離心泵出口液控閥門的故障監(jiān)測方法研究

楊 成，于永海，周永偉，封 林，閆浩迪

（1.白銀市興堡川電灌工程管理局，甘肅白銀 730900；2.河海大學農(nóng)業(yè)科學與工程學院，南京 210098；3.江蘇航天水力設(shè)備有限公司，江蘇揚州 225600）

0 引 言

離心泵是高揚程泵站常用的葉片泵類型，一般其出水管道比較長，在水泵出口需要安裝液控閥門［1］。液控閥門在水泵開機和停機過程中的開啟與關(guān)閉規(guī)律直接與水泵系統(tǒng)水錘及其防護相關(guān)聯(lián)，不適當?shù)某隹陂y門操作規(guī)律極易造成泵系統(tǒng)的水錘危害，比如爆管、水泵機組倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過高，影響工程的安全穩(wěn)定運行。當出水管道長度超過泵站凈揚程的30 倍時在泵站設(shè)計時必須進行泵站事故停機工況的水錘計算，進而合理確定水錘防護措施［2-4］，包括泵出口閥門的關(guān)閥規(guī)律和單向調(diào)壓室、氣壓罐［5，6］、空氣閥等水錘防護設(shè)施。

隨著泵站計算機監(jiān)控技術(shù)日趨成熟和穩(wěn)定，為泵站實現(xiàn)“無人值班、少人值守”運行管理模式提供了技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上可建立功能完善的遠程測控系統(tǒng)，實時掌握運行狀態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)存在的事故或故障隱患，為問題處理爭取更多時間，提高泵站運行綜合效率和效益，達到全面的自動化遠程測控目標，實現(xiàn)“無人值班、少人值守”。目前大中型泵站一般都配置了以可編程控制器為基礎(chǔ)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)、水泵機組在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)［7-9］、溫度巡檢系統(tǒng)、電氣設(shè)備繼電保護裝置以及泵站視頻監(jiān)視系統(tǒng)等，為泵站“無人值班”打下了比較好的基礎(chǔ)。但在離心泵站中目前尚缺少泵出口閥門的故障監(jiān)測分析裝置或系統(tǒng)。

本文試圖解決離心泵出口閥門故障無監(jiān)測的問題，以我國引黃灌區(qū)某單級雙吸離心泵站為例，闡述基于泵站水錘計算的離心泵出口閥門的故障監(jiān)測方法。

1 泵站供水系統(tǒng)及測壓點布置

我國引黃灌區(qū)某泵站，泵站前池最低水位1 777.58 m，設(shè)計水位1 778.05 m，最高水位1 778.21 m；出水池最低水位1 803.43 m，設(shè)計水位1 804.18 m，最高水位18 04.51m。泵站最大凈揚程為26.93 m，最小凈揚程為25.22 m。

泵站安裝8 臺單級雙吸離心泵，1、2、7、8 號水泵型號HS700-600-600A，設(shè)計流量1.137 m3/s，設(shè)計揚程28.88 m，額定轉(zhuǎn)速970 r/min，配套異步電動機功率500 kW。3、4、5、6 號水泵型號HS900-800-850B，設(shè)計流量1.7 m3/s，設(shè)計揚程29.41 m，額定轉(zhuǎn)速730 r/min，配套異步電動機功率710 kW。

1、2、3 號水泵為一并聯(lián)組，4、5 號水泵為一并聯(lián)組，6、7、8號水泵為一并聯(lián)組。水泵出水支管為鋼管，管徑800 mm；總管為鋼筋混凝土管，管徑1 600 mm。泵站供水系統(tǒng)圖如圖1所示，總管管中心線縱剖面布置如圖2所示。

圖1 泵站供水系統(tǒng)圖Fig.1 Water supply system diagramof pumping station

圖2 總管縱向管線圖Fig.2 Longitudinal pipeline diagram of manifold

不妨以1、2、3 號泵并聯(lián)組為例，在1、2、3 號水泵出水支管設(shè)定點上分別安裝1 只MPM489 型壓阻式壓力變送器，量程為1 MPa，設(shè)定點位置距泵出口閥門中心線0.93 m，測壓點位置高程為1 776.07 m，如圖3所示。

圖3 測壓點位置圖（高程：m；其他：mm）Fig.3 Location of pressure transmitter

考慮到泵站抽引的黃河水中泥沙含量較大，泵出口閥門選用液控半球閥，閥徑800 mm，該型閥門比較適用于在含有雜質(zhì)、顆粒狀等雜物的介質(zhì)管道中做截流作用。其關(guān)閉規(guī)律是：從全開90°到15°快關(guān)歷時9 s，從15°到全關(guān)0°慢關(guān)10 s，如圖4 所示，當閥門關(guān)到15°時進行開關(guān)停機操作。

圖4 泵出口液控閥門關(guān)閉規(guī)律Fig.4 Closing law of hydraulic control outlet valve of pump

2 泵系統(tǒng)水錘計算

2.1 水錘計算特征線法

（1）特征線相容方程。描述任意管道中水流運動狀態(tài)的基本方程為：

式中：H為測壓管水頭；Q為流量；D為管道直徑；A為管道截面積；f為摩阻系數(shù)；a為水錘波速；g為重力加速度；β為管軸線與水平面的夾角；t為時間變量；x為沿管軸線的距離。

方程組（1）可簡化為標準的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉(zhuǎn)化成同解的管道水錘計算特征線相容方程，其中摩阻項用線性隱式格式近似，具有二階精度；采用交錯網(wǎng)絡(luò)進行計算，通過調(diào)整波速來保證進、出水管的計算時間步長一致［10］。

對于長度L的管道A-B，其兩端點A、B邊界在t時刻的瞬態(tài)水頭HA(t)、HB(t)和瞬態(tài)流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征線相容方程：

式 中 ：CM=HB(t-kΔt) -(a/gA)QB(t-kΔt)，RM=a/gA+R|QB(t-kΔt)|；CP=HA(t-kΔt) -(a/gA)QA(t-kΔt)，RP=a/gA+R|QA(t-kΔt)|；Δt為計算時間步長；ΔL為特征線網(wǎng)格管段長度，ΔL=aΔt（庫朗條件）；k為特征線網(wǎng)格管段數(shù)，k=L/ΔL；R為水頭損失系數(shù)，R= Δh/Q2；其他符號意義同方程組（1）。

（2）水泵節(jié)點控制方程。水泵節(jié)點控制方程包括水頭平衡方程與機組轉(zhuǎn)動力矩平衡方程。

①水頭平衡方程。設(shè)水泵進口、閥門出口節(jié)點編號為1、2，則水頭平衡方程為：

式中：Hr為額定工況水泵揚程；Qr為額定工況水泵流量；h為水泵揚程相對值，采用水泵全特性曲線確定，h=，H為水泵揚程；q為水泵流量相對值，q=，Q為水泵流量；τ為無因次流量系數(shù)，它是閥門開度的非線性函數(shù)，一般以離散數(shù)據(jù)或曲線表示；Af為閥門處管道截面積；ξ為閥門全開時的阻力系數(shù)；其他符號含義同式（2）。

②機組轉(zhuǎn)動力矩平衡方程。

式中：Tα為機組慣性時間常數(shù)；GD2為機組轉(zhuǎn)動慣性力矩；nr為額定工況機組轉(zhuǎn)速；Mr為額定工況機組動力矩；α為水泵轉(zhuǎn)速相對值，α=為水泵轉(zhuǎn)速；β 為機組動力矩相對值，β=，M為機組動力矩，采用水泵全特性曲線確定；βg為機組轉(zhuǎn)動阻力矩無量綱值；α0、β0、βg0為分別為α、β、βg的前一計算時步的值；其他符號含義同式（2）。

（3）求解方法。水錘計算一般從初始穩(wěn)定運行狀態(tài)開始，即取此時t= 0，取為初始值。然后按特征線法計算下一個時刻管道節(jié)點和水力元件的H與Q，一直計算下去就可得到所有管道節(jié)點和水力元件的H和Q的隨時間變化過程。測壓點是計算管道節(jié)點之一，從而可以計算得到測壓點的壓力變化過程。

對管道進行分段，對每個管段內(nèi)點列寫C-與C+特征線相容方程，均只有兩個未知數(shù)，可以求解得到每個節(jié)點的。

對于水池可以列寫一個特征線相容方程，再結(jié)合水池水力元件的一個邊界條件聯(lián)列計算，也可以求得H與Q。

對于水泵及閥門水力元件可以列寫兩個特征線相容方程，列寫水頭平衡方程和力矩平衡方程。水泵全特性曲線按照SUTER法表達［10］，式（3）與式（4）中的h與β均是自變量α與q的函數(shù)，從而式（3）與式（4）構(gòu)成了以自變量α與q的非線性方程組，用Newton-Raphson 迭代方法求得對應(yīng)計算時刻的α與q及h，可得到不同時刻水泵進口、閥門出口的H和Q。

2.2 泵站最大凈揚程工況正常停機水錘計算

經(jīng)計算，3 號泵的比轉(zhuǎn)數(shù)為194，水錘計算時近似采用現(xiàn)有資料可查得的比轉(zhuǎn)數(shù)175 的全特性曲線。圖5 是經(jīng)水錘計算得到的1、2、3 號泵并聯(lián)組在最大凈揚程工況下僅運行3 號泵正常停機時測壓點測壓管水頭的變化過程線Hcmax（t），泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律如圖4 所示。圖5 中t=0 時刻對應(yīng)的是閥門開始關(guān)閉時刻。

圖5 泵站最大凈揚程工況僅運行3號泵正常停機測壓點測壓管水頭變化過程線Fig.5 Curve of pizeometric head of pressure measuring point with time under maximum net head when normal stop of only operating No.3 pump

2.3 泵站最小凈揚程工況正常停機水錘計算

對泵站最小凈揚程工況進行水錘計算，可得到僅運行3#泵正常停機測壓點測壓管水頭變化過程線Hcmin（t），如圖6所示。

圖6 泵站最小凈揚程工況僅運行3號泵正常停機測壓點測壓管水頭變化過程線Fig.6 Curve of pizeometric head of pressure measuring point with time under minimum net head when normal stop of only operating No.3 pump

3 泵正常停機試驗與數(shù)模計算結(jié)果驗證

泵站最大凈揚程工況下，1、2、3 號泵并聯(lián)組僅運行3 號泵的情況下進行水泵機組正常停機試驗，泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律如圖4 所示，測壓點壓強水頭隨時間的變化曲線，如圖7 所示。圖7 中數(shù)據(jù)來自該泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，時刻0 點為泵出口閥門開始關(guān)閉時刻：2019年8月24日15時54分2秒。

圖5 水錘計算條件與上述試驗工況相同，將圖5 的測壓點測壓管水頭Hcmax（t）減去測壓點位置高程就可得到壓強水頭pcmax（t），如圖7 所示。從圖7 中可以看出，兩者在閥門動作的19 s 時間內(nèi)壓力數(shù)據(jù)基本接近，表明水錘數(shù)值計算結(jié)果是比較可靠的。

圖7 泵站最大凈揚程下僅運形3號泵正常停機下測壓點壓力變化過程線Fig.7 Curve of pressure head of pressure measuring point with time under maximum net head when normal stop of only operating No.3 pump

4 泵出口閥門故障的判斷依據(jù)

將圖6 最小凈揚程工況下的測壓管水頭Hcmin（t）減去測壓點位置高程就可得到壓強水頭pcmin（t），從而可求得最大凈揚程工況與最小凈揚程工況水錘計算得到的壓強水頭差的平方和ε，即：

式中：i為計算時段內(nèi)不同離散時刻，1，2，…，N。可取從閥門開始關(guān)閉時刻開始，到閥門完全關(guān)閉時刻結(jié)束，作為計算時段，時間步長可取1 s。

當泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律不變化時可測得泵站實際運行凈揚程工況下的測壓點壓強水頭過程線ptnom（t），可求得與最大凈揚程工況水錘計算得到的壓強水頭之間差的平方和E，即：

在泵出口閥門關(guān)閉規(guī)律相同條件下，泵站實際運行凈揚程是在最大凈揚程與最小凈揚程之間，從而有E ≤ε。如果改變關(guān)閉規(guī)律，比如快關(guān)時間增大1 s，慢關(guān)時間減少1 s，總關(guān)閉時間不變，進行水錘計算，因為此時的壓力變化過程與閥門正常關(guān)閉時的錯位了，這時計算出的E 值將遠大于正常關(guān)閉計算得到的E值。也就是說如果根據(jù)閥門關(guān)閉過程中實測壓強水頭值計算得到的E值大于ε，則可以認為閥門關(guān)閉規(guī)律不同于圖4所示的正常關(guān)閉規(guī)律，進而可以判斷閥門出現(xiàn)了故障，比如因密封失效使得液壓系統(tǒng)漏油導致操作機構(gòu)出現(xiàn)動作故障。

經(jīng)計算，用圖7 的試驗值代入式（5）計算得到的ε 值是用圖7 的水錘計算值計算得到的ε 值的0.96 倍，從而可以得到最大凈揚程時實測值比計算值略小，進而得到在最小凈揚程時實測值也比計算值略小。監(jiān)控E值是用最大凈揚程下水錘計算值與實測壓力值計算的，如果實際運行在最小凈揚程下則計算得到的E值將大于ε。如果不對ε做放大修正，則會得出閥門有故障的錯誤結(jié)論。綜合考慮水泵全特性曲線、數(shù)值計算和采集數(shù)據(jù)等方面的誤差，對式（5）計算得到的ε 進行修正，一般可放大1.1倍。

5 結(jié) 論

泵出口液控閥門是高揚程離心泵站的關(guān)鍵設(shè)備，要真正實現(xiàn)泵站“無人值班、少人值守”運行管理模式，就必須建立監(jiān)測對象全面、功能完備的泵站狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，但目前的故障監(jiān)測對象中尚缺少離心泵出口液控閥門。

以某引黃灌區(qū)雙吸離心泵站為工程實例，本文提出了一種離心泵出口液控閥門故障監(jiān)測方法。基于泵系統(tǒng)水錘計算結(jié)果，構(gòu)建了泵站最大凈揚程和最小凈揚程工況下各計算時刻測壓點壓力差的平方和，以此為基礎(chǔ)提出了離心泵出口液控閥門的故障監(jiān)測指標值ε。當實際運行測得的壓力與最大凈揚程工況水錘計算得到的壓力值之間差的平方和E 大于ε 時，則可以判斷泵出口液控閥門存在故障。經(jīng)工程實際應(yīng)用驗證，說明該方法是行之有效的。

本文以三臺離心泵并聯(lián)組為研究對象，對只有一臺泵運行情況下該泵正常停機過程出口液控閥門故障的監(jiān)測方法進行了研究，該方法同樣可用于其他不同運行水泵機組組合，比如三臺泵并聯(lián)組兩臺泵運行情況下其中一臺泵停機；兩臺泵并聯(lián)組兩臺泵都運行情況下其中一臺泵停機等，但故障判斷標準值ε是不同的，需要經(jīng)水錘計算確定。