（水文学及水资源专业论文）泵供水系统水锤防护及节能研究.pdf

摘要 泵供水系统水锤防护及节能研究 专业：水文学及水资源 作者：私毽维 指导教师：多啦! 卜 答辩日期：矗哆；一矽 摘要 我国是一个水资源贫乏的国家，人均水资源占有量小，且时空分配严重不均。因缺水，每年工农 业损失惨重。为适应经济发展，我国兴建了许多泵站工程对泵供水系统安全危害较大的是水锤事故， 减小制水成本的主要方法是泵站节能，本文就这两个主要问题开展研究工作，主要内容为： ( 1 ) 高扬程泵站水锤现场试验研究。采用现代测试技术，分别实测了一高扬程泵站两台机组事故 停机的水力过渡过程。采用实测波速和蝶阔关闭过程等参数，用特征线法进行了水力过渡过程计算， 计算结果与实测结果相当吻合。优化了研究泵站的蝶阀关闭过程。 波速是水锤计算的重要参数，但用现有公式计算压力管道的水锤波速为1 0 4 1 m s ，比现场实测波速 1 1 7 8 m s 小约1 2 ；计算p p r 管水锤波速为3 2 1 3 3 m s ，比室内试验测量的波速为4 3 5 o l m s 小约2 6 。 ( 2 ) 空气阀防护泵供水系统水锤研究。研究空气阀特性对水力过渡过程的影响，提出了空气阀组的 概念，和多阀水锤防护措施。提出了一长距离输水工程防护水锤的空气阀安装位置及空气阀最优参数。 ( 3 ) 离心泵全特性曲线预测模型研究。提出了以n ，、a r c t a n ( a v ) 和水泵零流量全特性参数为自 变量的离心泵全特性曲线预测线性回归模型。相关性分析表明，提出的预测模型是合理的。 ( 4 ) 梯级泵站经济运行研究。建立了级间无分水任务的一梯级泵站经济运行的动态规划数学模型， 给出了优化调度图。提出了加小泵加回水管是所研究泵站节能的最佳技术改造方案。 建立了以梯级泵站功率消耗最小为目标函数的各级站水泵叶轮最优切削量计算的数学模型，解决 了梯级泵站级问流量配合问题。 ( 5 礴l 溉泵站节能技术改造。根据农业灌溉用水的特点，提出了泵站技术改造应该设有小流量的水 泵或利用变频调速装置。针对多沙水源特点，提出了泵站机组选型应注意的河题，及进水池应尽量采 用单泵单池，型式以圆形为好。 ( 6 ) 长距离输水泵站优化设计建立了在供水流量和管线布置一定的条件下，长距离输水泵站管道 工程投资最小的线性规划模型，和长距离输水泵站年费用最小的优化设计数学模型 关键词：泵供水系统；水锤；水锤波速；空气阀组；经济运行 r e s e a r c ho nw a t e rh a m m e rp r e v e n t i o n a n de n e r g ys a v i n go fp u m p i n gw a t e rs u p p l ys y s t e m s u b j e c t ：h y d r o 坦夥a n n 。dw a t e r r e s o u r c e s a u t h o r ：勿配嬲h ，l 觑 a d v i s e r ： 嘞豸砒 a b s t r a c t d a t e ：嘲， p c h i n ai s n o tr i c hi nw a t e rr e s o u r c e s t h ew a t e rr e s o u r c ea m o t m tp e rc a p i t ai ss m a l la n dt h er e s o u r c e d i s t r i b u t i o ni ss e r i o u s l yu n e v e nb o t hi nt e m p o r a la n ds p a t i a lo v e rt h ec o u n t r y e v e r yy e a rc h i n as u f f e r s s e r i o u s l yd a m a g ei ni n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ef o rs h o r t a g eo fw a t e r w 弧雠e c o n o m i cd e v e l o p m e n t , c h i n a h a sb u i l tm a n yp u m p i n gs t a t i o nw o r k s w a t e rh a m l n e rc a nd og r e a th a r mt op u m p i n gw a t e rs u p p l ys y s t e m e n e r g ys a v i n go fp u m p i n gs t a t i o ni st h em a i nm e t h o dt 0r e d u c et h ec o s to fw a t e rs u p p l y t h e r e f o r ew a t e r h a m m e rp r e v e n t i o na n de n e r g y s a v i n go f p u m p i n gw a t e rs u p p l ys y s t e ma r et h em a i nt o p i c so f t h i s 咖d y t h e m a j o rc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) h y d r a u l i ct r a n s i e n tp r o c e s s e so ft w op u m ps e t si n ah i g h - l i f tp u m p i n gs t a t i o nw e r es e p a r a t e l y m e a s u r e db ym o d e mt e s t i n gt e c h n o l o g yw h e nt w op u m ps e t sa c c i d e n t a l l yb ec l o s e dd o w n h y d r a n l i e t r a n s i e n tc a l c u l a t i o nw a sc o n d u c t e db yu s i n gm e t h o do fc h a r a c t e r i s t i c sw i t ht e s tw a v es p e e da n dc l o s e d o w n p r o c e d u r eo fb u t t e r f l yv a l v eu s e da sp a r a m e t e r s t h er e s u l t so fc a l c u l a t i o na n dt e s ta r ew e l lm a t c h e d t h e r e f o r et h ec l o s ep r o c e d u r eo fb u t t e r f l yv a l v e sc a l lb eo p t i m i z e d a c c o r d i n gt of o r m u l ai ne x i s t e n c e ，w a t e r h a m m e rw a v ev e l o c i t yi s1 0 4 1 m si np r e s s u r ec o n d u i ta n d3 2 1 3 3 t r g si np p - rp i p e w h i c hi s1 2 l e s st h a n t h et e s ts p e e d11 7 8 m s ，a n d2 6 l e s st h a nt h et e s ts p i e d4 3 5 o l m sr e s p e c t i v e l y ( 2 ) a c c o r d i n gt or e s e a r c ho ne f f e c t so f c h a r a c t e r i s t i c so f a i r v a l v eo nh y d r a u l i ct r a n s i e n t , t h ec o n c e p to f a i rv a l v eg r o u pa n dm e t h o do fw a t e rh a m m e rp r o t e c t i o nb ys e t so fv a l v e sa r ep u tf o r w a r d i n s t a l l a t i o ns i t e a n do p t i m u mp a r a m e t e r so f a i rv a l v e su s e dt op r e v e n tw a t e rh a m m e ri na l o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yp i p e l i n e a r ep r e s e n t e d ( 3 ) p r e d i c t i v el i n e a rr e g r e s s i v em o d e lo ft h ec o m p l e t ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fc e n t r i f u g a lp u m p si sp u t f o r w a r db yu s i n gs p e c i f i cs p e e dl kr e l a t i v ef l o wa n g l e ，a n dt h ec o m p l e t ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fz e r o f l o wr a t ea si n d e p e n d e n tv a r i a b l e s c o r r e l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a tt h em o d e li sr e a s o n a b l e ( g ) d y n a m i cp r o g r a m m i n gm o d e la b o u te c o n o m i co p e r a t i o no f am u l t i - s t a g ep u m p i n gs t a t i o n , w h i c hh a s n ow a t e rd i v e r s i o nb e t w e e ne a c hs t a g e ，i se s t a b l i s h e d ，a n dt h eo p t i m u mo p e r a t i o ns c h e d u l eo fp u m p i n g s t a t i o n si sa l s og i v e n i ti ss u g g e s t e dt h a ta d d i n gb o t hs m a l l e rp u m p sa n dr e t u r np i p e sf o re a c hs t a t i o ni st h e m o s ts u i t a b l et e c h n i c a la l t e r a t i o np l a n o p t i m u mo p e r a t i n gp u m pi m p e l l e rc u t t i n gc a l c u l a t i o nm o d e lw i t hm i n i m u mp u m pp o w e rc o n s u m i n ga s o b j e c t i v ef u n c t i o ni ss e tu p t h u ss o l v e st h ep r o b l e mo ff l o wr a t em a t c h i n go f c a s c a d ep u m p i n gs t a t i o n s 西安理工大学博士学住论文 ( 5 ) b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa g r i c u l t u r ei r r i g a t i o nw a t e r ，i ti ss u g g e s t e dt h a tp u m p s o fs m a l l d i s c h a r g eo rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nv a r i a b l e s p e e dp u m pd e v i c e ss h o u l db ea p p l i e di np u m p i n gs t a t i o n t e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fs a n d yw a t e rs o u r c e s ，i s s u e st h a ts h o u l db ep a ya t t e n t i o n t oi np u m ps e t ss e l e c t i o no fp u m p i n gs t a f i o n si sp u tf o r w a r d , a n di ti ss u g g e s t e dt h a tp u m p i n gs t a t i o n sh a d b e t t e rb u i l ds e p a r a t er o u n dp u m pp i tf o re a c hp u m p ( 6 ) w h e nf l o wr a t ea n dp i p e l i n ea r r a n g e m e n td e t e r m i n e d ，l i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e lw i t hm i n i m u m i n v e s t m e n ta so b j e c t i v ef u n c t i o no fl o n gd i s t a n c ew a t e rs u p p l yp i p e l i n ep r o j e c t ，a n do p t i m u md e s i g nm o d e l w i t hm i n i m u ma n n u a lc o s ta so b j e c t i v ef u n c t i o no f p u m p i n gs t a t i o na g ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：p u m p i n gw a t e rs u p p l ys y s t e m ；w a t e rh a m m e r ；w a t e rh a m m e rw a v ev e l o c i t y ；a i rv a l v e s e t ； e n e r g y 姐v i n go p e r a t i o n 2 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：辈鱼咝一少年上月廖自 学位论文使用授权声明 本人! l 选络导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 l 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位沦文，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；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：糍导师签名：芝红兰e 哕年2 月萝日 1 绪论 1 绪论 水资源正目益成为全球战略性资源，水资源和能源样，将直接影响经济结构和布局， 是直接关系到经济、社会和持续发展的核心资源。我国是一个水资源贫乏的国家，人均水 资源占有量仅为世界人均占有量的四分之一，且对空分配极为不均，水资源矛盾突出。据 统计，2 0 0 1 年我国农作物受旱面积38 4 6 x1 0 5 公顷，因旱粮食损失5 4 8x1 0 8 k g ，经济作 物损失5 3 8 x1 0 8 元。我国城市缺水严重，全国6 6 8 座城市中，有4 0 0 余座城市缺水，因 缺水造成城市每年经济损失约2 x1 0 1 1 元。有些地区水已成为制约经济发展的“瓶颈”。 新中国成立以来，随着工农业生产的发展，科学技术的进步，我国兴建了许多泵站工 程。泵站工程为我国工农业的迅速发展以及人民生活水平的不断提高，起到了非常重要的 作用。为适应经济发展和城市化建设需要，近年来我国兴建了许多大型泵站工程，向几十 公里甚至更远的地方供水。 由于泵站工程在国民经济建设中作用重大，其安全经济运行也倍受人们重视。对泵供 水系统安全危害较大的是水锤事故，不少工程因水锤而遭受严重破坏。水泵是一种通用机 械，广泛应用于国民经济的各个部门，其耗能量约占全国总能耗的2 1 。泵供水系统制 水成本的4 0 , - 6 0 是电费，减小制水成本的主要方法是泵站节能。因此对泵供水系统水 锤防护及节能研究意义重大。 1 1 水锤现象 在泵供水系统中，由于闸阀的启闭或水泵的启动与停机等，造成管道中水流速度的突 然变化，继而引起压力的急剧变化。在管道流速和压力的变化过程中，水泵的流量、扬程、 转速和转矩等参数亦随之发生瞬时的变化。这种瞬时变化现象称之为泵站的水力过渡过 程，亦称泵站水锤现象。 按照水锤成因的外部条件，泵站水锤一般分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种。 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阀门是不会引 起很大的水锤压力变化的，但是如果违反操作程序或管道内突然被堵塞等，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 力的原因很多，如运行人员的误操作、电网突然事故停电等。泵站不同，水锤的成因不同， 水锤的危害程度也不同。一般来讲，启动水锤和关阀水锤的控制相对容易，对泵站的危害 性较小。而停泵水锤是突发性的，若防护措施不当将对泵站产生严重危害，因此对其研究 也倍受人们重视。 西安理工大学博士学位论文 1 2 水锤事故 1 9 8 5 年7 月8 日某自来水五厂，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 号机组的液控碟阀阎体和阀门基础遭 到破坏，发生特大淹机停水事件。致使部分供水区3 0 万人酷暑季节停水3 天，给人民生产 和生活带来严重困难和影响，这次事故的直接经济损失达5 0 万元，分析其主要原因是水锤 防护措施不当引起的【”。 包钢加压泵站水锤事故。该泵站的作用是将一次净化系统处理的水加压后送至 1 7 k m 之外的厂区。设计最大送水量为1 8 8 0 0 m 3 ，h ，内设五台2 8 s a 1 0 型卧式离心泵， 流量为4 7 0 0 m 3 h ，扬程为9 8 m 。泵室与闸室分建，两室间管线是逐渐升高的，高差为 5 3 1 7 m ，闸室管线标高高出吸水井常水位2 8 6 m 。水泵的出水闸阀、逆止阀、手动排气 阀、水锤消除器均设在闸门室中。在3 。机组启动1 5 s 左右后发生水锤，出水管地沟盏板 被掀开冰大量涌出，判断是出水管爆裂，紧急关闭吸水闸，同时停了所有泵组。由于事故 点出水量大，吸水闸关闭至一半时，泵房内水已升至操作人员胸部，人员被迫撤离，泵房被 淹。由于有备用泵站并措施得当没有影响生产，但直接抢修费用达6 5 万元：e 2 j 。 盘山电厂一期补给水输水管爆管事故。该电厂补给水泵站距电厂约5k m ，一期安装 了2 台泵，l 台泵运行，1 台泵备用，2 条内径7 0 0 m m 顸应力混凝土管，1 条运行，1 条备用。该 泵站发生过多次爆管事故：在分段及全线水压试验阶段，有1 0 处爆管；在投产前的试运 行阶段，1 9 9 5 年8 月4 日，2 号管3 号转角的上游第l 节管和7 号检查井上游第3 节管发生爆管， 当时1 台泵运行。1 9 9 6 年7 月2 4 日，2 号管检查井下游第2 节管爆裂；1 9 9 7 年9 月2 3 日，2 号管1 3 号检查井南约5 0m 爆管1 处嘲。 瑞安市江北水厂取水泵站水锤事故。该取水泵站在调试运行期间曾发生多次水锤 事故，泵站设备遭到破坏：手动蝶阀阀体拉裂二次；一阶段微阻缓闭止回阀阻尼油缸 固定螺栓剪断三次( 每台油缸固定螺栓为m 1 4 四只，每次被剪断三只) ；一阶段微阻 缓闭止回阀复位重锤支撑杆( 0 2 4 ) 断裂一次 4 1 。 1 9 8 3 年北京某水厂由于维修上的疏忽，装在一个泵出口的止回阀阀轴磨断，阀瓣突然 脱落，冲到阀体的收缩出口处，突然堵截了出口，从而在该处产生了巨大的水锤。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，半小对内具有1 0 台水泵的厂房被淹， 致使当天北京西区停水达1 0 4 , 时之久，对生产和生活造成了很大的影响和损失。1 9 8 1 年某 石化厂发生了一起严重的因水锤而爆炸的事故，那是由于工人误操作阀门所致，水锤压力 破坏了输水管道，造成了总厂的几个卫星厂停工，损失严重。国外核电厂经常发生水锤事 故，仅在美国，1 9 6 5 年至t j l 9 8 1 年，有记载的就报告了7 6 起水锤事故。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i # 机组的巨大水锤危害，故事是由于电短路造成二回 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， 有一处爆裂管道出现2 m 长的鱼嘴裂缝，使核电厂被迫停堆【5 】。 2 1 绪论 水锤事故的成因不同，产生的危害也不同，有的造成压力管道破坏( 即爆管) ，有的 造成泵房被淹，有的设备被打坏，伤及操作人员等，给正常的生活和生产带来了严重的影 响和经济损失。 1 3 水锤防护措施研究综述 对水锤的最早研究是从探讨声波在空气中的传播和波在水中的传播，以及血液在动脉 中流动开始的。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 问题都未获得精确的解决。 最早提出弹性水击理论的作者为曼拉华( m e n a b r e a ) ，他在1 8 5 8 年发表了有关水击 的笔记，曼拉华利用能量分析法，说明水击的基本理论，以此奠定了弹性水击的理论基础 嘲。 1 8 9 7 年，儒可夫斯基用如下尺寸( 分别表示管长和直径) 的水管做了很多的试验： 7 6 2 0 m ，5 0 m m ；3 0 5 m ，1 0 1 5 m m ；3 0 5 m ，1 5 2 5 m m 。根据试验和理论研究，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。他又利用能量 守恒和连续条件得出了速度减小与由此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。他还研究了空气室、调压室及弹簧安全阀对水击压力的影 响，并且讨论了阀门关闭速度变化对水击压力的影响，同时发现在关阀时间t 。2 l a ( 式 中三为管道长度，口为波速) ，压力升高达到最大值【7 l 。 1 9 3 0 年以前，关阎水锤计算大多采用解析法。其基本原理是利用阿列维( a l l i e v i ) 联锁方程式，进行逐段计算。此法仅适用于压力波为全反射且不考虑摩阻损失的简单管情 况。1 9 3 1 1 9 6 2 年，广泛采用施奈德( s c h n g d e r ) 和波格龙( b e r g e r o n ) 各自独立提出的 图解法。该方法是将不考虑管道摩阻情况下的水锤基本方程变换为对管道内两点的两个代 数方程( 即共轭方程) ，按照作图法进行计算。该法对于复杂管道和水锤波反复传播多次 的情况，以及管道摩阻损失占比重较大的管道系统。不仅计算过程繁琐，而且计算精度也 较差。1 9 6 2 年以后，由于电子计算机的普及和计算方法的发展，便于计算的特征线法和 隐含法得到了发展和推广【s 。特征线法是将考虑管道摩阻的水锤偏微分方程，沿其特征 线变成常微分方程，然后再近似地变换成差分方程。再进行数值计算，此法具有计算精度 高、稳定和易于计算机程序编制等优点。 国内在水力过渡过程方面的研究起步较晚。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护奠定了基础。特别是对下开式水 锤消除器的研究【l0 1 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【1 2 1 。 8 0 年代初期，随着( f l u i d t 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 l x 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。泵供水系统水锤的防护措施有 多种，如调压塔( 调压池) 、空气阀、空气罐、水锤消除器、可控阀、止回阀加旁通管和 西安理工大学博士学位论文 增加水泵机组转动惯量等。调压塔有单向和双向之分。双向调压塔是一种兼有注水和泄水 两项功能的水锤防护措施。一旦压力管道中的压力降低，调压塔会自动向管道补水，以防 止管道中产生负压。当管道中压力升高时，它允许高压水流进入调压塔，将管道中的水锤 压力转化为调压塔水体的势能，从而起到缓冲水锤升压的作用。单向调压塔( 单向调压池、 单向调压水箱) 一般设于输水管线容易产生负压和水柱分离的特异点，如膝部、驼峰和主 要高蜂点，当管道压力降低时，它向管道补水，是防止管道负压和消减断流弥合水锤高压 的有效措施。相对于双向调压塔，单向调压塔费用低廉。 空气阀结构简单，安装方便，且费用低，是一种能有效防护管道负压的特殊阀门，其 应用广泛。当安装空气阀处的管道压力小于当地大气压时，空气阀打开，向管道进气；当 空气阀安装处的管道压力大于大气压时，允许进入管道的空气排出，但不允许管道中的液 体排出。 j 空气罐是一种内部充有压缩空气的金属水罐，一般安装于水泵出口附近的压力管道 上。当突然停机管内压力降低时，罐内的压缩空气膨胀向管内注水，减小管内压力减小值： 当管道中压力升高时，空气罐中气体被压缩，从而减小管道中压力的升高值。 水锤消除器和爆破膜属是防护正压水锤防护措施，当管道内水压力超过设定值时，水 锤消除器会自动打开，爆破膜会自动破裂。可控阀，如两阶段液控蝶阀及各种形式的缓闭 蝶阀等，通过优化其关闭过程，减小压力管道中水流速度变化梯度，可有效地减小水锤压 力升高和降低值。 刘竹溪等人将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 曲线的研究盼s 1 。刘光临等1 1 钔利用矩形正交多项式最小二乘曲面拟合数学模型和计算机 仿真技术，以相对流动角和比转数为自变量的分区域的曲面方程来描述水泵全特性曲线， 提出了一种新的计算机仿真预测水泵全特性曲线的方法。陈达卫 9 6 1 、卢伟等 9 7 1 用神经网 络进行水泵全特性预测。 刘梅清等【1 6 】结合长距离输水工程管线长、地形起伏大等特点，指出采用单向调压塔 能有效地防止管道液柱分离，减小水锤升压。l e e l 3 5 、s t e p h e n s o n 3 9 1 、翁晓红【6 习等，研究 了不同空气阎特性对水锤压力的影响。刘梅清等在空气阀防护水锤方面做了大量研究工作 i n l ，探讨了空气阀的应用条件。 蒋劲分析了水泵出口阀门关闭过程对水锤的影响，提出了泵供水系统阀门最优关闭程 序的v s 法【3 5 】。刘光临等人将特征线法应用于工程实际，通过研究，对两阶段关闭蝶阀在 事故停泵时的关闭过程进行了优化等n 鼻4 9 , “川。徐巧权 4 1 根据一取水泵站实际，采用两阶 段缓闭止回阀代替普通微阻缓闭止回阀，较好地解决了泵站水锤问题。刘光临【1 l 1 6 1 对不 同运行条件下，停泵水力过渡过程中调压塔的水锤防护特性及水泵出口阀门关闭程序对管 道压力及调压塔水位的影响，提出了调压塔断面的确定方法。 刘华【5 7 l 等对空气罐防护水锤进行了研究，研究结果表明空气罐能有效减小压力管道 最大压力，提高最小压力，水锤防护效果明显。 4 l 绪论 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【l g - 2 0 。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工作，为调压室在工程中的应用 提供了理论基础1 2 ”。丁峰【5 m 3 一川对注气、注水、注气与拍门和利用截流空气消除水锤问 题进行了研究。杨开林【1 1 3 h 1 刀通过试验与理论分析得出，水力瞬变过程中压力管道进气形 成的空气泡溃灭压力，比液体汽化形成的气泡溃灭压力危害小的多。刘光临f 7 1 l 结合一工 程实际，采用旁通管解决了长距离输水工程水锤防护问题。金锥【1 司指出选择转动惯量较 大的水泵机组或增装惯性飞轮是水锤防护治本之道，并给出了增加惯性飞轮的确定方法。 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，发表的论文对国内常用的 两阶段关闭碟阀、逆止阀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 2 2 讲 3 2 8 。 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 2 8 - 2 9 。郑源等在含气水锤方面做了大量的试验研究1 6 7 - 6 s 。 总体看泵供水系统水锤防护研究已取得了很大成绩。但有关高扬程泵站水锤的现场 试验研究成果很少，对空气阀、水泵全特性曲线预测以及波速等有关问题研究还不够深入， 有待进一步研究。 1 4 泵站节能研究综述 我国兴建的泵站工程，就其规模和数量来看，均居世界各国之前列。但由于各种条 件的限制，泵站工程存在的问题较多，泵站效率不高，能源单耗大，制水成本高等，致使 泵站工程的效益较低。进入8 0 年代。泵供水系统节能一直受到科研、设计及运行管理等 方面的重视，我国对泵站进行技术改造，使泵站效率提高了1 0 0 o - - 1 5 ，有的甚至提高的 更多嗍。 1 9 8 5 年丘传忻出版的泵站节能技术、黄林泉编著的机电排灌节能节水技术经验 和论文汇编，系统地介绍了泵站节能的基本理论和实践，为我国泵站节能起到了很大的 促进作用。泵站节能实际上是贯穿于泵站设计、施工及运行管理的总过程之中。李志耘等 【豫矧根据水库水位变幅的特点，提出了水库取水泵站机组选型的最小功率法，并对水库 取水泵站经济运行进行了探讨。杨晓东等采用整数规划法建立了并联机组优化选型的 数学模型。何希杰蜘分析了大量资料，用统计方法提出了离心泵叶轮切削定律。梁浩【g o l 、 郑雷期、杨洪鑫“州、魏桂生f 1 0 5 等结合工程实际在离心泵叶轮切削节能方面获得了成功。 徐国云【7 6 1 、陈云1 0 ”、蒋瑞利1 0 2 、张华生嗍等采用变速调节解决泵站实际问题，获得 了良好的节能效果。 较早进行泵供水系统经济运行研究的有高占义【8 9 】、李继珊1 10 】、马文正刚等。邵东国 等 9 3 1 采用系统分析理论，研究了梯级泵站供水系统的水资源优化调度问题，建立了具有提 调水量和泄弃水量两个决策变量及多级泵站、多个水库、多个供水片的多目标水资源优化 调度模型。李世芳1 9 3 分析了梯级泵站流量平衡和扬程关系，在水泵工况可调的情况下， 5 西安理工大学博士学位论文 用动态规划原理建立了扬程优化的数学模型。熊晓明【9 4 1 结合某梯级泵站具体情况并考虑 了电价的波峰、波谷变化规律以及级间弃水量最小等因素，提出了一种实时优化的方案， 在该泵站仿真系统上进行模拟计算，获得较好的结果，达到了经济运行的目的。程芳【u 1 j 建 立了泵站优化调度的分解协调模型。 泵供水系统节能内容复杂，涉及学科多，潜力大，对其进行深入研究意义重大。 1 5 本文研究的内容 综上所述，在泵供水系统水锤防护及节能方面还有许多问题有待进一步研究，本文 在前人研究的基础上，主要进行以下几方面的研究： ( 2 ) 高扬程泵站水锤现场试验研究 结合一高扬程泵站工程实际开展研究工作。实测泵站稳态流量、泵出口两阶段关闭 蝶阀关闭过程、水锤波速，及事故停机蝶阀出口压力和水泵机组转速。分析用特征线法 计算的水力过渡过程与实测结果的差异和存在的问题，修正计算参数，优化研究泵站的 蝶阀关闭过程。 ( 2 ) 空气阀防护泵供水系统水锤研究 研究空气阀特性对水力过渡过程的影响，和多阀水锤防护措施。 ( 3 ) 离心泵全特性曲线预测模型研究 分析目前泵全特性曲线预测模型存在的问题，利用现有的离心泵全特性曲线资源， 提出离心泵全特性曲线预测方法。 ( 4 ) 梯级泵站经济运行研究 结合一梯级泵站的实际，建立级间无分水任务的梯级泵站优化调度的动态规划数学 模型，提出技术改造方案。 $ ) 灌溉泵站节能技术改造 研究泵站技术改造如何适应农业结构调整，多沙水源泵站机组选型及进水池最优型 式问题。 ( 6 ) 长距离输水泵站优化设计 着重讨论在供水流量和管线布置一定的条件下，长距离输水泵站优化设计问题。用 线性规划法建立长距离输水工程管道优化设计模型；用年费用最小法建立长距离输水工 程优化设计数学模型。 2 高扬程泵站水锤试验研究 2 高扬程泵站水锤试验研究 某泵站静扬程为2 2 1 6 m ，共安装8 台卧式离心式水泵，其中d k 0 5 1 1 0 2 型卧式离 心泵( 大泵) 6 台，单机流量o 5 m 誓s ，扬程为2 2 5 m ；2 5 0 d k - 2 4 0 c 型卧式离心泵( 小泵) 2 台，单机流量为o 1 9 7 m 3 s ，扬程为2 2 7 4 m 。泵站三台大机一台小机并联共用一条出 水主管道，出水主管道共两条，直径均为1 2 m 。 2 1 试验内容及测点布置 试验分别测量5 # 机和8 # 机突然断电后 蝶阀的关闭过程； 蝶阀出口、进口、2 舡镇墩处压力的变化过程； 水泵机组转速的变化过程。 泵站机组布置如图2 1 所示，试验测点布置如图2 - 2 所示1 3 0 1 。 阐水蝶 闯泵阎 图2 - 1 泵站机组平面布置示意图 f i g 2 一is k e t c ho f p u m p i n gu n i t s 7 8 西安理工大学博士学位论文 口暑od暑u莒器菪ko q。_点qq匠 留删怡嚣繇箔qn匝 2 高扬程泵站水锤试验研究 2 2 量测设备 本次试验采用自制的计算机数据采集系统。计算机数据采集系统由传感器模块( a ) 、 放大电路模块( b ) 、多信道模拟转换开关( c ) 、采样保持及a d ( 模拟数字转换器) 模块、计 算机及外围设备( 如打印机、网络等) 组成( 如图2 - 3 所示) 。 l 传感器tl - | 放大电路1 n i j l 传感器2l 一放大电路2 厂 采 喜 li 样 c 保 持 器 ab 及 a d 传感器“i| 放大电路n i n t e m e t ，rn 图2 - 3 计算机数据采集系统组成框图 f i g 2 - 3b l o c kd i a g r a mf r o md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb yc o m p u t e r 传感器( a ) 将被测的压力信号转换为电压信号。测量时，来自传感器的信号一般都比 较微弱。放大电路模块( b ) 将传感器的微弱的信号进行放大，以满足a d 转换器的满刻度 要求，同时提高抑制干扰、降低噪声的能力。对于多路信号，特别是不同的被测信号，选 择多信道模拟转换开关( c ) 可共享，d ( 模拟数字转换器) 、计算机及外围设备。因为数字 计算机只能处理数字信号，故对于任何一个输入计算机的动态模拟量都要定时进行采样， 而a d 转换器需要一定的转换时间，所以需要将某一时刻的信号予以保持以保证精度； a d 转换器将模拟信号转换为数字信号。计算机是本系统的核心，通过配套软件整理采集 到的数据、显示各测试量过程曲线及对数据进行适当的处理( 如滤波等) ；通过选取不同 外围设备完成不同的工作：利用打印机打印数据和过程曲线，利用网络完成本机与其它计 算机的数据交换。 本系统设计软件以d e l p h i 5 0 为主，其主窗口能显示各测试量随时间的变化过程，软件 流程如图2 4 所示 9 西安理工大学博士学位论文 1 0 图2 4数据采集系统流程图 f i g 2 4f l o wd a g r a mo f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 2 高扬程泵站水锤试验研究 2 3 传感器标定 实验采用的压力传感器是h t p 0 1 型高灵敏度扩散硅压阻压力传感器，精度等级为5 。转速传感器为透射光电式，在水泵联轴器上装有隔射板，水泵每转一圈传感器就产生 一个电脉冲，通过测量相临两个脉冲的时间差就可以计算出水泵的转速。转角传感器为高 精度滑动变阻器 压力传感器在试验前和试验后均进行了现场标定，标定结果如图2 - 5 示。水泵的正常 工作流量用泵站已经安装的超声波流量计测量。 2 4 现场测试结果 图2 - 6 、图2 7 分别为一台小机( 5 # 机) 和一台大机( 8 # 机) 事故停机蝶阀出口压 力和水泵转速测试结果( 实线) 。图2 - 8 为管道水锤波速测量结果，实测平均波速为 1 】7 8 r r d s 。 ? 。 ， 一 。 l23 压力曲 图2 - 5 a1 # 压力传感器标定 f i g 2 - 5 ac h e c ko fp r e s s u r es e n s o rn o 1 l o 口 b 7 6 5 ) 坷呼 1 2 + i 0 8 o 幽8 脚 4 2 0 一 压力蛳曲 图2 - 5 b 刎压力传感器标定 f i g 2 - 5 bc h e c ko f p r e s s u r es e i l s o rn o 2 。 l23l 压力a f p a ) 图2 _ 5 c3 静压力传感器标定 飚一25 cc h e e ko fp r e s s u r es e n s o rn o 3 ” l 2 3 压力0 f p a ) 图2 - 5 d 错压力传感器标定 f i g 2 - s dc h e c k o f p r e s s u i r e o r n o 4 龃啊 艺坦蔷 2 高扬程泵站水锤试验研究 j 粤 i 蟊 林 最 鞠 林 遥 备吐 ：k 采 螂 蚓 f 宝 j o d | 。 ， t z - ， ， ，、 i & 、 0 ： 夕 n 一 呻门o n呻 。dgdd 彳年 ( o u u o h h ) 露牲群驰豺暂繁华d 印蜊耨 高 2 薯 = = 警 = 2 2 = 公 ov “厦 。，嚣 卜 。 呻 n h 乜o z q吼d彗4置董等州。u对占营一譬茸。ii磊_iph雹啦d匿 吾捌鲻擅r长舞嚣k 9 ：n 匝 一 堡童墨三垄望堡主兰堡垒奎 1 4 2 j 趔 露 b 1 、 隶 繇 ，n ， 趔 i 蒜 l 矗 寐 | ； 繇 蚓 善 | 防心 薯 3 n 。 0 ) ， f r a 0 。 ， 吣： 涉 。 ( o u u o h h ) 霹艇跸联蒋暂苄雄口甲刨赣 0 廑 营 on茸五留磬dd0笛营黑占嚣is蜀暑。州rn暑岔写普 ，茬稿魁捌r*涮蒜“豳 2 _ 【 = - 【 n h _ 【h o 【 卜 口 呻 n _ 【 o 2 高扬程泵站水锤试验研究 j ( ) 1 霉 = 葛 o d 1 t p 1 一一 ：) ( ) 哥牲胖￥蛋 。 霉扈 留 参i。挈p|缸i蛊量矗_星h。基l器。=曲卿 蛹露璎鲻矗殴 西安理工大学博士学住论文 2 5 测试结果分析 2 5 1 水锤波速 对于均质管水锤波速的计算公式为州 j k p 1 f1 + 【( k e ) ( d e ) 】c 1 ( 2 - 1 ) 式中；口为水锤波速( 1 1 1 s ) ：k 为流体的体积弹性模量口a ) ；e 为管材的弹性模量口a ) ； p 为流体的密度( k