漳澤泵站供水系統(tǒng)水力計(jì)算數(shù)值模擬研究

張瑜芝

（山西省漳河水利工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002）

漳澤泵站供水系統(tǒng)水力計(jì)算數(shù)值模擬研究

張瑜芝

（山西省漳河水利工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002）

水泵系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性研究是供水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理運(yùn)行的前提條件，可為供水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算提供初值，為優(yōu)化調(diào)節(jié)提供基礎(chǔ)，也為自動(dòng)化控制提供接口。建立了單泵單管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和并聯(lián)水泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)漳澤泵站供水系統(tǒng)4種工況下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和水力過(guò)渡過(guò)程的數(shù)值模擬，得出該泵站運(yùn)行效率偏低、應(yīng)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)的結(jié)論。

漳澤泵站；供水系統(tǒng)；水力計(jì)算；數(shù)值模擬

0 引言

目前，我國(guó)正在推進(jìn)節(jié)約型社會(huì)建設(shè)，因此，如何節(jié)約能源、更加高效地利用能源也是供水工程必然面臨的課題［1］。穩(wěn)態(tài)計(jì)算是計(jì)算水泵正常運(yùn)行過(guò)程中管道中水流處于恒定流動(dòng)狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量、揚(yáng)程、效率及泵站的流量、效率等的計(jì)算類(lèi)型。它可以為泵站的優(yōu)化調(diào)節(jié)提供依據(jù)。在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制界面，可以為自動(dòng)控制提供接口，為供水工程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供基礎(chǔ)［2］。

漳澤泵站是辛安泉供水改擴(kuò)建工程的供水工程，為了確保工程安全運(yùn)行，需要對(duì)其供水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提供不同的水泵投入運(yùn)行條件下水泵的工作點(diǎn)以及供水工程系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以校核水泵的穩(wěn)定工作區(qū)域、電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷情況、供水工程系統(tǒng)的流量、揚(yáng)程和效率等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)進(jìn)出水池的不同水位變化情況，確定泵站穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的特性，同時(shí)確定兩階段液控止回蝶閥的關(guān)閉時(shí)間及角度，即水錘防護(hù)設(shè)備的合理關(guān)閉規(guī)律，為工程安全高效運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。筆者試對(duì)漳澤泵站供水系統(tǒng)的水力計(jì)算數(shù)值模擬過(guò)程進(jìn)行探討，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。

1 工程概況

漳澤泵站是辛安泉供水改擴(kuò)建工程中襄垣支線的取水工程，它向潞安、潞寶、王橋3個(gè)蓄水池供水，設(shè)計(jì)流量為1．65m3／s。泵站共布置4臺(tái)機(jī)組，水泵型號(hào)均為DFSS400－9／4AT（單級(jí)雙吸臥式離心泵），配套電機(jī)為YSPKK500－4，三工一備。單臺(tái)泵設(shè)計(jì)流量為0．55m3／s。漳澤泵站至王橋調(diào)蓄池壓力管線長(zhǎng)為29126．27m，單管 DN1400PCCP／DN900DIP；漳澤泵站至潞寶調(diào)蓄池壓力管線長(zhǎng)為22383．23m，單管DN1400PCCP／DN900DIP／DN600DIP； 漳澤泵站至潞安調(diào)蓄池壓力管線長(zhǎng)為27454．8m，單管DN1400PCCP／DN900DIP／DN500DIP。

2 數(shù)學(xué)模型

2．1 單泵單管穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型

水泵運(yùn)行的工作點(diǎn)是泵站的流量—需要揚(yáng)程的關(guān)系曲線Q～H需與水泵的流量—揚(yáng)程曲線Q～H的交點(diǎn)。水泵工作點(diǎn)求解圖如圖1所示。

圖1 水泵工作點(diǎn)求解圖Fig.1 Water pump working site solution

水泵的需要揚(yáng)程等于水泵的凈揚(yáng)程加上管道的阻力損失。若計(jì)算出管道的阻力參數(shù)為S，則需要揚(yáng)程可用式（1）計(jì)算。水泵的特性曲線可以根據(jù)廠家提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合得到，如式（2）所示。

由式（1）和式（2）可得到能量平衡方程，如式（3）所示。

利用式（3）可求得流量，通過(guò)擬合得到的性能曲線可求得揚(yáng)程。同理，可擬合出效率曲線，求得效率［3］。

2．2 并聯(lián)水泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型

n臺(tái)同型號(hào)泵并聯(lián)相當(dāng)于水泵揚(yáng)程H不變，流量擴(kuò)大n倍，其需要揚(yáng)程的計(jì)算式為式（4），揚(yáng)程仍按式（2）計(jì)算。由此可得到能量平衡方程式（5）。

2．3 水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)學(xué)模型

水錘方程包括運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程，其表達(dá)式分別為式（6）和式（7）。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3．1穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)值模擬

針對(duì)漳澤泵站可能出現(xiàn)的4種運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如表1～表4所示。

由表1～表4可知：當(dāng)漳澤泵站1臺(tái)機(jī)組分別向王橋、潞安調(diào)蓄池供水時(shí)，在特定地形揚(yáng)程工況下，水泵效率均較高，能夠滿(mǎn)足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中泵站效率不低于54．4%的要求。當(dāng)1臺(tái)機(jī)組向潞寶調(diào)蓄池供水及3臺(tái)機(jī)組同時(shí)向潞安蓄水池供水時(shí)，在特定地形揚(yáng)程工況下，水泵效率均較低，不能滿(mǎn)足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中泵站效率不低于54．4%的要求。

3．2 水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬

針對(duì)泵站可能出現(xiàn)的4種運(yùn)行工況進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)值模擬，結(jié)果如表5～表8所示。

表1 1臺(tái)泵向王橋蓄水池供水時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬結(jié)果Tab.1 Steady operation simulation result of one pump to supply water to Wangqiao impounding reservoir

表2 1臺(tái)泵向潞寶蓄水池供水時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬結(jié)果Tab.2 Steady operation simulation result of one pump to supply water to Lubao impounding reservoir

表3 1臺(tái)泵向潞安蓄水池供水時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬結(jié)果Tab.3 Steady operation simulation result of one pump to supply water to Luan impounding reservoir

表4 3臺(tái)泵向潞安蓄水池供水時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬結(jié)果Tab.4 Steady operation simulation result of three pumps to supply water to Luan impounding reservoir

表5 1臺(tái)泵向王橋蓄水池供水時(shí)停泵水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果Tab.5 No-pump hydraulic transient process calculation of one pump to supply water to Wangqiao impounding reservoir

表6 1臺(tái)泵向潞寶蓄水池供水時(shí)停泵水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果Tab.6 No-pump hydraulic transient process calculation of one pump to supply water to Lubao impounding reservoir

表7 1臺(tái)泵向潞安蓄水池供水時(shí)停泵水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果Tab.7 No-pump hydraulic transient process calculation of one pump to supply water to Luan impounding reservoir

表8 3臺(tái)泵向潞安蓄水池供水時(shí)停泵水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果Tab.8 No-pump hydraulic transient process calculation of three pumps to supply water to Luan impounding reservoir

由表5～表6可知：閥門(mén)拒動(dòng)作時(shí)，在上述4種工況下，最大正壓均可滿(mǎn)足規(guī)范要求；最大負(fù)壓均偏大，不滿(mǎn)足規(guī)范要求；最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速除1臺(tái)機(jī)組向潞寶蓄水池供水時(shí)超出規(guī)范要求外，其他均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。蝶閥防護(hù)時(shí)，在上述4種工況下的水泵最大正壓、倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均能滿(mǎn)足規(guī)范要求；最大負(fù)壓均有所改善，但仍然偏大，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。蝶閥加進(jìn)、排氣閥聯(lián)合防護(hù)時(shí)，在大量對(duì)進(jìn)、排氣閥的安裝位置及數(shù)量進(jìn)行數(shù)值模擬后，未找到與系統(tǒng)匹配的合理位置和數(shù)量，在向王橋和潞寶方向供水時(shí)，水泵出口斷面最大負(fù)壓均為－7m，超出規(guī)范要求，管路其他負(fù)壓均可滿(mǎn)足規(guī)范要求；在向潞安方向供水過(guò)程中，當(dāng)1臺(tái)機(jī)組單獨(dú)運(yùn)行和3臺(tái)機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，水泵出口斷面、樁號(hào) X26＋539．64、樁號(hào) X26＋768．43、樁號(hào) X26＋997．22、樁號(hào) X27＋226．01最大負(fù)壓偏大，超出規(guī)范要求，管路其他負(fù)壓均可滿(mǎn)足規(guī)范要求。在4種工況運(yùn)行下，管路最大正壓、最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）在4種工況運(yùn)行的條件下，泵站效率較低，不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。因此，在滿(mǎn)足供水流量的前提下，水泵機(jī)組應(yīng)采用變頻運(yùn)行方式，以此提高水泵及泵站效率。

（2）閥門(mén)拒動(dòng)作時(shí)，最小壓力、最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超出規(guī)范要求。因此，需加設(shè)兩階段液控止回蝶閥防護(hù)設(shè)備，以保證管路的安全。

（3）在兩階段液控蝶閥防護(hù)下，壓力管線壓力分布明顯改善，但由于壓力管路距離長(zhǎng)、流量小、管路起伏較大，個(gè)別管段負(fù)壓較大，已經(jīng)超出規(guī)范要求。因此，通過(guò)兩階段液控止回蝶閥進(jìn)行防護(hù)，需要與進(jìn)、排氣閥結(jié)合運(yùn)行，以改善壓力管線的壓力分布狀況。

（4）針對(duì)水泵出口斷面負(fù)壓較大的情況，可以在水泵出口斷面附近安裝一臺(tái)真空破壞閥。針對(duì)管路下游個(gè)別斷面負(fù)壓較大的情況 （主要指潞安供水段），可以在相應(yīng)斷面處安裝真空破壞閥或適當(dāng)降低下游管線高程。

［1］ 欒鴻儒．水泵及水泵站［M］．北京：水利水電出版社，1993：19－36．

［2］ 吳建華．供水泵站工程新技術(shù)［M］．北京：中國(guó)水利水電出版社，2002：6－20．

［3］ 吳建華，張小鵬，王棟．供水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行計(jì)算數(shù)值模擬研究［J］．科學(xué)之友，2008（30）：127－128．

Study on Hydraulic Calculation Numerical Simulation of Zhangze Pumping Station Water System

Zhang Yuzhi
（Bureau of Zhanghe River Water Conservancy Project Construction in Shanxi Province，Taiyuan030002， Shanxi， China）

Pump system steady operation research is the prerequisite of water system economic and reasonable operation， it provides the initial value of water system hydraulic transient process calculation， the basis of optimal regulation，the interface of automatic control．The mathematical model of single pump with single tube steady operation and paralleling pump steady operation is established．By making numerical simulation of Zhangze pumping station water system steady operation under four working conditions and hydraulic transient process，it points out that this pumping station operation efficiency is low and needs optimal regulation．

Zhangze pumping station；water system；hydraulic calculation；numerical simulation

TV136.2

A

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．004

2017-07-14

張瑜芝（1987-），女，河南伊川人，助理工程師，碩士，主要從事水利水電工程施工工作。

[責(zé)任編輯 楊明慶]