长距离输水管线压力波动预止阀开阀时间对突然停泵水锤低压的影响

第３２卷第１０期２０１４年１０月水电能源科学ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＶｏｌ．３２Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．２０１４文章编号：１０００－７７０９（２０１４）１０－０１５５－０４长距离输水管线压力波动预止阀开阀时间对突然停泵水锤低压的影响李建刚１，蒋劲２，范征２，兰刚２，黄玉毅１（１．酒泉市水利水电勘测设计院，甘肃酒泉７３５０００；２．武汉大学动力与机械学院，湖北武汉４３００７２）摘要：针对长距离输水系统事故停泵后易导致水柱分离及产生具有破坏性的断流再弥合水锤的现象，建立了突然停泵管道系统气液两相水锤计算模型及其边界条件，并结合某工程实例，应用特征线法对采用注气微排阀和压力波动预制阀防护措施的防护效果进行数值模拟，对压力波动预止阀在不同开阀时间下管线的负压变化进行比较，得到通过采用延迟开阀时间可有效避免因压力波动预止阀的动作而引起的系统管路负压恶化发生汽化的结论，对装设有压力波动预止阀的输水系统的泵站水锤防护具有重要参考价值。关键词：水锤；压力波动预止阀；长距离输水管道；泵站中图分类号：ＴＶ６７５文献标志码：Ａ收稿日期：２０１４－０５－０９，修回日期：２０１４－０６－２３基金项目：国家自然科学基金项目（５１２７９１４５）作者简介：李建刚（１９７０－），男，高级工程师，研究方向为水利水电工程，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｊｇ＿７０＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：蒋劲（１９６３－），男，教授、博导，研究方向为水力机械装置过渡过程实验及数值模拟，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｊｉｎｇ４２３＠１６３．ｃｏｍ１引言在高扬程长距离供水系统中，由于泵站输水系统事故停泵时引起的巨大压力波动会导致部分管线产生负压，甚至发生汽化，回流水柱冲击水泵使其产生倒转，严重威胁了泵站的安全运行。一般在管线中装设空气阀及泵后装设多功能水泵控制阀实现两阶段关阀，将系统的负压及水泵的最大倒转速度控制在安全范围内［１～３］。但在泵后阀门关闭后可能引起高压水锤，通常在水泵出口管道汇总管处装设压力波动预止阀对高压水锤进行防护。压力波动预止阀作为一种新型的水锤防护阀门，在工程中应用广泛。周慧平等［４，５］对压力波动预止阀在工程实际中的应用做了研究；安荣云等［６］对压力波动预止阀的低压导阀开启压力进行了设定，认为设定压力为稳态时的０．５倍；王玲等［７］认为延长开阀时间有利于系统水锤防护。压力波动预止阀能有效抑制泵后阀门关阀后的高压水锤，但在一些系统中，由于阀门提前泄压会导致管道内负压加重，从而带来不利影响。为此，本文结合某泵站输水系统，根据压力波动预止阀工作机理对输水管线中压力波动预止阀的开阀时间进行了优化，合理有效地控制了由于装设压力波动预止阀而引起的管线负压恶化现象。２两相瞬变流基本方程及水锤计算方法２．１水锤计算方法水锤基本方程是由运动方程和连续性方程组成的一组非线性双曲线偏微分方程，对此组合方程的直接求解非常困难，可采用求取双曲线偏微分方程的特征值进行求解。在特征值的约束下使偏微分方程转化为常微分方程：Ｃ＋：ｇａｄＨｄｔ＋ｄＶｄｔ＋ｆｖ｜ｖ｜２Ｄ＝０ｄｘ／ｄｔ＝＋ａ烅烄烆（１）Ｃ－：－ｇａｄＨｄｔ＋ｄＶｄｔ＋ｆｖ｜ｖ｜２Ｄ＝０ｄｘ／ｄｔ＝－ａ烅烄烆（２）式中，ｇ为当地重力加速度；ａ为水锤波速；Ｈ为测压管水头；ｔ为时间；Ｖ、ｖ均为流速；ｆ为管道摩阻参数；Ｄ为管径；ｘ为位置坐标。根据特征线进行积分，由式（１）、（２）进行有限差分近似，得到对应于图１网格。图１中，Δｘ为网格管段长度；Ａ为管道断面积；数值计算时采用经过简化的差分方程格式：图１水锤计算特征线网格Ｆｉｇ．１ＴｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｏｆｗａｔｅｒｈａｍｍｅｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｇｒｉｄＣｐ＝Ｈｉ－１＋ＢＱｉ－１－ＲＱｉ－１Ｑｉ－１Ｃｍ＝Ｈｉ＋１－ＢＱｉ＋１＋ＲＱｉ＋１Ｑｉ＋１Ｈｐｉ＝（Ｃｐ＋Ｃｍ）／２Ｑｐｉ＝（Ｈｐｉ－Ｃｍ）／Ｂ烅烄烆（３）其中Ｂ＝ａ／（ｇＡ）；Ｒ＝ｆΔｘ／２ｇＤＡ２（）式中，Ｃｐ、Ｃｍ均为特征线方程的已知常数；Ｂ为管道的特性常数；Ｒ为管道的摩阻特性常数；Ｑｉ－１、Ｑｉ＋１分别为断面ｉ－１、ｉ＋１的流量；Ｈｉ－１、Ｈｉ＋１分别为断面ｉ－１、ｉ＋１的测压管水头；Ｈｐｉ、Ｑｐｉ分别为断面ｉ的测压管水头和流量。２．２蒸汽空穴模型蒸汽空穴模型假定在某计算截面处发生水柱分离时汽蚀压力为流体汽化压力，汽泡溃灭时，不会产生气体，且水锤的传播速度不变。本文将发生水柱分离前和水柱弥合后的水流视为连续的流体，采用特征线法进行水锤计算。根据此模型假设，当水锤计算过程中某一截面压力小于水体汽化压力时，即认为该处发生了水柱分离，将它作为一种特殊的内部边界条件进行处理。根据质量守恒定理，空穴的体积为：＝∑（Ｑｐ－Ｑｐｕ）Δｔ（４）式中，Ｑｐ为时间步长Δｔ内流出计算截面的平均流量；Ｑｐｕ为流入截面的平均流量。汽穴体积