（水利水电工程专业论文）榆中钢厂供水泵站水锤防护研究.pdf

摘要 在水泵输水系统中，泵站水锤现象( 亦称泵站水力过渡过程) 经常发生，产生泵站水锤的原 因很多，如工作人员操作失误、事故停机以及自然灾害等。停泵水锤的危害是巨大的。水锤事故 能造成管道破裂，设备损坏，大量漏水乃至断水；严重时造成泵站淹毁，人身伤亡等。大量事实 与事故表明：即使是先进的国家，也防【l 不了停泵水锤的发生。人类的努力就在于把它的危害和 损失减至最小。本文结合：r ：程实例，提出了采用多种防护措施相结合的思想进行计算机模拟计算， 其目的是减小水锤的危害，以保证泵站f 稗正常运行。 本文介绍了泵站水力过渡过程计算的基本原理及方法。结合泵站r 稗的实际，建立了同型号 水泵并联等边界条件下的水锤计算数学模型，用v b 语言编弓了可视化程序，利用计算机进行模拟 计算。结合甘肃省榆中钢厂供水泵站的实际，对事故停泵水锤分析计算，提出了事故停泵水锤防 护的具体措施。通过对各种边界条件及运行下况f 水锤模拟计算，得出了多功能水泵控制阀的最 优操作程序，对防止事故停泵时压力升高、机组倒转倒流效果明显；在泵出口附近管道抬高1 7 7 9 m 的地方设置容积l o m 的单向调压塔，可有效防i r 该断面负压的产生，防j e 水柱分离的发生：在管 道负压超过一5 m 的地方设置进排气补气阀，防i 管道局部凸起处产生水柱分离现象。 本文研究表明，对于长管道泵站，事故停泵的水锤防护要根据边界条件进行分析计算，并结 台管线布置，采取相应的防护措施，如多功能水泵控制阀或两阶段关闭阀、单向调压塔、进排气 补气阀等多种防护措施才能起到防护效果。文中还针对异径复杂管路的水锤计算问题进行了阐述， 最后提出了目前泵站水锤分析中有待进一步研究的问题。 本文的研究结果不仅得出了对榆中钢厂供水泵站运行管理有益的结论，而且对泵系统水锤理 论和防护方法也具有参考价值。 关键词：泵站、水锤、特征线法、单向调压塔、蝶阀、补气阀 a b s t r a c t i np u m p i n gw a t e rs u p p l ys y s t e mt h ew a t e rh a m m e r ( o r h y d r a u l i ct r a n s i e n t s ) t a k ep l a c ef r e q u e n t l y w a t e rh a m m e ri sc a u s e db ym a n yr e a s o n s ，f o re x a m p l e ，i n a d v e r t e n ts t o p p a g eo ft h ep u m pb yo p e r a t o r , p u m pf a i l u r e a n dd i s a s t e r , e t c t h eh a r m f u l n e s so f t h ew a t e rh a m m e rb ya na c c i d e n t a lp u m ps h u td o w n i st r e m e n d o u s w a t e rh a m m e ra c c i d e n tc a nc a u s et h ep i p e l i n et ob r e a k ，t h ee q u i p m e n tt ob ed a m a g e d ， l e a ka n de v e ng i v eu pw a t e ri nal a r g ea m o u n t ；c a u s et h ep u m ps t a t i o nt of l o o da n dd e s t r o ys o m e t i m e s ， l o s so fl i f e ，e t c al a r g en u m b e ro ff a c t sa n da c c i d e n t ss h o w ：a n ya d v a n c e dc o u n t r y , c a nn o ta l lp r e v e n t s t o p p i n gt h ee m e r g e n c eo ft h ep u m pw a t e rh a m m e rc o m p l e t e l y h u m a ne f f o r t sl i ei nr e d u c i n gi t sd a n g e r a n dl o s st om i n i m u m t h i sp a p e rc o m b i n e st h ep r o j e c ti n s t a n c e ，c a l c u l a t ec o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h o u g h t o fp u t t i n gf o r w a r dm a n yk i n d so fp r o t e c t i v em e a s u r e so fa d o p t i n ga n dc o m b i n i n gt o g e t h e r , i t sp u r p o s ei s t or e d u c et h ed a n g e ro f w a t e rh a m m e ra n ds oa st oe n s u r et h ep r o j e c tn o r m a lr u n n i n go f p u m ps t a t i o n ， t h i st e x ti n t r o d u c e dt h ep u m ps t a t i o nh y d r a u l i ct r a n s i t i o nc a l c u l a t i n gb a s i cp r i n c i p l ea n dm e t h o d s c o m b i n et h ep u m ps t a t i o ne n g i n e e r i n ga c t u a l i t y ，b u i l du pt h es a m em o d e lw a t e rp u m pm e r g eu n d e r e q u i l a t e r a lb o u n d a r yc o n d i t i o no ft h ew a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e l ，w r o t et h ev i s u a l p r o g r a mw i t ht h ev bl a n g u a g e ，m a k eu s eo ft h ec o m p u t e rt oc a r r yo ni m i t a t i n gt h ec a l c u l a t i o n c o m b i n e t h ea c t u a l i t yo fy u z h o n gs t e e lf a c t o r yp u m ps t a t i o nf o rs u p p l i c a t i o nw a t e r ，a n a l y s i sa n dc a l c u l a t e t h e w a t e rh a m m e ra c c i d e n t ，p u tf o r w a r dt h ec o n c r e t ep r o t e c t i v em e a s u r e so ft h ew a t e rh a m m e r a c c o r d i n gt o t h ei m i t a t i v ec a l c u l a t i o nt ov a r i o u sb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h er u n n i n gw o r kc o n d i t i o no ft h ew a t e r h a m m e r ，t h ep a p e rg e tt h es u p e r i o ro p e r a t i o np r o c e d u r eo f t h em u l t i - f u n c t i o nw a t e rp u m pc o n t r o lv a l v e ，i t c a np r e v e n tt h ep u m ps t a t i o nf r o mg o i n gu pa n dt h em a c h i n ef r o mt u r n i n gi nr e v e r s eo b v i o u s l y p l a c et h e o n e w a yp r e s s u r e r e g u l a t i o nt o w e rn e a r b yt h ee x i to f t h ep u m ps t a t i o nw h e r et h ep i p e l i n er i s eu o1 7 7 9 m e t e rs u d d e n l y ，t h em e a s u r ec a np r e v e n tm i n u sp r e s s u r ea n dw a t e rc o l u m ns e p a r a t i o ns e t t i n gt h e e n t e r e x h a u s tv a l v ea tt h ep o s i t i o nw h e r et h em i n u sp r e s s u r ee x c e e d 一5m e t e rc a np r e v e n tt h ew a t e r c o l u m nf r o ms e p a r a t i n gi nt h ep a r tp r o t r u s i o n so f t h ep i p e l i n e t h i st e x tr e s e a r c he x p r e s st h a tf o rl o n gp i p i n gp u m ps t a t i o n ，t h ea c c i d e n tw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o n o ft h ep u m pt ow a n tt oc a r r yo na n a l y s i sc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt ot h eb o u n d a r yc o n d i t i o n ，a n dc o m b i n e t h ep i p e l i n et oa r r a n g e ，a d o p t i n gt h eh o m o l o g o u sp r o t e c t i o nm e a s u r e ，f o re x a m p l e ，m u l t i f u n c t i o nw a t e r p u m pc o n t r o lv a l v eo rt w os t a g e sc l o s ev a l v e ，o n e - w a yp r e s s u r er e g u l a t i o nt o w e ra n de n t e r 。e x h a u s tv a l v e e t c v a r i o u sp r o t e c t i o nm e a s u r et h e nc a nr i s et h ep r o t e c t i o nr e s u l ta l s oc a r r i e do ne l a b o r a t i n gt ot h e w a t e rh a m m e ro ft h ed i f f e r e n tp a t hc o m p l i c a t i o n sp i p e l i n ec a l c u l a t i o np r o b l e mi nt h et e x t ，p u tf o r w a r dt h e p r o b l e mr e m a i n i n gt os t u d yf u r t h e ra tp r e s e n ti nt h ew a t e rh a m m e ro fp u m ps t a t i o ni sa n a l y z e df i n a l l yi n t h ea r t i c l e r e s u l to f s t u d yo f t h i sp a p e ri si ts u p p l yw a t e rt oy u z h o n gs t e e lf a c t o r yp u m ps t a t i o nr u na n dm a n a g e t h eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o nt od r a wn o tm e r e l y ，a n di sw o r t hc o n s u l t i n gt ot h ew a t e rh a m m e rt h e o r yo ft h e p u m ps y s t e ma n dm e t h o do fp r o t e c t i n g k e y w o r d s ：p u m ps t a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i cm e t h o d ，o n e - w a yp r e s s u r e r e g u l a t i o nt o w e r , b u t t e r f l y v a l v e ， e n t e r - e x h a u s tv a l v e 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，也不包含为获缮宁夏大学或其它教育机构的学 位或证书面使用过的材料。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。 研究生躲彳马泳葺 帆加5 年5 月，d 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：冯试& 尊 时间：2 印r 年r 月p 日 导师签名 时间：三扩年厂月上曰 第一章综述 1 1 泵站水锤概述 1 1 1 水锤产生的原因 第一章综述 在压力管流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。这时，液体显示出它的惯性和可压缩性。 水锤也称水击，或称流体( 水力) 瞬变( 暂态) 过程，它是流体的一种非恒定流动，即液体 运动中所有空间点处的一切运动要素( 流速、加速度等) 不仅随空间位置而变而且随时间而变 叭。 按照水锤成因的外部条件，泵站水锤一般可分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种。启动 水锤一般发生于空管条件下启动水泵机组，由于水泵启动过程中扬程、转速、流量等都随时变化， 会引起管道中流速的急剧变化，从而产生水锤。特别是当管道中的空气不能及时排出时，管道中 压力会发生剧烈变化。 关阀水锤是由于关闭阀门所引起的水锤现象。通常按正常操作程序关闭闸阀是不会引起很大 的水锤压力变化的，但是如果违反操作程序或管道突然被堵塞等，管道中将发生不同程度的水锤。 停泵水锤是指正常运行的水泵机组突然失去动力所引起的水锤现象。水泵机组失去动力的原 因有很多种，如运行人员误操作、电网突然事故停电以及自然灾害等。泵站不同，水锤成因不同， 水锤的危害程度也将不同。 1 1 2 水锤危害 泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的，其中以地形复杂、高差起伏较大的我国话北、西 南地区，尤为突出。泵站水锤一旦发生，轻则水泵机组产生振动和水力撞击噪声；重则水泵机组 震坏，管道锤裂造成停水事故。在农田灌溉泵站中，常因扬程高、流量及功率较大，故其水锤危 害及影响毫不亚于给水工程系统，人们还特别将泵站水锤危害列为泵站三害( 即水锤、泥沙、噪 声) 之首。因此，泵站水锤对泵站工程的正常运行影响很大，不少泵站也因水锤而遭受了严重的 破坏。1 9 8 3 年北京某水厂由于维修上的疏忽，阀瓣突然脱落，堵截了阀体的收缩出口，从而在该 处产生_ 巨大的水锤。巨大的水柱连同炸成碎片的盖子冲向2 0 多米高的厂房屋顶，半小时内就 有1 0 台水泵的厂房被淹，致使当天北京西区停水达1 0 小时之久，对生产和生活造成了很大的影 响和损失。1 9 8 5 年1 1 月发生在美国加利福尼亚州圣俄罗费尔核电厂1 。机组的巨大水锤危害，使 核电厂被迫停堆“1 。 在农业供永泵站中，水锤事故也屡有发生。山西某抽水站，在一次事故停泵中，水锤升压将逆 止阀盖打碎，造成人身事故，并淹没泵房。 宁夏大学硕士学位论文 宁夏中卫县某泵站，在一次事故停泵中，由于水倒流，产生水锤升压将机座底脚螺栓剪断，泵 轴发生扭曲。类似的事故全国各地均有不同程度的发生，其后果是设备破坏，供水中断，乃至烧毁 电机，淹没泵房，造成人员伤亡。1 。 1 2 水锤研究的意义以及水锤的防护措施 在城市及工业供水系统中，当输水管线较长时，管道往往须跨越公路、冲沟，形成若干局部 突起，在管道中间往往还设有增压泵或供流量调节转换的阀门，使得系统比较复杂。由于这种管 道系统中管道阻力损失占水泵总扬程的比例较大，属长管道高摩阻系统，在水锤发生的过程中， 管道中凸起管段的压力容易降至水的汽化压力；当这种压力降低持续一段时间后，管道中的水流 会因水的汽化和水中空气离析而形成汽泡空穴，使前后水柱断裂造成所谓的水柱分离”，而在水 锤压力升离时，被分离的水柱由于汽泡空穴的溃灭产生撞击，产生的压力陡然上升将形成很高的 水锤压力，导致管道破螺的水锤事故，通常称这种水锤为断流弗合水锤。遗憾豹是，虽然人们 知道断流再弥合水锤的危害比常见的传统水锤危害要严重得多，虽然人们对它的研究迄今已逾6 0 余年，但人们对它的认识，还是不全面和不透彻的，分歧仍相当大。至于在工程实际的应用方面， 人们所遇到的困难与麻烦，那就更多更瞻照了。 水锤现象的延续时闻虽然短暂，但它会造成严重的工程事故，如果在水锤过程水力过渡 过程中，在管路中发生水柱分离( 现在最新的说法称为大空腔现象) 和断流再弥合水锤，其破坏 力是十分严重的，将会给国家和人民的生命财产造成重大损失。因此，泵站水力过渡过程的分析 与计算，对泵站管道系统的设计，以及确保泵系统运行的安全等方面都有着重要的意义“j 。 正因为减小水锤危害对于降低管路造价和改善机组运行条件都有着很大的意义，因此必须对 停泵水锤采取必要的防护措施，并结台泵站的具体情况加以确定。 泵站水锤的防护措施归纳起来可分为以下几种： 1 2 1 防止降压措施 ( 1 ) 设置单囱水箱 单向调压水箱是为了防止管路内水柱中断而设置的朴水装置，因此它应设置在易于产生水柱 中断的拐点处。当管道中产生局部负压或水柱中断时，单向调压水箱的逆止阀被水体推开，向负 压和水柱中断处朴压，从而达到防止管道中降压过大或水柱中断，也就避免了中断后的水柱重新 弥舍时产生的较大压力上升。但是这种单向水箱只对管路中低于水籍水位的局部有效，所以当供 水管道较长，可能几处产生水柱中断时，应同时设嚣几个单向水箱，这时就有必要与其它防护措 施进行经济比较决定。 ( 2 ) 设置空气室 在紧接逆止阀出水侧的管路上，安装一钢制密闭圆筒，上部为压缩空气、下部存水和管路压 力水流相通。当管道中压力降低时，上部压缩空气把室中存水压入管路中，从而防止了降压过大； 当管路中增压时，水又进入室中将空气压缩，减缓了对邀止润辫的 中击，因而使升压降低。这种 设备适用于离扬程、小流量的泵站。 2 第一章 综述 ( 3 ) 设耀调压塔 满嚣塔又称调医室，楚一个其有鸯出隶嚣静承播，透过塔中流遴隶管或警邋中寒流进调攫罐 来缓和管路中的压力变化，从而选到反射水锤波以保管道中压力稳定。 ( 4 ) 设鬣祷气阀防护 补气阀是为防止管路由于产生负压和水柱分离在管路上安装的一种特殊阀门，当管路中产嫩 负毹，需要补气时，补气润自动打开，嚷入大量空气，从而防止了由负压g l 起的管路授坏。它与 调照室季空气室相比。具糍结构麓单，造价低、安装方便、不受地形条传限制等优点，困露在供 水工程上广泛应用。 1 2 2 防止升压措施 ( 1 ) 取消逆止阀 若取消逆止阀，当事故停泵时，由于管路中的水流可以经过水泵倒流泄水，从而大大地降低 其水锤增压值。这种措施不需装任何其它的水锤防护设备。但要根据水力过渡过程分析计算，判 断是否可采用这种办法。 ( 2 ) 安装安全膜片 在出水管路支管端安装安全膜片，将支管口封闭，当管路压力超过允许的极限压力时，膜 片破坏使压力降低。这种措施只能当作后备措施，当主要措施失灵时采用。 ( 3 ) 装设水锤消除器 水锤消除器是一个具有一定泄水能力的安全阀，它装在逆止阎的出水侧。当停泵后管中形成 降压或升压水锤波时，阀门打开，将管中一部分高压水泄走。从而达到减弱增压，保护管路的目 的。 ( 4 ) 安装缓闭阀 缓闭阀就是当事故停泵时，通过相应的传动机构，让逆止阀或其它阀门按预定的程序和时间 自动关闭。这样，既减弱了正压水锤，又可限制倒泄流量和倒转转速，是种较好的水锤防护措 施。 1 2 3 规划设计泵站时对水锤的防护 管路设计时，应尽量平直，避免急转弯凸部等，以防止在管线中出现真空和水柱分离现象。 综上所述，对于泵站水力过渡过程的计算逐渐趋于采用电子计算机的数值解法，对于高扬程、 大流量、长管路的泵站，水力过渡过程的防护多采用缓闭蝶阀，同时可以结合进排气补气阀和单 向调压塔等防护措施；对于中小型泵站一般取消逆止阀，无阀防护，事故停泵水泵倒转、倒流， 可以减小水锤压力，无需安装任何其它的防护措施( 要通过计算看机组倒转是否在允许范围之 内) 。 1 2 4 其他方法 例如选取转动惯量大的水泵机组或增装惯性飞轮、在较长的输水管路中增设止回阀等等。 宁夏大学硕士学位论文 对于一个泵站采用哪种防护措施，要根据具体情况进行水力过渡过程的分析计算来确定。 1 3 水锤研究的历史概况 水力过渡过程研究具有很长的历史。晟早是从探讨声波在空气中传播和波在水中的传播，以 及血液在脉动中流动开始的。但是，宣到弹性理论、徽积分学以及解偏微分方程的方法建立娃翦， 这些问题都未能精确地获得解决”。 牛顿( n e w t o n ) 和拉格朗习( 1 a g r a n g e ) 对声波在空气中的波速作了理论分析及试验测试。牛顿用 水在u 形管中的振荡与摆对比，推导出了一个不正确的渠道中的水波波速公式v = z 詹，拉格 朗日则推导出了明渠中波速的正确公式。欧拉( e u l e r ) 建立了更为详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。 最早提出弹性水击理论的作者是曼拉华( m e n a b r e a ) ，他在1 9 5 8 年发表了有关水击的笔记， 曼拉华利用能夔分析法，说明水毒的基本理论，以此奠定了弹性水击的理论基础。1 9 8 7 年；儒 可夫斯基在葜斯科用如下尺寸( 分别表示管长和直径) 的水管做了很多的实验： 7 6 2 0 m ，5 0 m m ；3 0 5 m , 1 0 1 5 r a m ；3 0 5 m , 1 5 2 5 m m 。根据实验和理论研究，他发表了关于水击基本 理论的经典报告，提出了同时考虑水流和管壁弹性的波速公式。他又萃f f 用能量守恒和连续条件褥 出了速度减小与之引起的压力升高的关系，还讨论了压力波沿管道的传播和来自支管开敞端的反 射。链还研究了空气室、调压塔及弹簧安全溷对水击压力的影响，并讨论了阀门关翔速度变他对 水击压力的影响，同时发现在关阀时间t 小于等于2 l a ( 其中l 为管子长度，口为波速) ，压力 舞高达到最大值“1 。 同一时期，美国、俄国和意大稠的学者分镕发表了比较系统的水锤理论的著作，1 8 9 8 年，美国 工程f 币弗里泽尔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t 并且指如如果管壁弹 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闻题。 国内在水力过渡过程方面的研究起步较晚。6 0 年代，王守仁和龙期泰等人做了大量试验，对 后期农锤计算和防护奠定了基础。特别是对下开式水锤消除器的研究。1 ，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 年代扔期，随着( f l u i dt r a n s i e n t s ) o 。和( ( a p p l i e dh y d r a u l i ct r a n s i e n t s 1 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。划竹溪等人将计算机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的全面特性曲线的研究。刘光临等人将特征线法应用于工程实 际，通过研究对两输段关闭蝶阀在事故停泵时的关闭过程进行了优化等8 2 ”“。金锥等人在求牲 分离方面进行了多年研究，建立了水柱分离的计算模型。栾鸿儒等人在泵站水锤的试验和计算方 丽傲了大量的工作，发表的论文在具体工程中起到了指导作用“5 “。 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 d 第一章综述 开一次国际压力涌波会议，总结和交流这方面的研究工作。我国从第四届( 1 9 8 3 年) 开始有学者 参羹鬟该蓬酥会议，清华大学在第纛藩( 1 9 8 6 年) 学术会谈主发袭了秀鬻论文，承秘承电工程系王 树人教授和工程力学系王学芳教授等将水电站调压塔的防水锤研究及旋扁式止回阀水锤性能研 究袋栗公寄予整，g | 起了瓣内势豹高度耋税。溥翠大学攀先开袋了诲多方蟊静管霹隶镳分折，宠 成了许多工程研究项目。 蟊蓊对泵站永力过渡过程研究，采蠲豹主要方法是试验和计算祝分析计算n 1 4 水锤问题的研究现状 现在，国内外普遍将泵站管路系统中所发生的多种多样的水锤现象，一律称为“泵站管道系 统水力过渡过程”，这一名词不仅覆盖了所有泵站水锤现象，而且科学地概括了在泵站管路系统 中，从某一稳定状态过渡到另一稳定状态的过程中所发生的非稳定的一切。由于水锤危害给国家 和人民造成了极大的损失，因此水锤问题的研究有了比较长的历史。特别是6 0 年代以后，随着 高速电子计算机和现代动态测量技术的发展，开辟了过渡过程研究的新纪元。由于应用电子计算 机进行模拟计算和试验中采用了计算机进行数据采集和处理，使研究复杂的过渡过程成为可能， 关于过渡过程研究的方法、模型和计算成果的论文越来越多，例如“利用特征线法以电子计算 机进行水击压力的计算”、“水轮机尾水系统的反水击”、“利用数字电子计算机进行水击与调 压井波动的联合解”等，有的形成了专著，过渡过程的计算分析和试验研究都取得了一定的成果。 国内的一些高等院校、水电勘测设计研究院，都建立了水击和调压室波动的实验室，并结合生产 实践，进行了大量的试验与调查研究工作1 。 。 尽管近年来水锤问题的研究取得了很大的进步，但对于长管道中易于产生的断流再弥合水锤 问题，由于其在发生机理上与传统的关阀水锤和停泵水锤有所区别，而且其发生地点也难于事先 断定，因此，设置于管线首端用以防止传统停泵水锤危害的技术措施和设备( 如各种停泵水锤消 除器、各种形式的阀门控制技术等) 均收效甚微，甚至无效或收反效。而且对于在一条管线上( 同 时) 发生两处以上的水柱分离与断流再弥合水锤危害的综合防护问题，在国内外公开发表的论文 与研究报告就很少。 纵观近几十年来国际上有关空穴流与水柱分离问题的研究情况，“概念与定义不统一，各家 之间具体主攻对象不确定且与工程项目挂钩不紧，试验研究目的、设备条件与结论彼此问差异大、 互容性小”以及全球范围内交流、研讨少等原因，可能是影响本学科领域发展提高的主要因素。 目前，国内针对长管道断流弥合水锤的防护问题，通常采用多种防护措施综合防护，其中最 常用的方法是采用单向调压塔进行补水调压，研究证明单向调压塔能对断流弥合水锤起到比较有 效的防护作用。近期发表的论文有：“泵出口附近设单向调压塔水锤防护计算”、“采用单向调压 塔防止长输水管道水柱分离的研究”等。 1 5 有压管道瞬变流( 水锤) 的分析方法 管道有压流水力瞬变引起人们的重视要追溯到十九世纪初，许多科研工作者在这方面作了大 宁夏大学硕士学位论文 量有益的实验研究和理论分析工作。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 b r e a ) ，他在1 8 5 0 年所发表的文章中，导出了波速公式。同一时期，美国、俄国和意大利 的学者对压力管道的水锤进行了系统的研究并发表了有关水锤理论的著作。1 8 9 8 年，美国工程 师弗里泽尔( f r i z e l l ) 发表了论文“管道中流速变化所产生的水锤压力”，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，文中还讨论了波在分叉管中的传播等问题。俄国空气动 力学家儒科夫斯基( n i c o l a ij o u k o v s k y ) 1 8 9 7 年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，于1 8 9 8 年发表了题为“管道中的水锤”的论文，文中导出了速度 减小与压力升高之间的关系式，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 出关闭时间t ，1illj、， 一 、lil厂11j 宁夏大学硕士学位论文 ( 2 ) 计算方程中的常数项； ( 3 ) 由设定初值确定，护p ) ：a r c t g ! 生求各泵扬程和转矩直线方程中的常数项 u p ( 4 ) 将设定瞬态值代入式( 2 3 4 ) 、( 2 3 5 ) 、( 2 3 9 ) 、( 2 4 0 ) ，求得甄、f 2 、e 、只以及 式( 2 4 1 ) 中的备系数项善生、善生、善生、善生等等； 0 0 f e l0 a p 2o u p io u p 2 ( 5 ) 由式( 2 4 1 ) 采用高斯列主元素消去法求各d 绵l 、d 口p 2 、d up 1 、d u p 2 增量； ( 6 ) 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，转向第3 步开始重新迭代计算，直到p 口，。l s ，i d c c 。 s ，j d o ，。l s ，j d u 。j 占 ( 为允许的计算误差) ，这时所求的a p l 、口p 2 、坼l 、9 p 2 即为满足一定要求的精确 解； ( 7 ) 求出1 2 p 1 、1 2 p 2 、up 1 、u p 2 之后，即| j 丁求出其对应时段末泵出口断面的流量和压力a 2 4 2 水泵并联运行其中一台事故断电停泵 水泵并联运行其中台事故断电停泵的水锤压力变化过程，可采用与前面相似的方法进行求 解。这里注意的是，继续工作泵由于仍以恒定转速运行，因此其转速仍为额定转速瑾= 1 0 ，此水 泵只有水头平衡方程而无惯性方程，下面以1 4 泵事故停泵，2 4 泵继续工作，水泵端的边界条件方 程由式( 2 3 4 ) 、( 2 3 5 ) 的水头平衡方程和l 。泵的惯性方程式( 2 3 0 ) 组成，且式( 2 3 5 ) 中的 口，：为常数，即为初始转速。因此，三个方程包括三个未知量口p 1 、坼i 、d 。，其牛顿莱福笙 迭代差分方程如下： a f 0 “p l a f ， d 口p i a f ， d 口p i a f ， du p 1 0 f 、 dup l 疗f ， dup 1 0 f 0 ) p 2 a f dup 2 a f ， dup 2 d a p l d u p l d u p 2 - e e e ( 2 - 4 6 ) 式( 2 4 6 ) 中包含有三个未知量d “p ，、d u p l 、d o p 2 ，可采用如前所述相类似的方法进行求 解。先设定d p 。、u p l 、u p 2 的初始值，然后由式( 2 4 6 ) 求其增量d 嘶。、d u p f 、d u p 2 ，再将设 第二章泉站水锤研究的基本原理和实用计算方法 定值与相应的瞬态增量相加作为新的设定傻，直到增量d 货。、d o 。、d u ，：均小于允许谡差为止。 隶密d a ，、d u p ，、d 移p ，之嚣，帮可求出辩痖靖较束泵窭蠢断藩熊流量帮压力。 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，如缓闭阀镣) 的特性也柏 同，在这释情况下，所有耐型号并联泵静事故停聚水力过渡过程计算，搿堵一台泵来横拟计算， 只要把单泵的额定流量乘以相同型号泵并联的台数即可。 对于不同型号水泵并联无阀时的水力过渡过程计算，仍采用上述方法，但公式( 2 - 2 9 ) 中秃 盘譬矮；露予霹型学水泵若联无嗣踺只秽蜀舍= 为一，墨靼只台二戈一e 2 5 下游边界条件 本论文研究的有压管道提水工程的泵站下游为出水池，出水池入1 ：3 的水头损失为 则 肌掣 h p n = _ ( 1 峋去 式中：一一出水入口局部阻力系数； 爿第断面的管道断面积( m 2 ) q 。第 断面的流量( m 3 s ) ； h 。第n 断面的水头( m ) ： h 。出水池水头( m ) 。 2 6 两阶段关闭蝶阀的水锤防护 在水泵出口处安装缓闭阀是水锤防护的较好方法。缓闭阀的类型较多，如两阶段关闭的缓 闭蝶阀、缓闭逆止阀、水压阀等。但是，在水锤计算时，其边界方程的建立以及计算方法基本上 都是相同的。 2 61 两阶段关阀防护水锤的原理 两阶段关阀之所以可以有效地控制事故停泵水锤，与停泵水锤中水泵处瞬变流特性密切相 关。停泵后管道中的水流先由正向流动逐渐减小到零流速，然后再在重力作j j 下开始倒流。停泵 2 1 宁夏大学颐十学位论文 后水泵处在惯性水泵工况时，即在到达零流速之前，两阶段关闭蝶阔在快关阶段迅速关闭至某一 角度，造成很人的局部阻力，而当水流在重力作用下开始倒流时，由于蝶阀已关闭行程的大部分， 但尚未全部关闭，因此，部分水倒流，从而使升压减小，然后再以缓慢的速度关闭剩余的行程。 由于压力的升高与流速的变化成正比，慢关过程导致流速变化的增量减小，从而把出水管道的压 力升高限制在允许的范围之内“。如两者的配合与水流的过渡状态非常协调，可达到控制水锤升 压，控制或防j e 水泵倒转的目的，从而起到有效的防护效果。 2 62 两阶段关闭蝶阀特r 陛参数的选取与确定 对于泵出口装有两阶段关闭蝶阀的泵站，事故停泵时，阀门的快关角度，快关时间，慢关角 度和慢关时间，必须根据系统中泵和管路的特性参数，通过水力过渡过程计算确定。 采用事故停泵的水锤特征线法，并引入两阶段关闭蝶阈的特性边界条件，可计算确定两阶段 关 j j 蝶阀的最优操作程序。 水锤特征线法与泵端边界条件方程前边已经论述过了。两阶段关闭蝶阀的特性可田下述方法 确定。 2 6 2 1 任意时刻阀门的关闭角度妒 设蝶蒯快关时间为正，快关角度为仍，慢关时间为疋，慢关角度为妒：，则任意瞬时丁的 关闭角度可由以下方法求得： 謦i rr z + 妒2 正t 五十疋 ( 24 7 ) 第二章泵站水锤研究的基本原理和实用计算方法 捌 坦 千 仍土 c p 2 t | 卜砷一时问“t2 图2 - 5 角度与关闭时间的示意图 当缓闭蝶阀关闭后，即妒= 纸+ 妒2 ，水泵流量q ，( 或雌) = o f f f f o = a r c t g ( a u 。) = g 。或 0 ：2 7 0 。，计算中根据水泵相对转速口p 来判断口是9 0 。或2 7 0 。若蝶阀关闭，0 5 p o ，则口= 9 0 。，可 由全特性曲线查出口= 9 0 。所对应的去的值y ；若口p o ，则目= 2 7 0 。，可由全特性曲线查出 口；+ d ； 0 = 2 7 0 。所对应的上的值y 。 口；+ u p 2 缓闭蝶阀关闭后的口，和卢p 值可由下面两式解出，即 口，= 盘+ c 6 ( 卢p + 卢) 联立阻上两式可解得 ! 二正翌至至巫 2 y c 6 再由式( 2 - 4 8 ) 可以解得，值。 ( 2 - - 4 9 ) y = 绋一一睇若 宁夏九学硕士学位论文 2 6 22 阀门阻力系数f 阀门的阻力系数根据试验测定f ，= ) ，由于其关系很难用数学关系式表达，在计算中根 据试验测定的阀门阻力系数与阀门关闭角度的关系曲线以数表方式输入。任意瞬时的关闭角度 妒，其阻力系数值可由相邻点的已知数据采用分段二次插值法求得“。 在关闭角度o ”9 0 。范围内，根据试验测定的妒f 。的关系曲线。给出基分点( 节点) 函数值 f m ( k = - o ，1 ，2 ，n ) ，将该值以数表形式输入计算机。对于任意一个子区间 吼- l ，仇，妒 ( 对 应三个节点仇m 吼，依“) 可构造二次插值多项式： 啪，= 熬：照。嚣删娜一， 锄 对不同的关闭角度可求出相应的阻力系数厶。 在计算时，当插值点妒给定后，为使误差尽可能减小，需要选择p 最接近的三个点 仇- l 吼，+ l 。即选定下标t 值。女值可按下式选定： r1 当妒仍 尼= i l 当妒i 1 妒。一l 2 6 2 3 瞬态过阀水头损失 其中 任意瞬时过阀水头损失可以由下式计算 q 矿厶丢钉戚i i 乇善吒：咖。叫 ( 2 - 5 3 ) 、liij 第二章泵站水锤研究的基本原理和实用计算方法 q 2 盖 g z2 菱 式中： z h 川、d h 肌一一分别为1 ”、2 4 泵出口缓闭蝶阀瞬态过阀水头损失 f 。、f 。分别为1 “、2 ”泵出口缓闭蝶阀瞬态过阀阻力系数 a l 、a 2 分别为1 4 、2 4 泵出口缓闭蝶阀出口断面积。 ( 2 5 4 ) 在阀门的调节范围内，快关角度、快关时间、慢关角度、慢关时间可有多种组合。根据两阶 段关闭蝶阀的特性。建立了安装两阶段缓闭蝶阀，不同型号水泵并联水力过渡过程计算的数学模 型。利用电子计算机求解，对不同的泵站可求得蝶阀的最优操作程序，从而使两阶段关闭蝶阀在 事故停泵的水力过渡过程中按照最优的关闭时间和关闭角度关闭。以达到泵站安全经济运行的目 的。 2 7 不同管路串联的水锤计算 在工程实际中，管路系统往往是由多条不同直径、壁厚和不同材料的管路串联或分支连接，由 于串联和分叉管的增多，使水锤的计算也相应复杂化。对不同管路串联的水锤计算问题，可采用当 量管段法或在节点处分开进行计算。 27 1 不同管路串联的水锤计算 对于简单的单波速单条管路系统，只要将管路均匀分段即可。但是，在工程实际中，管道往往 比较复杂。对于长距离管路，由于各段面工作压力不同，考虑到工程的经济性，管壁厚度和管材以 及管径将随着各段面压力的变化而变化，这样使得液体在变化过程中其压力波传播速度不断变化 t 2 7 在计算这种复杂管路的水锤时，对管路的分段是一个需要解决的主要问题。虽然使用平均波 速分段法比较简单，但误差较大，在实际可采用以下方法来处理。 ( i ) 调整波速法和当量管段法相结合 由于采用的是规定时间网格法，所以对所有管路，必须使用相等的时间步长4 r ，即使每条管 路的一f 都满足下式： 小：兰l ( 25 5 ) a i n i 、l厂 但月，必须为整数，因此必须调整每条管路的分段数和a t ，使每条管路的分段数日为整数。其 工作量相当大，而且对于复杂管路要使”为整数基本上不可能实现。 ( 2 ) 调整波速法 由于影响波速的因素很多，理论计算值往往和实际值有一定偏差，因而稍微调整波速值使n 为 整数，并同时又能满足式( 2 一s 5 ) 是可行的。在调整波速过程中，将式( 2 5 5 ) 改写成下式即 n ：生(2-56) 。 口。( 1 纯) a t 式中 识波速允许误差系数，一般应使识o 1 。 调整波速法可以从一条短管开始初选小，继而选取适宜的妒，值而逐步进行调整，达到每条管 路均满足式( 2 5 5 ) 的目的。 ( 3 ) 当量管段法 对于复杂的串联管路系统，如果把每个管段都作为条管路处理，则计算中分段将是一个很难 解决的问题。针对此种问题，可将串联管路分成若干个长度不等的计算管段，而每一计算管段均用 “当量”管段代替。“当量”管段满足时间步长相等的条件，并使波速沿其传播的时间与实际管路 中传播的时间相等，各计算管段均可采用“当量”管的平均特性参数进行计算。 假定有m 条特性不同的管路串联，将其分成n 段，则有： 仁a ) n 式中：ra 。分别为串联管路的长度及其波速值。 ( 2 5 7 ) 假定第i 管段中有k 种不同特性的管路。当f 确定后，可确定各计算管段的睦度麟，和各当 量管中各特性管长度k ，即： 扯等= ( 姚) 蝇= 厶 当量管的波速和当量管的箨参数分别计算如下 珥= 硝，z ( l k l a ；) 互= 脯，侄( 三。t a 。) 琶。j = 画j 面j ( 2