基于軸流式止回閥的高揚(yáng)程泵站水錘防護(hù)仿真計(jì)算

廖志芳，王榮輝，肖玉平，張白云，唐澤潤，談凱，蔣勁

(1.天津市輸水系統(tǒng)水錘閥門控制技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300051；2.天津博納斯威閥門股份有限公司，天津300051； 3.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明650051； 4.武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430072)

止回閥在泵站水力過渡過程的防護(hù)中有著一定的運(yùn)用，尤其當(dāng)泵站揚(yáng)程較高而機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小時(shí)，止回閥裝設(shè)在水泵出口防止在泵站事故停機(jī)時(shí)引起機(jī)組倒轉(zhuǎn)[1]，但這種防護(hù)措施的缺點(diǎn)在于往往會(huì)導(dǎo)致水泵出口出現(xiàn)較大升壓，需要配合超壓泄壓閥或者水擊泄放閥。本文所論述的方法是在管線中間和管線末端以及水泵出口同時(shí)設(shè)置軸流式止回閥，多個(gè)閥門聯(lián)動(dòng)將一段長管道分成幾段，大大降低水錘防護(hù)的難度。而此種方法在工程上還未有實(shí)際運(yùn)用，也未見相關(guān)文獻(xiàn)，因此很有研究的價(jià)值，本文旨在通過計(jì)算結(jié)果論證軸流式止回閥多閥調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，并指導(dǎo)工程運(yùn)用。

1軸流式止回閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

軸流式止回閥是安裝在壓縮機(jī)、泵等的出口防止介質(zhì)回流的裝置，見圖1。當(dāng)壓縮機(jī)、泵等工作時(shí)對介質(zhì)做功，使介質(zhì)動(dòng)能增加，當(dāng)介質(zhì)流動(dòng)到閥瓣位置時(shí)，流動(dòng)受阻，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力勢能，推動(dòng)閥芯，閥門開啟。當(dāng)壓縮機(jī)、泵等停止工作時(shí)，在彈簧和回流介質(zhì)作用下閥門關(guān)閉阻止介質(zhì)回流。

圖1軸流式止回閥結(jié)構(gòu)示意

圖2為該軸流式止回閥的流阻特性曲線，其中流體通過閥門時(shí)，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降Δp表示。

圖2軸流式止回閥流阻特性曲線

對于紊流流態(tài)的液體：

Δp=ζu2ρ/2

式中：Δp為被測閥門的壓力損失，MPa；ζ為閥門的流阻系數(shù)；ρ為流體密度，kg/mm3；u為流體在管道內(nèi)的平均流速，mm/s。

軸流式止回閥可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)兩階段關(guān)閉，關(guān)閉過程中，當(dāng)閥門行程達(dá)到全行程的90%時(shí)，緩沖缸活塞與閥瓣接觸，減緩閥瓣關(guān)閉過程，緩閉時(shí)間可通過針型閥調(diào)節(jié)[2]。

2水力過渡過程的數(shù)學(xué)模型及邊界條件

水錘計(jì)算的特征線法[3-4]。管道系統(tǒng)水錘的計(jì)算是對整個(gè)裝置進(jìn)行計(jì)算分析，包括管道內(nèi)點(diǎn)及與管道連接的裝置中的各部分(邊界點(diǎn))。在水錘計(jì)算中，對于管道系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)的計(jì)算是求解水錘基本方程，即由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程組成的雙曲型偏微分方程組[5]。為了實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的編程計(jì)算，需采用特征線方法將該偏微分方程組離散化[6]，為此，先沿特征線方向?qū)⑺D(zhuǎn)換為水錘全微分方程：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)進(jìn)行有限差分近似，可以得到對應(yīng)于圖3所示的水錘離散特征線方程：

圖3水錘計(jì)算的特征線網(wǎng)格

(3)

(4)

解上述方程可得：

C+:HP=HA-B(QP-QA)-RQA|QA|

(5)

C-:HP=HB+B(QP-QB)+RQB|QB|

(6)

或

C+:HP=CP-BQP

(7)

C-:HP=CM+BQP

(8)

3超高揚(yáng)程泵站多閥調(diào)節(jié)仿真分析

本文基于超高揚(yáng)程泵站對軸流式止回閥多閥調(diào)節(jié)的方案進(jìn)行分析，其中，泵站采用一管三機(jī)，兩用一備，水泵設(shè)計(jì)流量1.415 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程610 m，設(shè)計(jì)點(diǎn)效率85%，設(shè)計(jì)工況軸功率9 962 kW，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2 000 kg·m2。該泵站的特點(diǎn)是揚(yáng)程高，管線短，事故停泵時(shí)倒流快。本文所使用的軟件是專業(yè)的水力分析軟件PIPENET，PIPENET管網(wǎng)流體分析軟件起源于上世紀(jì)70年代的劍橋大學(xué)。1979年，劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)中心將其收購并命名為PIPENET，1985年SUNRISE SYSTEMS LIMITED公司成立，獨(dú)立進(jìn)行PIPENET軟件的研發(fā)和拓展。PIPENET是國際上流行的商用軟件,該系列軟件已廣泛的運(yùn)用于石油化工、工業(yè)循環(huán)水以及跨流域輸送等行業(yè)，具備強(qiáng)大的工程管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算、模擬仿真和系統(tǒng)優(yōu)化等功能。

圖4泵站示意圖

3.1泵站無防護(hù)事故停泵

當(dāng)不設(shè)置任何防護(hù)措施時(shí)，計(jì)算系統(tǒng)產(chǎn)生的水錘壓力。停泵后1.5 s開始倒流，兩臺(tái)泵在停泵后5.6 s后開始倒轉(zhuǎn)，其倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速超過了水泵額定轉(zhuǎn)速的1.2倍；極長管段中出現(xiàn)負(fù)壓，系統(tǒng)最小壓力達(dá)到-8 m，為提前設(shè)定的在該地區(qū)的水的汽化壓力。水流有被拉斷的情況發(fā)生。水泵出口的最大正壓為899 m，超過了平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)壓力的1.3倍。綜上所述，對兩臺(tái)泵事故停泵的工況必須采取必要的防護(hù)措施防止倒流倒轉(zhuǎn)和過大壓力帶來的危害。

圖5無防護(hù)壓力包絡(luò)線

圖7無防護(hù)最大升壓

3.2多閥調(diào)節(jié)

在水泵出口設(shè)置軸流式止回閥，閥門兩階段關(guān)閉，快關(guān)為停泵后1.5 s關(guān)85%，慢關(guān)為55 s關(guān)15%。在管線高點(diǎn)處和末端設(shè)置三臺(tái)軸流式止回閥，閥門在0流量時(shí)關(guān)至10%，并保持10%開度，不關(guān)死。

數(shù)值模擬的結(jié)果顯示停泵后所產(chǎn)生的最大水錘升壓僅為634 m，略高于最大使用壓力(632 m)，機(jī)組倒轉(zhuǎn)未超過額定轉(zhuǎn)速，高點(diǎn)處控制最小壓力在-5 m以內(nèi)，未產(chǎn)生汽化。且軸流式止回閥前后壓降僅為1 m，相對于泵站的凈揚(yáng)程(619.55 m)而言非常小，這說明該閥流阻較小，有優(yōu)良的水力特性，不會(huì)產(chǎn)生過大的水力損失。相比于無防護(hù)停泵，使用軸流式止回閥的多閥調(diào)節(jié)方案可以使閥門出口水錘升壓減小40%，并極大地抑制機(jī)組倒轉(zhuǎn)，也可控制高點(diǎn)處的負(fù)壓。

圖8多閥調(diào)節(jié)壓力包絡(luò)線

圖9多閥調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速

圖10多閥調(diào)節(jié)最大升壓

圖11軸流式止回閥前后壓降

4結(jié)語

1)軸流式止回閥在上述典型的短距離超高揚(yáng)程泵站的水錘防護(hù)中有著較為獨(dú)特的用法，即安裝在管線中間和末端，在事故停泵中起到截流作用，將一段管道分隔成幾段管道，有效抑制流體倒流，且解決了由于水泵出口閥門關(guān)閉太快引起的升壓問題，但是閥門不關(guān)死，確保管道中沒有液柱分離的情況發(fā)生。

2)軸流式止回閥的多閥調(diào)節(jié)方案的優(yōu)點(diǎn)在于閥門流阻小，水力特性優(yōu)良，不會(huì)有較大損失；對于水錘事故產(chǎn)生的升壓和機(jī)組倒轉(zhuǎn)的防護(hù)效果相當(dāng)明顯，不需要設(shè)置復(fù)雜且昂貴的水力元件。

3)本文所論述的軸流式止回閥的妙用適用于短距離高揚(yáng)程的泵站過渡過程的防護(hù)，特別隨著近年的發(fā)展，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越來越小，這對于過渡過程的防護(hù)提出了更高的要求。為控制機(jī)組倒轉(zhuǎn)就需要泵后閥門快速關(guān)閉，但這樣又會(huì)帶來更高的升壓問題，所以還需要配合超壓泄壓閥或者空氣罐同時(shí)調(diào)節(jié)，這種方法不僅效果不明顯，且不夠經(jīng)濟(jì)。在管線中間和末端加軸流式止回閥，可以在保證機(jī)組倒轉(zhuǎn)不超過標(biāo)準(zhǔn)的情況下控制閥后幾乎不升壓，同時(shí)防止局部高點(diǎn)出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。且軸流式止回閥成本低廉，工藝成熟，安全可靠，為解決類似的問題提供了新思路。