎堕里三查堂堡主兰竺丝塞一 2 论述分析了失控工况可能出现的基本特性。 1 ) 失控工况可能出现两种后果：基本无瞬变或发生弱瞬变； 发生强瞬变流动。 2 ) 本文研究的条件下，带负荷启动泵在一定条件下出现强 瞬变，负荷停泵基本无瞬变或发生弱瞬变。 3 分析了带负荷启动和负荷停泵两种失控工况的特性，它们是： 1 ) 时间特性，包括：泵出口无压和无流量输出时间；管系 中部和出口处负压与倒流时间；泵出入口、管系中部和 出口处压头振荡时间；泵出口、管系出口流量振荡时间； 2 ) 瞬变压头和流量的频率和振幅特征：泵出入口、管系中 部和出口处压头的振荡频率和幅值：泵出口和管系出口 处流量振荡频率和幅值； 3 ) 泵轴转矩变化特征： 4 提出了系统深长比的新概念。 1 ) 定义系统上游水深( 或压头) 与管系长度之比为系统的 深长比； 2 ) 计算分析了带负荷启动工况下，深长比与瞬变参数的关 系； 3 ) 给出了强瞬变和弱瞬变的深长比范围； 5 提出了失控工况的控制方法和途径。 1 ) 控制系统深长比可以控制系统失控工况的瞬变强度。 2 ) 在本文研究条件下，深长比大于6 2 5 和小于0 1 9 时发 生强瞬变，深长比大于0 1 9 而小于6 2 5 时基本不发生 j l 太原理工大学硕士学位论文 瞬变或发生弱瞬变： 3 ) 文中给出的深长比与瞬变参数关系及得到的实验成果 图，可用于指导失控工况特性的理论研究、工程设计和 系统的运行调节。 关键词：动力系统失控工况负荷启动负荷停泵深长比 瞬变强度预防和控制 查竖里三查兰堡圭兰竺丝苎一 r e s e a r c ho n t h ec h a r a c t e r is tic s ， p r e v e n t io na n dc o n t r o l o f t h er u n a w a y o p e r a tin gm o d e int h ep o w e rs y s t e m ( a b s t r a c t ) t h e r eh a v em a n ye x a m p l e sc a u s e db y t h e u n e x p e c t e d r e a s o n st h a tc a nm a k et h es y s t e mi n t ot h er u n a w a yo p e r a t i n g m o d ei nt h eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e mi nm a n yi n d u s t r i e s t h er u n a w a yo p e r a t i n gm o d e so c c u ru s u a l l ya c c o m p a n i e dw i t h t h et r a n s i e n tp h e n o m e n a t h et r a n s i e n t sw i11d oh a r mt ot h e s y s t e mi ns o m ed e g r e e t h e1i g h t e rw i l lm a k et h ee q u i p m e n t s b r e a kd o w nw h i c hm a k et h es y s t e mc a nn o tw o r kn o r m a i l y ：t h e h e a v i e rw i l lc a u s et h eg r i e v o u sc o n s e q u e n c e ss u c ha st h e s t o p p i n go ft h ep r o d u c t i o no rt h ei n j u r i e sa n dd e a t h s s o t h er u n a w a yo p e r a t i n gm o d ep a r t i c u l a r l yt h ep r e v e n t i o na n d c o n t r o lo ft h et r a n s i e n ti n t e n s i t ym u s tb e e np a i dt h em o s t a t t e n t i o n s a n di ti si m p o r t a n tt of i n do u tt h em e t h o d st h a t c a nc o n t r o lt h et r a n s i e n tin t e n s i t yw h e nt h e r u n a w a y o p e r a t i n gm o d e s o c c u ra n dc a nb eu s e dt oc o n d u c tt h e p r o d u c t i o n i no r d e rt h a tt h e r eh a v en o tt h et r a n s i e n t p h e n o m e n aw h e nt h es y s t e mi sw o r m n go ri tw i l l c a u s et h e 1 e a s th a r m st h a tc a na v o i dt h ee c o n o m i c1 0 s se v e ni ft h e p h e n o m e n ao c c u r r e d o nt h e s eg r o u n d s ，ih a v em a d et h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h l 太原理工大学硕士学位论文 a n dt h e o r i e a la n a l y s ea b o u tt h et y p i c a lr u n a w a yo p e r a t i n g m o d e t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r e 1 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i t so ft h e t y p i c a lr u n a w a yo p e r a t i n gm o d e t h e r eh a v ei n d u c e ds i xk i n d so ft h et y p i c a l r u n a w a y o p e r a t i n gm o d ea c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o n d i t i o n so ft h e p o w e rs y s t e m a n du n d e r t h ec o n d i t i o nt h a ta s s u r et h e s a f e t y ，t h ea r t i c l em a d et h er e s e a r c ho ft h er u n a w a y o p e r a t i n gm o d e c h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ec o n d i t i o nt h a t s t o p p i n gt h ep u m pa f t e rb r i e fs t e a d yw i t hs t a r t i n gw i t h l o a d a n dg o tab a t c ho fa c h i e v e m e n t s ： 1 ) t h et r a n s i e n tl a wo ft h ep r e s s u r ea n df l o wi nt h e i m p o r ta n de x i to ft h ed u m p ： 2 ) t h et r a n s i e n tl a wo ft h ep r e s s u r ei nt h em i d d l eo f t h ep i p e l i n e ： 3 ) t h et r a n s i e n tl a wo ft h ep r e s s u r ea n df l o wi nt h e i m p o r ta n de x i to ft h ep i p e l i n e ： 4 ) t h ec h a n g i n g1 a wo ft h er o t a t i n gm o m e n to ft h ep u m p 2 d i s c h s sa n da n a l y s et h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c st h a tm a y a p p e a ri n t h er u n a w a yo p e r a t i n gm o d e 1 ) t h er u n a w a ym o d ew i l l b r i n g t w oc o n s e q u e n c e s ：t h e f i r s ti st h e r eh a v en o tt r a n s i e n tp h e n o m e n ao rt h e r e h a v eo n l yw e a kt r a n s i e n t s ，t h es e c o n di st h e r eh a v e 太原理工大学硕士学位论文 t h es t r o n gt r a n s i e n t s 2 ) u n d e rt h er e s e a r c ho ft h ea r t i c l e ，t h e r em a ya p p e a r t h es t r o n gt r a n s i e n t si ns t a r t i n gt h ep u m pw i t hl o a d ， t h e r eh a v en o tt r a n s i e n t so rh a v e o n l y w e a k t r a n s i e n t si nt h es t o p p i n gw i t hl o a d 3 a n a l y s e t h et w ok i n d so f r u n a w a yo p e r a t i n g m o d e c h a r a c t e r i s t i c s t h et w om o d e sa r et h e s t a r t i n gw i t h l o a da n dt h es t o p p i n gw i t h1 0 a d t h ec h a r a c t e r i s t i c s a r e ： 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m e i n c l u d i n g ： t h et i m ew i t h o u t p r e s s u r ea n df l o wo u t p u ti nt h ee x i t o ft h ep u m p ：t h et i m ew i t hn e g a t i v e p r e s s u r ea n df l o w b a c k w a r d si nt h em i d d l ea n de x i to ft h ep i p e li n e ：t h e t i m eo fp r e s s u r e v i b r a t i o ni nt h ei m p o r ta n de x i t o ft h ep u m p ，t h em i d d l ea n de x i to ft h ep i p e i n e ；t h e t i m eo ft h ef l o w v i b r a t i o ni nt h ee x i to ft h ep u m p a n dt h ep i p e li n e 2 ) t h ef r e q u e n c ya n de x t e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r a n s i e n tp r e s s u r ea n df 1 0 w t h e f r e q u e n c ya n de x t e n to ft h ep r e s s u r ei nt h e i m p o r t a n de x i to f t h e p u m p ，t h em i d d l eo ft h e p i p e l i n ea n dt h ee x i to ft h es y s t e m ；t h ef r e q u e n c y a n de x t e n to ft h ef l o wi nt h ee x i to ft h ep u m pa n d 奎堕望三奎兰堡主兰堡垒奎一 t h ep i p e l i n e 3 ) t h ec h a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u m p r o t a t i n g m o m e n t 4 p u tf o r w a r dt h en e wc o n c e p t i o no fh l 1 ) d e f i n et h er a t i ob e t w e e nt h ed e p t h i nt h eu p p e r r e a c h e s ( o rp r e s s u r e ) a n dt h ele n g t ho f t h ew h o l e p i p e l i n e a sh l ： 2 ) c o u n ta n da n a l y s et h er e l a t i o nb e t w e e nt h eh la n dt h e t r a n s i e n tp a r a m e t e r su n d e rt h em o d eo fs t a r t i n gw i t h l o a d ： 3 ) g i v eo u tt h er a n g eo ft h eh lt h a tc a nd i s t i n g u i s ht h e s t r o n gt r a n s i e n t s f r o mt h ew e a kt r a n s i e n t s 5 p u tf o r w a r dt h em e t h o d sa n dw a yt h a tc a nc o n t r o lt h e r u n a w a yo p e r a t i n gm o d e c h a r a c t e r i s t i c s 1 ) t h et r a n s i e n ti n t e n s i t yo ft h er u n a w a yo p e r a t i n g m o d ec a nb ec o n t r o l l e db yc o n t r 0 1 1 i n gt h eh lo ft h e s y s t e m ： 2 ) u n d e rt h er e s e a r c ho ft h ea r t i c i e ，t h e r ew i i lo c c u r t h e s t r o n gt r a n s i e n t s w h e nt h eh l 6 2 5a n d 0 1 9 ，w h i l et h e r ew i l l h a v en o tt r a n s i e n t so rh a v e t h ew e a kt r a n s i e n t sw h e n0 1 9 4 h 6 2 5 ： 3 ) t h et e l a t i o nb e t w e e n t h eha n d t h et r a n s i e n t p a r a m e t e r sg i v e nb yt h ea r t i c l ea n dt h ep i c t u r eo f t h ee x p e r i m e n tc a nb eu s e dt oc o n d u c tt h et h e o r i c a l r e s e a r c h o ft h er u n a w a yo p e r a t i n g m o d e c h a r a c t e r i s t i c s ，e n g i n e e r i n g d e s i g n a n dt h e o p e r a t i o na n da d j u s t m e n t o ft h es y s t e m k e y w o r d s ：t h ep o w e rs y s t e m ；t h er u n a w a yo p e r a t i n g m o d e ； t h es t a t i n gw i t hl o a d ：t h es t o p p i n g w i t hl o a d ； h l ：t h e t r a n s i e n ti n t e n s i t y ：p r e v e n t i o n a n d c o n t r 0 1 太原理工大学硕士学位论文 l 1 概论 1 1 选题的目的和意义 许多行业的流体动力系统都是由容性装置、泵、管道和阀门 组合而成的。整个动力系统作为一个整体是在一个可控制的工况 下运行的，这种可控工况从流体力学的角度看，主要表现为有稳 定的流量和压头，系统能持续稳定地按要求运行。但在系统运行 中，常常遇到诸如停电、人为误操作或由于过分发热及振动而使 机械发生故障等非调节因素，这些都会引起系统中的流体流动出 现突然的短时的失控工况。这其中又以系统失压和带负荷启动尤 为严重，失控工况发生时，系统内的流体处于种非定常流动状 态，即瞬变流动状态“。 瞬变发生时，流动突然发生变化导致该处压力突变，形成压 力波沿管道或容器壁传播，进而使系统受到瞬时高低压的冲击， 瞬时高压将会产生振荡流动，而瞬时低压又有可能产生空穴，发 生气蚀，轻则影响设备的使用寿命，重则会使设备受到损坏，进 而造成运行中断，严重时还会发生事故盟1 。正因如此，近年来系 统的瞬变问题已逐渐引起重视。但由于失控工况产生的原因复 杂，参数变幅大且变化频率高，研究难度较大。目前国内研究水 平尚处于理论研究和少量简单系统的实验研究阶段小。但工 程中暴露出来的问题又急需解决，因此，全面探索整个系统的瞬 变特性，提出防止和缓解手段，是当前面l 临的重要课题。国内相 关的专题研究报道还比较少见，而建立相应的实验装置，进行理 论和实验的对比研究尚无先例。 太原理工大学硕士学位论文 本课题就是在动力系统综合实验装置上对带负荷启动及负 荷停泵两种失控工况进行实验模拟，得到大量实测数据，并对所 得数据进行整理分析，以期找出失控工况下全系统的瞬变规律， 从而提出失控工况发生时，瞬变预防和控制的方法与措施，为工 业生产的设计和运行提供理论依据，方便事故的防止、系统的改 进、调节的优化和增加系统的安全性，减少经济损失，最终达到 提高经济和社会效益的目的。本文的研究方法还为类似研究提供 了范例。 太原理工大学硕士学位论文 3 1 2 动力系统瞬变研究概况 流动瞬变的定义是管中流体速度在短时间内产生了急剧变 化的现象，瞬变流实质是非定常流。人类对瞬交流的研究是从水 锤开始的，早在1 9 世纪中叶，i e m a b r e a 就对压力管道中的水力 冲击问题进行了研究口3 。1 9 世纪末，j o u k o w s k y 把压力管道的这 种水力冲击现象称为“水锤”，并给出了水锤压力的简化计算公 式。1 9 1 3 年a l l l e v i 提出水锤方程的求解方法”1 。之后s c h n y d e r 和b e r g e r o n 又发明了水锤分析的实用图解法聃1 。 二十世纪六十年代，计算机的应用使数值计算取得了极大的 进步，在e v a n g e l i s t i g ，b e r g e r o n ，s t e e r e r 和w y l i e 等人的努 力下，使得在瞬变流的研究领域里特征线法又逐渐成为水锤计算 的一种标准方法“。m a r c h a l ，f l e s c h 和s u r e r 。3 还有 s t r e e t e r v l “”等人首先解决了计算中遇到的无量纲坐标变换 问题。h o l l a n d e r ，d o n s k y “3 和l i n t o n ”1 又给出了泵的四象限 特性及惯性矩等资料，使得泵的瞬变全特性数值计算成为可能。 s h e e r 、b a a s c h 、g u b b s ”4 1 对泵瞬变流动采用牛顿雷伏生法 进行了计算，并进行了实验验证，推动了泵系统瞬变流的研究计 算。 随着研究的深入，人们发现压力管路中速度急剧变化并不时 常伴随水锤的敲击声，象压力管路中可变形的腐蚀质和振动物的 振动、泵的非稳定特性等等，而且瞬变研究的范围不再局限于基 本水锤，涌波、振荡、液柱分离、空化空蚀、系统控制等方面的 研究也进入瞬变现象的研究范畴。所以美国学者e b 怀特和v l 太原理工大学硕士学位论文 4 斯特里特建议将这种现象称为“流动瞬变”，并将这种流动称为 “瞬变流”1 。 从水锤研究开始至今，瞬变流的研究已经有t 4 0 多年的历史。 近年来全世界对瞬变流的研究比较活跃的有：英国邓迪大学的 a e v a n d y 小组为了研究分岔管道系统瞬变振动及系统水锤的 调控而做了管道轴向、侧向波动测试“8 ”1 ；荷兰的l a y o i j 等从 理论和应用上进行瞬变研究，对大型复杂系统的计算机数值仿真 瞬变计算软件进行了开发“：美国密歇根州立大学对弱约束管 道水锤进行了大量的实验研究，提出了多个用于描述弱约束管道 水锤的数学模型“ 我国的研究人员对该领域的研究近几年发展较快，华中理工 大学的蒋劲、武汉水电大学的刘光临等在气液两相流瞬变模型的 建立和计算方面取得了成果瞳：河海大学的索丽生、于永海等 对明渠瞬变流和有压瞬变进行了研究。“；太原理工大学的阎庆 绂、马素霞、李欣、靳思宇、董若凌在截留在管道中的气体引起 的瞬变、电厂凝结水系统瞬变、阀调节泵系统瞬变、动力系统失 灵和断流空穴特性方面进行了研究池m “。 太原理工大学硕士学位论文 5 1 3 失控工况对系统造成的危害 现实中发生的许多重要的瞬变情况都和泵的启动、停止以及 泵系统内的阀门的启闭有关，我们这里说的泵的停止是指未经事 先调节而意外停泵。本文所指启动也是在带负荷工况下的启动， 也是一种非调节工况。 1 3 1 带负荷启动对泵系统的危害 动力系统中，在泵的上、下游管系中还安装有各种惯性装置 和容性装置”1 ，为了工艺过程的需要，有时还有串联和并联的其 他泵组。这样复杂的系统，在正常工作时，是在一定的压头、水 位和流量的负荷下运行的，在一些工艺系统中( 如火电厂的给水 系统和凝结水系统) 负荷具有高温、高压和大流量的特点。在这 样大的负荷下启动泵，使系统工作是十分危险的。 比如火电厂的凝结水系统，就是由凝结水泵组和凝升泵组串 联而成的，并且上游有凝汽器，下游有低压加热器，系统内还有 加药装置等。一旦发生意外情况下的失控工况，首先是凝结水泵 组进入瞬变工况，快速波及到下游的凝升泵组也进入瞬变工况， 并由此造成凝汽器热井水位振荡和系统的振荡流动。热井水位的 振荡，必然影响到凝汽器，汽轮机和凝结水泵的协调运行”5 3 脚， 而凝结水系统的下游是锅炉给水系统，如果该系统的瞬变工况传 至给水系统，还会影响到锅炉的正常运行，这样，很可能由于这 种局部的失控工况引起的瞬变流动而影响全发电机组的正常工 作。现在已有这种失控工况造成电厂凝结水系统因局部高压而无 法投药的是事故实例。，其给工厂带来的经济损失和安全影响值 太原理工大学硕士学位论文 6 得类似的部门借鉴。 1 3 2 突然停泵对泵系统的危害 在动力中断瞬间，液体加在叶轮上的反作用力矩使叶轮降低 转速，接着降低泵传给流体的能量，这样，瞬变压力通过连接管 向下游传播稀疏波，向上游传播压缩波。 如果这个系统主要是向高处提升液体，那么在几秒钟后，流 动将反向，然后在一段时间后泵发生反转，即开始出现飞车， 当它转到一个很高的反向速度后将对流体形成一个很高的阻抗， 从而在泵上产生一个高压，这将对泵产生非常不利的影响，可能 会使泵报废，不能继续工作。也存在这种可能，即由于出水管的 布置，出水管内可能处于低压状态，使空气从溶解状态下析出而 形成空气空穴。空穴的消失及空气气穴的压缩，可能引起危险的 高压，从而对系统管道造成损害。 如果泵的作用是像在长管中那样克服摩擦力，这时没有引起 反向流动的反向力。然而停泵后，泵中的流量并不迅速减小，这 样，吸水管将受到一个过高的压力。在系统的出水管一侧，流动 减慢，引起一系列稀疏波向下游运动而导致空气和其他气体从溶 解中析出并引起液柱分离。根据管子截面的情况，这些气体和蒸 汽的气穴可能在破裂时引起高压。要是设计不合理的话，开始时 的低压造成的内外压差也可能把管子压扁。 太原理工大学硕士学位论文 r 1 4 本课题研究的内容和方法 本文是在现有实验装置的基础上对系统的瞬变情况进行实 验研究，以便找出在两种失控工况( 带负荷启动和负荷停泵) 下 动力系统的瞬变特性规律，进而提出预防和控制失控工况的方法 和措施，用于指导生产实践，从而产生社会和经济效益。 研究方法采用实验研究和理论分析计算相结合的方法，由实 验研究获取基本数据，分析其基本规律，再与理论分析计算所得 规律进行对比，分析它们的合理性、有效性、可靠性，进而找出 系统在不同条件下瞬变特性的差异及危害程度，为预防和控制失 控工况下的瞬变强度提供依据，并给出在本研究条件下的预防控 制方法和途径。 太原理工大学硕士学位论文8 2 实验概述 理论是在实验的基础之上建立起来的，其正确性又需要实验 的进一步验证，为此，本课题的全部研究都是在实验研究的基础 上展开的。 2 1 实验方案的确定 不同行业的动力系统其上游装置不尽相同，这使得系统的上 游压头初始值有很大的差别，而不同的上游压头将会影响系统的 瞬变特性，因此本文对不同上游压头时系统瞬变的情况进行分析 研究，从而使其适应于不同的工业行业；另外由于动力系统在不 同的行业中其下游装置更是不同，所以本课题又对不同管长情况 下的动力系统失控工况进行实验研究，以使其更具普遍性。 本实验应用组态王工业控制软件实现系统的控制。所有 装置，如泵、阀和仪表等的运行和调节都由计算机来完成，实验 所得参数同步采集回主机，整个实验装置系统类似于工业生产系 统。由于利用计算机采集数据以及安装有高精度的仪器仪表使得 本实验所得结果更加精确可靠。 太原理工大学硕士学位论文 9 2 2 实验系统 实验系统下游有长1 3 0 0 m 的管道，并且全部安装在泵轴之上 3 7 米处，其出口装置在泵中心线之上2 0 5 米，这将使系统在 实验一开始时下游就带有较大的压头，即系统带有较大的初始负 荷，从而对系统的启动产生很大的影响。 系统中回路i 长4 0 m ，回路i i 长6 3 0 m ，回路i 长1 3 0 0 m 图1 动力系统综合实验装置示意图 1 、水箱2 、泵3 、转矩转速传感器4 、电机5 、流量传 感器6 、压力传感器7 、电动调节阀8 、电磁阀9 、线 性电动调节器1 0 、对数电动调节阀1 1 、气阀1 2 、数字 液位传感器1 3 、智能数显仪1 4 、涡量场测试系统1 5 、回 路i1 6 、回路i i1 7 、回路i i i1 8 、工控机及附属设备 太原理工大学硕士学位论文 1o 2 3 实验方法和内容 将泵在带负荷的状态下启动，并同时采集全系统的流动参 数，得到带负荷启动工况下的实验数据，待系统运行稳定后，再 将泵的运转突然切断，同时采集系统流动参数，得到负荷停泵情 况下的实验数据。 在三种不同上游水头、不同管长的情况下重复上述步骤进行 实验，从而得到如下瞬变特性： ( 1 ) 泵的转矩变化图； ( 2 ) 上游相对水头h ( h = h 。h 。，h 。为泵上游水箱水位，k ，为系 统工作时的水箱最高水位) 的变化规律； ( 3 ) 泵入口压头的变化规律； ( 4 ) 泵出口压头的变化规律： ( 5 ) 管道内部压头的变化规律； ( 6 ) 系统出口阀前压头的变化规律； ( 7 ) 泵出口流量的变化规律： ( 8 ) 系统出1 3 阀前流量的变化规律 太原理工大学硕士学位论文 l1 3 失控工况系统瞬变特性实验研究 3 1 失控工况特性分析 3 1 1 动力系统的失控工况 失控工况是指系统在非调节情况下出现的工况，多是由于突 然停电、设备故障、操作失误等原因造成，当然也不排除设计上 的缺陷和调节方法的不成熟。 动力系统可能出现的典型的失控工况有：带负荷停泵；带负 荷启动泵；突然停泵后立即带负荷启动；带负荷启动后立即停泵： 带负荷启动经短暂稳定后停泵；停泵后经短暂稳定又带负荷启 动。这些工况可能单独出现，也可能几种工况连续出现。如果单 独发生时，突然停泵后立即带负荷启动较危险，对设备的损坏也 较为严重，当然如果多种工况接连发生将会产生灾难性后果。为 安全起见，本文只研究了带负荷启动经短暂稳定后停泵，这种工 况基本可看成带负荷启动和负荷停泵两个独立工况。 负荷停泵与正常停泵的区别在于，前者是非主动且负荷存在 情况下发生的，具有“釜底抽薪”的性质，使全系统进入瞬变工 况是在所难免的。带负荷启动与泵的正常启动区别在于，后者基 本上无负荷的( 除了消耗空载功率之外) ，启动过程有泵压而无 流量输出，而带负荷启动时由于系统所带负荷作用于叶轮上的巨 大反力矩，初期可能是既无泵压又无流量输出，随之而来的将是 泵进入第二阶段瞬变工况。”。 3 1 2 带负荷启动工况下泵系统的特性 主要表现在下述五个方面： 太原理工大学硕士学位论文 l2 1 ) 动力滞后 由于下游负荷对泵的叶轮有反向力矩，使泵开始时无泵压和 流量输出，使启动困难迟缓。 2 ) 系统瞬变 泵启动时对系统产生压力扰动，但由于下游负荷的存在，而 造成下游压头高于泵出口处，下游出现倒流和低压。随扰动的继 续，在下游造成瞬变，即正反向流和高低压交替出现，并波及到 泵。 3 ) 泵处于瞬变工况 动力滞后过后，虽有泵压和流量输出，但由于下游瞬变流动 加于泵的负荷时大时小，泵自身亦进入瞬变工况，表现为泵压和 出口流量的高频大幅度振荡。 4 ) 转矩异常 失控工况强瞬变与微弱瞬变相比，泵的转矩出现较大异常， 不同的系统和初始条件，转矩将会出现不同的异常现象，有的表 现为超出正常状态下很高的转矩( 最大高出正常转矩约5 0 ) ； 也有的表现为低于正常情况下的较低的转矩( 只有正常时的3 0 9 6 左右) 。这种转矩异常正是泵在瞬变工况初期无泵压和流量输出 及之后持续瞬变的反映。而泵下游瞬变促成的系统负荷时大时 小，使得加于泵的反向力矩亦时大时小，是造成此特性的直接原 因。 5 ) 上游压头变化 有两种情况： 太原理工大学硕士学位论文 如果上游无容性装置，将会与下游一样发生瞬变，并波及到 泵而使泵的瞬变加剧。 有容性装置时，由于其调蓄阻尼作用，振荡频率虽高，但振 幅明显减小。 3 1 3 系统实验过程描述 在一定的初始条件下：即系统管路中充满水，系统管路中阀 门全开，整个系统处于个完整的循环回路中，此时使泵带负荷 启动，则系统中流体在受到扰动的情况下，将处于明显的瞬变状 态，即泵系统在克服下游较大压头的情况下逐渐启动，产生压力 扰动波在管道中传输，在传输过程中与上、下游管道中的压力波 和稀疏波相互作用，进而影响整个系统的流动特性，直至系统进 入较稳定的运行状态。再将系统带负荷停泵，造成系统即刻进入 失压状态，系统中流体在受到第二次扰动的情况下将再一次进入 瞬变状态，各测点采集的参数发生振荡，这种振荡持续一定时间 后将以泵的完全停止而结束，而后系统将恢复初始状态。 太原理工大学硕士学位论文 14 3 2 失控工况下系统的瞬变特性 3 2 1 上游压头瞬变特性 为便于对比，将带负荷启动和负荷停泵放在一起论述。 本实验所研究的动力装置中，泵的上游为一容性装置水 箱，故泵上游压头变化即为水箱水位变化，见图2 1 ，2 2 ，2 3 ，2 4 ，2 5 ，2 6 。显见，在两种失控工况下，虽然在失 控工况时段内水位基本维持在一平均值，但有相当高的振荡频 率，且相对振幅可达到6 7 ，它作为整套实验装置的上游初始 条件将直接影响泵的瞬变工况，进而影响泵下游管系的瞬变特 性。 因为本系统泵上游为一水箱，它作为一个容性装置，因有较 大的容积空间，可以调蓄流量和阻尼瞬变压头过高或过低的峰 值，使瞬变得以缓解和控制，因此上游水头振荡不是很明显，这 可以保护管道免于受到过分短周期的振荡而损害。但大多动力系 统的泵上游并不一定有容性装置，如果发生失控工况，其上游水 头的振幅将是可观的陆1 。由此可见在动力系统设计时，为了保证 系统安全运行，容性装置的设置是非常必要的。 1 i 1 0 5 i 0 9 5 0 g 0 5 5 0 5 0 4 5 0 4 0 3 5 0 2 0 1 5 0 1 o 0 5 0 0 24681 01 21 41 61 8 2 0 图2 1 - a 水箱卜t 图 ( l - 4 0 轧h o 2 5 0 啦带负荷启动) h h i i1 “k圳 洲嗍删喇忡 t ( s ) t ( s ) 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