（水利水电工程专业论文）贯流式泵站起动过渡过程水力特性研究.pdf

杨晓春：贯流式泵站起动过渡过科水力特性研究 摘要 随着工农业生产的发展以及人们生活水平的提高，对水利设施的需求日益增 多，泵站建设得到了大量的发展，国内国外已建和将建的大型泵站越来越多。泵 站类型有多种，其中贯流式泵站具有低扬程、大流量特点，其水流进出流态好， 泵机组装置效率比较高，综合性能比较优。目前，随着贯流泵技术的发展，设备 制造费大幅下降，轴系稳定性和检修维护方便性也大大提高。由此，贯流式泵站 得到广泛应用，其中，南水北调东线工程中，江苏段拟新建的1 4 座泵站中规划有 7 座贯流式泵站。由于贯流泵站自身特点，在起动过渡过程中常常因各种不利因素， 造成起动困难，从而影响泵系统可靠性。 本文重点针对贯流泵站起动过渡过程特性，研究过渡过程中各种参数的变化 及其影响因素。由于贯流泵站出水流道短且直，出口一般设快速闸门，在起动过 程中，泵扬程增加速率较快，使水泵水力矩在起动后的短时内出现较大值，容易 引起电机超载甚至造成起动失败。对贯流泵起动过渡过程研究目的是为了建立起 动过渡过程中各参数的关系及其变化规律，找出过渡过程的主要影响因素，寻求 合理的控制方式，采取有效措施以提高机组运行的安全可靠性，充分发挥泵站功 能。通过对贯流泵起动过渡过程的研究，改善起动过程特性，提高起动过程可靠 性，将有利于贯流式泵站的进一步发展和应用，对贯流泵站建设及运行管理有一 定的指导意义和应用价值。 本文全面分析了贯流泵站过渡过程中经历的各主要工况及所涉及的主要工况 参数，并结合起动过程中电动机特性及水泵特性建立过渡过程的力矩平衡方程。 贯流泵站起动过渡过程是一个复杂的不稳定过程，其特性受各种因素的影响，本 文主要针对闸门开启速度、延时开闸时间、胸墙顶部高程以及叶轮安放角对起动 过程影响，进行研究分析。文中以胸墙内侧水位分别达到闸门开启时水位、上游 水位、胸墙顶高程、胸墙内侧最高水位为临界点，将起动过渡过程分为多个阶段， 扬州人学硕士学位论文 分析各阶段中各种参数之间的关系及其影响因素，以电机起动特性及水泵特性为 已知条件，应用流体力学原理建立贯流泵站起动过程动态数学模型，并以淮安三 站为例，进行数值计算。计算结果显示，在贯流泵站起动过程中，闸门开启延时 时间以及闸门开启速度对起动过渡过程均有明显影响。适当加快闸门开启速度和 加长延时闸门开启时间可改善起动特性，对起动过程有利；对可调节贯流泵，还 可以通过减小叶轮安放角来减小起动力矩；胸墙的高度对起动过渡过程也有一定 的影响，在满足上游最高运行水位条件下，适当降低胸墙高度可改善起动特性。 关键词：贯流式泵站；起动特性；水头平衡；过渡过程；数值计算 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过程水力特性研究 i i i a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dt h ei m p r o v i n go f p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s ，t h e r ea r em o r ed e m a n d i n gf o rw a t e rc o n s e r v a n c yf a c i l i t i e s ，i n t h i sp r o c e s s ，m o r ea n dm o r el a r g ep u m p i n gs t a t i o nh a v eb e i n go rw i l lb eb u i l t i n d o m e s t i ca n da b r o a d t h e r ea r em a n yt y p e so fp u m p i n gs t a t i o n s ，a c c o r d i n gt op u m p t ) r p c t u b u l a rp u m p i n gs t a t i o ni st h ep u m p i n gs t a t i o n , w h i c hi si n s t a l l e d 诵t 1 1t u b u l a r p u m pt od e v e l o pl o w - h e a dw a t e rr e s o u r c e s t h ef e a t u r ei sl o wh e a d ，l a r g ef l o w , t h e p u m pu n i ti n s t a l l a t i o n si sm o r ee f f i c i e n t ；t h ec o m p a r i s o no fo v e r a l lp e r f o r m a n c ea n d i n t e g r a t e di n v e s t m e n to ft h i sp u m p i n gs t a t i o ni sp r i o r i t i e s a tp r e s e n t , 、 ，i 也t h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo ft h el a r g ea n dm e d i u mt u b u l a rt u r b i n ea n dt u b u l a rp u m p ， t h ee q u i p m e n tc o s t si sd e c l i n e da n dt h es h a f ts t a b i l i t ya n de a s eo fm a i n t e n a n c ei sm o r e i m p r o v e d ，s ot h et u b u l a rp u m p i n gs t a t i o nh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ep l a i na r e a s i n t h el a r g e s tw a t e rd i v e r s i o np r o j e c to ft h ec e n t u r y n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，i ti s p l a n n e dt ob u i l d7t u b u l a rp u m p i n gs t a t i o n so ft h e 14p u m p i n gs t a t i o ni nj i a n g s u p r o v i n c e i nt h es t a b l ec o n d i t i o n , t u b u l a rp u m pg e n e r a l l yw o r k w e l l ，b u ta tt h es t a r t i n g u pa n dt h es t o p p i n gp r o c e s s ，t h ew a t e r m e c h a n i c a lt r a n s i e n t sw o u l do f t e nw o r ki n a d v e r s ec o n d i t i o n s ，t h e r e b yi tw i l la f f e c tt h es e c u r i t ya n dr e l i a b l eo p e r a t i o no ft h ep u m p s y s t e m b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft u b u l a rp u m p i n gs t a t i o n , i ti so f t e nd i f f i c u l tt o s t a r tt oa f f e c tt h er e l i a b i l i t yo ft h ep u m ps y s t e ma sar e s u l to fv a r i o u su n f a v o r a b l e f a c t o r s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et r a n s i t i o np r o c e s so ft h et u b u l a rp u m ps t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h ev a r i o u sp a r a m e t e r s a st h et u b u l a rt u r b u l e n c ei ss h o r ta n ds t r a i g h t ， t h e r ei so f t e ni n s t a l l e df a s tg a t ei nt h e e x p o r t i nt h et r a n s i t i o np r o c e s s t h el l e a d i n c r e a s e ss of a s to ft h es p e e do ft h eg a t et h a ti tw i l ll e a dt om o t o ro v e r l o a d t h ep u r p o s e o ft h i sr e s e a r c hi st oe s t a b l i s hat r a n s i t i o np r o c e s sm o d e lb e t w e e nv a r i o u sp a r a m e t e r s i v 扬州人学硕+ 学位论文 a n dt h e i rv a r i a t i o n ，t h e nt ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f p l a n to p e r a t i o n b yt h er e s e a r c ho ft h i sp r o c e s s ，i tw i l l i m p r o v e t h e s t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e l i a b i l i t y i ti sv a l u a b l et of a c i l i t a t et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f t u b u l a rp u m p i n g t h i sa r t i c l e a n a l y s i s a l l m a j o rc o n d i t i o n se x p e r i e n c e db yt h et u b u l a rp u m p t r a n s i t i o np r o c e s sa n dt h em a i nw o r k i n gp a r a m e t e r si n v o l v e d ，t h e nc o m b i n i n gt h e s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm o t o r sa n dp u m p sf e a t u r et oe s t a b l i s ht h et r a n s i t i o n a lp r o c e s s o ft h et o r q u eb a l a n c ee q u a t i o n i ti sa c o m p l e xu n s t a b l ep r o c e s so ft h et u b u l a rp u m p s t a r tt r a n s i t i o n , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa r es u b j e c tt ov a r i o u sf a c t o r s i nt h i sp a p e r , i ta n a l y z e s t h ei n f l u e n c eo ft h es p e e df o rt h eo p e n i n gg a t ea n dt h ed e l a y i n gt i m eo fg a t e sa n d p a r a p e th e i g h ta n dt h ea n g l e so f t h ei m p e l l e rb l a d e t h ep r o c e s si sd i v i d e di n t os e v e r a l s t a g e sb yt h ec h a n g eo ft h ep a r a p e tl e v e ld u et ot h eo p e n i n gt i m eo ft h eg a t e ，t h e u p s t r e a mw a t e rl e v e l ，p a r a p e tr o o fe l e v a t i o n , t h eh i g h e s tw a t e rl e v e li n s i d et h ep a r a p e t a st h ec r i t i c a lp o i n t , t h e na n a l y s i st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i o u sp a r a m e t e r sa n dt h e i m p a c to ff a c t o r s t r e a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o ra n dp u m pc h a r a c t e r i s t i c sa s k n o w nf a c t o r , t h e ne s t a b l i s hd y n a m i cm o d e lb yp r i n c i p l e so ff l u i d ，t a k eh u a i a nn o 3 s t a t i o na sa ne x a m p l et oc a l c u l a t e t h er e s u l t ss h o wt h a t ，i nt h et u b u l a rp u m ps t a r tt h e p r o c e s s ，t h ed e l a yt i m eo fo p e n i n gg a t ea n dt h es p e e do ft h es t a r t i n gg a t ea r es i g n i f i c a n t i n f l u e n c et h et r a n s i t i o np r o c e s s i ti sp r o p i t i o u st ot h et r a n s i t i o np r o c e s sb yd e l a y i n gt h e s t a r t i n gt i m eo fo p e n i n gg a t ea n ds p e e d i n gu pt h es p e e do fo p e n i n gg a t e t h es t a r t i n g t o r q u ec a nb e r e d u c e db ya d j u s tt h ea n g l eo fi m p e l l e r t h eh e i g h to fp a r a p e th a sc e r t a i n i n f l u e n c eo ft h et r a n s i t i o np r o c e s s i tc a ni m p r o v et h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c sb y r e d u c i n gt h eh e i g h to fp a r a p e t k e yw o r d s ：t u b u l a r ；p u m p i n gs t a t i o n ；s t a r t u pp r o c e s s ；h e a db a l a n c e ；t r a n s i t i o n ； n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n 7 0 扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 和吼才 签字日期：p 年5 月日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：摘晰 导师签名： 签字同期：1 9 年( 月日 签字日期：力1 口年 芎月 日 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过程水力特性研究 卜1 研究目的及意义 1 - i - 1 泵站类型及其特性 第一章绪论 随着工农业生产的发展以及人们生活水平的提高，对水利设施的需求日益增 多，在此过程中，国内国外已建和将建的大型泵站越来越多。我国的提水灌排面 积已经超过3 0 0 0 万h i i l 2 ，同时，城市、乡镇和农村还新建了大量的自来水供水泵 站，各类泵站装机达数百万千瓦m 3 。泵站在灌溉、排水、工业、生活用水等方面 发挥了重大作用。目前，在总体规模上，我国泵站工程已居世界首位，在技术上 也达到一定的水平。 泵站是按照水泵类型分类的。水泵按照工作原理分为叶片泵、容积泵和其他 类型泵，而叶片泵按转轮的形式分为离心泵、轴流泵、混流泵。 离心泵是依靠叶轮旋转时产生的离心力工作的，其应用特点是：扬程高、流 量小。根据离心泵性能曲线可知，其功率随流量的增加而增加，因而，离心泵可 以关闸起动。但当水泵机组因突然失电或者其他原因停机时，水泵及管路中水流 速度发生递变而引起压力突变造成停泵水锤。在停泵水锤过程中，当水泵出口装 有普通止回阀时，阀板的快速关闭会引起破坏性的压力上升：而在水泵出口无任 何阀门动作时，虽然水锤升压不高，但系统水流将持续不断的倒泄，并使水泵反 转达到飞逸转速。所以高扬程离心泵出水管道系统水锤问题比较突出，需要分析 计算水锤压力、研究适当的水锤防护措施。 轴流泵是依靠叶轮旋转时产生的推升力工作的，其特点是：扬程低、流量大。 轴流泵多应用于平原地区灌溉排涝及城市供排水、排污等方面。因轴流泵出水管 道比较短，不易产生水锤破坏，根据轴流泵性能曲线，泵扬程随着流量减少大幅 度增加，在接近于零流量时，轴功率可达到额定功率的2 倍左右。由此，起动时 2 扬州人学硕士学位论文 往往因扬程增速过大引起电动机超载；停机时则要在较短时间内制流，以免造成 机组倒转甚至达到飞逸状态。 混流泵介于离心泵和轴流泵之间，其抽水原理是：叶轮的高速旋转，既产生 离心力，又具有推升力。混流泵的性能也是介乎于离心泵和轴流泵之间，应用范 围比较广，其中，低比转速混流泵性能偏向于离心泵，高比转速混流泵与轴流泵 相似。 1 - 1 - 2 贯流泵站特点及其应用 贯流泵属于轴流泵的一种，在性能方面，贯流泵机组的装置效率更高。如： 灯泡贯流泵在低扬程( 2 - 4 m ) 范围内，其效率比相同比转速的轴流泵高出约2 一5 。 并且，扬程越低，贯流泵装置效率优势越明显。因而贯流式泵站更加适合在平原 地区及低洼圩区采用。贯流泵特点是水平布置，电动机布置在与水密封的灯泡形 金属壳体内，简称灯泡式贯流泵，其位置可在叶轮的上游或下游，全部重量支撑 在混凝土基础上。贯流泵机组与轴流泵相比。具体具有如下优点： ( 1 ) 灯泡式贯流泵的单位过流量大。在高效率区范围内，贯流泵比轴流泵具 有较大的过水流量； ( 2 ) 灯泡式贯流泵比转速高、体积小、重量轻、消耗金属材料少； ( 3 ) 灯泡式贯流泵机组结构紧凑，占用位置少、土建工程量小，有利于工程 布置。 贯流式泵站除灯泡式贯流泵站外，还有竖井式贯流泵站、轴伸式贯流泵站以 及潜水式贯流泵站等，其中以灯泡式贯流泵站的水力性能最好。贯流泵在我国已 经有了二十多年的发展，近年来灯泡式贯流泵的应用有了一定的发展，在大、中、 小泵站中都有应用，但其研究起步比较晚，对装置性能、结构特点及运行特性等 方面的研究还处在初级阶段。目前，国内已建成的最大的贯流式泵站是江苏太普 河泵站，单机流量是5 0 m 3 s ，共6 台；最大功率的贯流泵站为淮安三站，电机功率 2 5 0 0 k w 删。 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过程水力特性研究 3 南水北调工程是我国2 1 世纪特大工程，其总布局是：从长江上、中、下游分 别规划三个调水区，形成南水北调西线、中线、东线三条线路，与长江、黄河、 淮河、海河相连接，形成“四横三纵”格局。其中，东线工程从长江下游取水， 在现有江苏省江水北调工程基础上进行的扩大延伸，以江都抽水站及引江河泵站 为起点，以京杭大运河为输水主干线逐级向北提水，经洪泽湖、骆马湖、南四湖、 东平湖几个调蓄水库，再通过隧洞穿黄河自流。东线工程泵站枢纽的特点是：扬 程低( 多在2 - 6 m ) 、流量大( 单机流量一般为1 5 - 4 0 m 3 s ) 、运行时间长( 黄河以南 泵站约5 0 0 0 h a ) ，部分泵站兼有排涝任务，要求泵站运转灵活、效率高m 1 。鉴于 以上要求，在南水北调工程中拟大量采用贯流式泵机组。南水北调工程东线第一 期工程分1 3 梯级抽调江水入东平湖，原有的6 处1 3 座泵站其中有一座贯流式泵 站，即：淮安三站，而拟新建的2 l 座泵站中规划有9 座为贯流式泵站n 1 ，具体工 程规划项目及装机情况见表卜1 。 表卜1 南水北调东线第一期新建贯流泵装机情况 设计规设计单机流配套 装 序号梯级泵站名称模水泵型式 扬程量功率 机 厶 ( m 3 s )( ) ( m 3 s ) ( k w ) 口 数 1 淮安四站 1 0 0 灯泡式贯流泵 4 1 53 3 42 2 4 0 4 2 2 金湖站 1 5 0 灯泡式贯流泵 2 3 5 3 7 52 2 4 05 33 淮阴三站 1 0 0 灯泡式贯流泵 4 2 8 3 42 2 4 04 44 泗洪站 1 2 0 灯泡式贯流泵 3 7 3 03 0 0 05 55 刘老涧二站 8 0 灯泡式贯流泵 3 7 3 1 52 0 0 04 66 邳州站 1 0 0 灯泡式贯流泵 3 2 3 42 5 0 04 7 蔺家坝站 7 5 灯泡式贯流泵2 42 51 2 5 0 4 9 8 韩庄站 1 2 5 灯泡式贯流泵4 1 53 1 52 0 0 05 91 0 二级坝站 1 2 5 灯泡式贯流泵3 2 13 1 51 8 5 05 由于贯流泵站已逐步得到广泛应用，对其性能特性及运行特性的研究对确保 贯流泵站的高效、安全运行有重要的现实意义。 4 扬州入学硕十学位论文 1 - 1 - 3 泵站过渡过程 泵站过渡过程是泵站运行过程中的重要环节，其特性对泵站安全、可靠运行 关系重大。泵站过渡过程包括起动过渡过程及停泵过渡过程。在泵站过渡过程中， 水泵及其装置系统将承受动载，这样在构件中就会引起动态附加应力，有时，因 为过渡过程品质的恶劣，会导致很高的动态附加力矩，引起构件的破坏。 水泵在正常抽水过程中，因为某种突发的原因导致电动机动力切断，当闭锁 装置能受控关闭时，一般只发生倒流而不会发生泵倒转的过渡过程；一旦闭锁装 置失控不能关闭时，泵系统将产生倒流，造成泵倒转直到飞逸。在这个过程中， 由于极短的时间内发生工况的改变，压力管道以及泵的流通元件中所受的压力和 某些零件上的动载就可能处于不利的状态。在具有长供水管道的泵装置中，当出 口闸门突然关闭时，闸门的外侧就会形成真空，导致水柱中断，一旦水柱从新结 合的时候，就会造成很大的水击压力，严重时将会导致管道的破裂。对轴流式泵 装置，事故停机过渡过程中还会出现轴向水推力方向改变，从而引发抬机事故。 当出现这种现象的时候，就会产生机组振动、推力轴承损坏，甚至会造成泵机组 的导叶和顶盖的断裂，电动机风扇折断等重大事故，严重影响机组的安全运行。 因而，研究停泵过渡过程特性和优化控制方式，可在很大程度上解决停泵过渡过 程出现的问题。 对于大型泵站，在起动过渡过程中，电动机起动对电力系统产生巨大的电力 冲击，严重时会导致电动机无法牵入同步，甚至会引起电机的烧毁。对于大型贯 流式泵站，因其流道短而且直，在起动过程中，泵机组的起动流量、扬程等瞬态 量变化过快，水泵的总水力矩在起动后较短时间内出现较大值，并有可能超过电 动机起动时的最大力矩，以此使电机超载，泵机组不能正常起动。贯流泵由于其 特性中“马鞍区”原因不能关闸起动，但如在开机过程中将闸门开启过快，由于 上下游水位差引起水流倒灌，进出水流在流道中碰撞，引起机组的振动，因此， 闸门开启速度对起动过程有影响。在设计贯流式泵站时，为了防止电动机超载， 可以适当加大电动机的超载系数，或是适当增加出水侧水体的容积，从而保证机 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过稃水力特性研究 5 组在起动过程中，泵装置扬程不至于增加过快、过大，使得泵能够安全起动。贯 流泵的出水侧设计通常有两种结构形式，如图1 - 2 所示。图卜2 ( a ) 为胸墙溢流， 快速闸门启动；图卜2 ( b ) 为了增快出水而采用的胸墙溢流、小拍门分流、快速闸 门启动。 寸一寸一 寸d d 4 町4 4 口口 呀 阜广 1 了9 9 9 阿 阜广 泖9 9 9 l l l 一 生 1 广 l l 1 一 1 茭 43 ， 2 2 ( a ) ( b ) 图卜2 贯流泵出水侧结构形式 ( a ) 胸墙顶部溢流( b ) 胸墙溢流、小拍门分流 1 一胸墙；2 快速闸门；3 一检修门；4 一小拍门 国内已建的一些泵站有时候因为无法起动而不能发挥应有效益。如：江苏省 江都一站、二站如果不依据涨潮条件，常无法起动。山东引黄工程主体泵站之一 的某泵站，1 9 9 2 年竣工，试运行时，第一次试运行投励电机未能牵入同步；第二 次试运行，同步电机空载运行半小时：第三次试运行发生电缆头爆炸，真空断路 器玻壳碎裂，启动不久跳闸陴1 。珠海发电厂机组的给水系统配置2 台起动给水泵和 1 台电动给水泵，自2 0 0 2 年7 月份以来，电动给水泵热备用起动时出现泵驱动轴 端“振动高 报警，泵非驱动端轴承“振动高高”报警，甚至出现由于振动大导 致电动给水泵跳闸昭。 卜卜4 泵站起动过渡过程研究意义 贯流式泵站由于其结构简单、高效节能等优点，目前正逐渐得到广泛应用， 但因其在起动过渡过程出现的问题，往往造成机组不能正常运行，从而制约了贯 6 扬州人学硕士学位论文 流式泵站的发展。 图卜2 淮安三站站身剖面图 淮安三站是江苏省乃至全国建设时间最早，而且是建设规模最大的贯流式泵 站之一1 。在起动过程中，由于闸门过流损失较大，水泵出流聚集出水口及胸墙之 间，水位快速上升，最后漫过胸墙，造成扬程快速增加并超过水泵最大扬程，加 上配套主电动机功率偏小，使得机组起动困难。淮安三站站身剖面图如图1 - 2 。淮 安三站建成后按原设计参数无法正常启动，经过调整修改才得以起动，但迄今为 止，主机起动困难仍是制约泵站安全运行的问题之一。由于经常起动失败，其间 异步运行时间过长，导致转子启动绕组端部联接片开焊。为提高一次起动成功率， 管理部门常采用辅助措施，如：抬高下游水位或是调高运行启动电压，而长期超 电压运行机组，势必会加剧主电机绝缘的老化速度。因此，对贯流泵起动过渡过 程的研究，将有助于贯流式机组泵站的进一步发展，尤其是南水北调东线工程中 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过样水力特性研究 7 “低扬程、大流量”的泵站特点，为今后采取这种方式机组的泵站建设及运行管 理提供有益的帮助。 研究贯流泵站起动过渡过程，目的是为了在这过程中寻求合理的控制方式， 采取有效措施以提高泵机组运行的安全可靠性，充分发挥泵站功能。泵站起动过 渡过程研究的重点是：分析起动过渡过程中各物理量的特性及其相互关系，找出 制约起动过渡过程的关键因素并提出有效的解决方法，从而提高泵站起动运行的 可靠性。 卜2 国内外研究现状 泵站起动过程是一个由稳态到动态、再由动态到稳态的过程，该过程中涉及 到泵机组的机械特性、装置的动态特性、流体动力学特性和水力机械的全特性、 电动机的电气特性等，因素非常多。在过渡过程中，由于常常是水锤引起的水力 系统压力大的变化，危害到系统的安全，因此，水锤现象是引起人们最早重视过 渡过程的研究对象。早在1 8 9 8 年，俄国科学家就首次提出了水管中水锤的理论和 末端阀水锤计算的基本方程式晗1 。虽然对于泵装置过渡过程的研究与泵产生的时间 一样久，但取得实际重大进展的是近5 0 多年时间。2 0 世纪四五十年代，前苏联建 成一批低水头水电站，装设尺寸很大的轴流转浆式水轮机组，而这些机组在运行 时出现了许多过渡过程的问题，从而促使了对于水轮机及泵装置过渡过程的研究 啪1 。我国对这一过程的研究起步比较晚，大概始于2 0 世纪6 0 年代初，而且在水 轮机、水泵、液力传动领域发展不平衡，研究主要集中在系统水锤压力与机组转 速变化的解析计算方面，还有一些现场原型试验工作，但基础理论研究相当薄弱。 近2 0 年来，由于我国大量大型工程的建设，增加了对水力机械过渡过程的研究， 取得了比较迅速的发展。 水泵过渡过程包括起动和停泵过程，其中停泵过渡过程经历了正转水泵工况、 正转水泵制动工况、水轮机工况3 个工况区。对于停泵过程的理论研究方面，文 献 2 5 2 6 2 7 针对目前大型泵站在快速闸门设计及运用上出现的问题，结合泵 8 扬州人学硕士学位论文 站停泵动态特性，对停泵后闸门下落运动进行理论推导，建立闸门下落运动以及 下落撞击的数学模型，并将计算结果与实际工程中现场的实测文献数据进行比对， 为泵站快速闸门的设计及运用提供理论依据。文献 2 7 3 7 根据低扬程泵装置的 管路特性、水泵机组的动力学特性以及泵停机过程的特征曲线的特征点，提出了 低扬程泵站停泵工况动态特性计算数学模型。文献 5 1 根据转动机械力矩平衡方 程、水量平衡方程以及泵装置系统能量守恒方程，结合水泵全特性，建立了大型立 式轴流泵站停泵过渡过程数学模型，通过数值计算，研究了不同的闸门运行方式 及不同叶片转角对轴流泵站停泵过渡过程的影响，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，从而为泵站设计及运行提供了合理的依据和 建议文献 4 4 5 0 提出了水轮机停机过程中的数学模型，前者以特征线法建立数 学方程，后者以工程实际中具有双调节元件的水轮机装置缺少全特性曲线时无法 进行过渡过程计算的问题，采用基于内特性解析理论的数值计算方法对灯泡贯流 式水轮机装置甩负荷过渡过程进行研究和计算，结果与实测文献比较，误差均小 于1 0 ，满足工程需要。这些研究过程对水泵停机过渡过程的研究有指导意义。 对于水泵起动过渡过程的研究方面，文献 5 6 儿1 9 5 5 5 6 6 1 从泵系统 整体出发，运用刚体动力学、流体动力学、水力机械全特性理论，分析泵机组系 统启动过程中同步电动机的电磁驱动力矩、水阻力矩及其它各种阻力矩动力学特 性，建立大型贯流泵站启动动态过程数学模型，通过数值计算法或者分段试算法 计算，结合具体的工程的实测数据资料进行分析，从而揭示这一过渡过程中各参 数随时间的变化关系。文献 7 从水量平衡及水泵机组力矩方程出发，建立水泵从 起动到同步过程的微分方程，并依据水泵特性曲线求出相应流量，经过分段试算 修正，反映水泵起动过渡过程中各参数随时间的变化规律以及电机从起动到牵入 同步所需时间。其中将水泵机组起动过程分为两部分：第一部分为转速由0 至牵入 同步，第二部分为出水管道充水、造压、扬水过程，直至出水闸门全部打开为止。 并且假定在起动过程中转速是线性交化的。 文献 2 3 0 不仅介绍了各种水力装置过渡过程的求解理论与模式，而且还给 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过程水力特性研究 9 出了相应得算法，前者还提出了一种叶片式水力机械装置过渡过程以内特性解析 为基础的数值计算方法，该方法的优点是：不需要已知叶片式水力机械的全特性 曲线，就可以完成计算。该过程根据叶片式水力机械的广义基本方程式和贯流式 水轮机导叶布置的几何特征，建立一组解析表达式，对其中的所有变量具体分析， 结合已知的电机外特征，取小步时进行差分计算，从而确定起动过程的转速变化 规律，所以这个分析过程比较复杂。为了求解泵起动过渡过程的瞬变流量、需要 给出该泵的水力效率的计算表达式，而水力效率与泵的运行工况有关，要求出水 泵的效率与工况的关系的解析表达式很复杂，因而，一般采用的是统计规律或经 验公式进行计算。 由以上各文献可以看出，无论是停机过渡过程还是起动过渡过程，一般都是 从泵系统整体的出发，运用刚体动力学、流体动力学、水力机械全特性理论，建 立过渡过程的动态数学模型，结合一定的初始条件和边界条件进行仿真计算。其 中建立的力矩平衡方程一般整理为复杂的微分方程，涉及很多变量，与电动机特 性和水泵特性均有关系。而且在起动过程中可能出现多种情况，是随着装置扬程、 电机转速、泵的出水流量等因素变化，如：在起动过程中，电机是否牵入同步； 或是胸墙是否形成溢流。不同的情况建立的数学模型是有变化的。 卜3 研究方法及研究内容 本文研究的主要内容包括： 、分析贯流泵主要参数及综合特性，探讨起动过渡过程中电动机特性及推导 力矩平衡方程。 、以胸墙内水位为分界将过渡过程分成几个阶段，不同的阶段结合特征水位、 水泵特性以及电动机起动特性，分别建立起动过渡过程各物理量随时间变化的动 态数学模型。 本文主要研究方法：在起动至达到亚同步期间，将机组转速取与时间成线性 关系，主要从水头平衡关系出发，结合水体连续性，建立起动过渡过程中不同阶 1 0 扬州人学硕士学位论文 段各物理量随时间变化关系的数学模型，再以淮安三站为例，用v i s u a lb a s i c 语 言编程进行仿真计算，并通过改变部分物理量分别计算，反映起动过程中各物理 量随时间的变化规律，并对各阶段计算结果进行分析，揭示贯流式泵站在起动过 渡过程中各物理量对起动过程的影响，找出制约起动过渡过程的因素并提出有效 措施，从而提高泵站起动运行的可靠性。 杨晓春：贳流式泵站起动过渡过程水力特性研究 11 第二章泵站过渡过程基本理论 水泵具有水泵和水轮机两种工况，而各工况都是由泵主要工况参数的大小和 方向决定的。 在泵站中，水泵作为工作机械，在电动机的驱动下，将电能转化为水的势能。 而在泵站过渡过程中，水泵特性不同于正常工作状态，它的主要工况参数会发生 某个或多个方向上的变化，除水泵工况外，还有水轮机工况、制动工况等多种工 况。本文主要以贯流泵站为研究对象，现以贯流泵站( 图2 1 ) 为例对水泵各工况 参数进行表述。表征水泵工况性质的主要参数有：扬程h 、流量q 、轴端力矩m 、 转速n 等。 2 - 1 水泵的全特性 2 - 1 - 1 水泵过渡过程各工况 在水泵过渡过程中，随着水泵主要工作参数的变化，会出现不同的工况。具 体为：水泵工况：功率由电动机传给叶轮n 0 ，通过叶轮水流能量增大( q h 0 ) ； 水轮机工况：功率由叶轮传给电机n 0 ，水流经转轮后，能量减少( q h 0 ，但流经叶轮的水流能量被减少 ( q h 0 ) ，输入功率被无端消耗，相当于是转轮对水流起制动作用；飞逸工况： 此时轴功率接近为零，( n 0 ) ，水流流经转轮后能量有所减小，这部分减少的能 量完全用来克服机组旋转时的摩擦功率损耗。 为了全面研究水泵的全特性，在专用的模型试验装置上进行广泛的性能试验， 用试验得到的各种工作状态下的特性综合的用一簇曲线表示，即为水泵的全特性 曲线，根据描述的坐标系和参数的变化，可以有不同的全特性曲线。在全特性曲 线坐标平面上，根据不同工作状态的定义，可以划分不同的工作状态区域，如下 图2 - 1 为水泵的四象限工作状态区域图。 1 2 扬州人学硕士学位论文 + n _ _ _ _ _ 一 b 。一 c l 一 篪 + q i!(1 ( b ) n l v d 烂 o j f ( b ) e g hi m _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 n 图2 - 1 水泵的四象限t 作状态区域 如图所示，根据流量q 、转速n 、水头h 、力矩m 等参数的正、负、零可划分 8 个工作状态区域，p 、t 、b 分别表示水泵、水轮机和水力制动器等工作状态：r 、 c 表示飞逸工作状态和调相工况，纵坐标右侧表示离心流动区，左侧表示向心流动 区。a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 、l 表示工况点的改变顺序。第1 工况区域为离 心式水泵工作状态区；第1 i 工况区域为向心式水力制动器工作状态区；第1 i i 工况 区域为向心式水轮机工作状态区；第工况区域为向心式水泵工作状态区；第v 工况区域为向心式水泵工作状态区；第工况区域为离心式水力制动器工作状态 区；第工况区域为离心式水轮机工作状态区；第工况区域为离心流动水力制 动器工作状态区。 根据这个四象限工作状态区域划分，将水泵过渡过程各种工况下的主要参数 符号列表，见表2 一l 表2 - 1 水泵过渡过程各种：1 ：况下主要参数符号 工作状态 区域代 能量效率 名称号 扬程h 流量q 转速n 力矩m轴功率p q h r l 离心水泵 i + + 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过程水力特性研究 1 3 流动 制动器 + + + 区 水轮机 + 制动器 + 飞逸m = 0 线 + o oo 制动器 i i + 向心 水轮机 + 流动制动器 + i 区 水泵 v + 飞逸m = 0 线 + 00o 2 - 1 - 2 水泵的全特性 图2 2 所示的四象限图虽然直观，但并不适用，而且每条射线只能代表一种 水力机械的相似工况，通用性比较差，因而，以单位流量和单位转速建立起来的 坐标系来绘制全特性曲线，具有比较好的综合性质。在过渡过程计算中常采用无 量纲全特性曲线，各参数常取相对值，即： y ：旦，口：旦，五：旦，：一m y = 三，口= ，力= ，= q rn r h r 。 m r 上式分别为无因次流量、转速、扬程、转矩，其中，下标带有“r 的为额定 值。 在过渡计算过程中，为克服计算过程中的插值误差，将全特性曲线转化为 s u t e r 曲线，其中： x = 万+ t a n ( v i a ) ( 2 一1 ) w h ( 加南 ( 2 - 2 ) w b ( 班南 ( 2 3 ) 根据上式可以很容易的求出相应各种v i a 值下的w h ( x ) 和w b ( x ) 的值，从而 得到两条全特性曲线。 1 4 扬州人学硕十学位论文 2 - 2 电动机起动特性 泵站起动过程特性与配套的电动机特性密切相关。大型泵站，一般都采用同步 电动机牵引。我国有大型泵站3 0 0 余座，普遍采用同步电机，其中仅江苏境内江 水北调、太湖治理工程等就装有同步电机1 3 9 台【1 9 】。而同步电动机起动是一个复 杂过程，它受多种因素制约，其起动成败直接关系到泵站能否正常运行。同步电 动机起动方法是异步起动，其特点是：起动电流大，对电网冲击大，并且电机转 子部件和定子线圈上机械应力和热应力也很大，在电网容量相对起动机组容量不 够大时，一般不允许使用【1 r j 。由此可见，大型泵站起动过程是一项技术要求高， 涉及水、电、机械等众多瞬态变量的物理过程【1 0 】。 同步电机的起动特性在泵站起动过渡过程中举足轻重，其起动力矩与负载阻 力矩特性如图2 - 2 所示。在a 点之前，由于起动力矩大于阻力矩，转子加速旋转； 在a 点之后，阻力矩大于起动力矩，转子转速减慢；而在a 点，对应的两个力矩 相等，此时的滑差为s 1 ，有一个极限存在并列的滑差s m ，在该值下，机组施加的励 磁可以实现同步并列。 图2 - 2 起动力矩与阻力矩特性 地一起动力矩：m 广阻力矩：s 一滑差 泵机组起动过渡过程可分为两个阶段：第一阶段，为同步电动机在静止状态 ( s = 1 ) 进行异步起动，到达准同步( s 0 1 ) 为止；第二阶段，是指从准同步 ( s 0 1 ) 投励到牵入同步( s = 0 ) 为止n 们。同步电动机异步起动时输出电磁力 杨晓春：贯流式泵站起动过渡过程水力特性研究 1 5 矩，即：异步转矩，其值与转差率有关，起动瞬间的m d 必须大于机组的静摩擦力 矩，接近同步转速时，电动机的牵入转矩札须大于阻力矩m r 。其中，电动机的最 大转矩也须大于泵机组起动及运行过程中可能出现的最大阻力矩m 一。 为研究大型同步电机的起动特性，早在2 0 世纪8 0 年代末，扬州大学严登丰教 授就经对2 0 0 0 k w 以及6 0 0 0 k w 同步电