基于Flowmaster的高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站止回閥關(guān)閉規(guī)律研究

盧珍++周小波++李光輝++曾文明++李玉玲++阮紅麗++梁君

摘要 以某高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站為例，借助當(dāng)今全球最為著名的熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件Flowmaster進(jìn)行系統(tǒng)建模，對(duì)水泵在意外斷電的情況下，水泵后無(wú)止回閥以及止回閥分別采用線性關(guān)閉和兩階段關(guān)閉規(guī)律等情況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算及分析，并進(jìn)一步對(duì)先快后慢的兩階段關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析研究。結(jié)果表明：對(duì)于高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站管道系統(tǒng)，在水泵意外斷電的情況下，可通過(guò)在水泵出口設(shè)置兩階段關(guān)閉的止回閥，并通過(guò)改變閥門(mén)的關(guān)閉規(guī)律來(lái)減小最大水錘壓力值。

關(guān)鍵詞 Flowmaster；高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站；止回閥關(guān)閉規(guī)律

中圖分類號(hào) S277.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）01-0173-03

高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站在丘陵山區(qū)較常見(jiàn)，是保障農(nóng)業(yè)灌溉的重要水利設(shè)施，其運(yùn)行過(guò)程中，由于水泵意外斷電，止回閥的關(guān)閉所引起的水錘壓力是高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站設(shè)計(jì)以及運(yùn)行管理過(guò)程中最關(guān)心的因素之一，也是大量學(xué)者長(zhǎng)期研究的重點(diǎn)之一[1-3]。水錘事故的發(fā)生危害性較大，常導(dǎo)致水泵機(jī)組、管道、閥門(mén)等設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至造成人身傷亡事故。因此，針對(duì)高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站系統(tǒng)開(kāi)展止回閥關(guān)閉規(guī)律研究，準(zhǔn)確分析和計(jì)算管道系統(tǒng)的水錘壓力，對(duì)指導(dǎo)選擇管道類型及壓力等級(jí)、閥門(mén)類型及壓力等級(jí)和關(guān)閉規(guī)律、水錘防護(hù)措施等具有重要作用，對(duì)保障高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站系統(tǒng)安全高效運(yùn)行及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全供水具有重要意義。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用已非常廣泛。與傳統(tǒng)研究方法相比，數(shù)值模擬方法具有預(yù)見(jiàn)性、周期短、投資小、準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要手段[4-5]。本文借助當(dāng)今全球最為著名的熱流體系統(tǒng)仿真分析軟件Flowmaster對(duì)某高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)其開(kāi)展止回閥關(guān)閉規(guī)律研究，以期為提灌站工程設(shè)計(jì)、水錘防護(hù)以及水錘研究等提供理論參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 Flowmaster軟件簡(jiǎn)介

Flowmaster是全球領(lǐng)先的一維流體系統(tǒng)仿真解算工具，是面向工程的完備的流體系統(tǒng)仿真軟件包，對(duì)于各種復(fù)雜的流體系統(tǒng)，工程師可以利用Flowmaster快速有效地建立精確的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行完備的分析。每個(gè)流體系統(tǒng)由許多的元件構(gòu)成，如泵、閥、管路等，F(xiàn)lowmaster可以監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行情況，如改變泵轉(zhuǎn)速、開(kāi)啟和關(guān)閉閥門(mén)時(shí)系統(tǒng)的變化情況，如各支路流量的變化及各節(jié)點(diǎn)壓力的變化，F(xiàn)lowmaster可以對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精確的壓力、流量、流速分析，快速地幫助工程師完成和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[6]。

1.2 研究對(duì)象

以某高揚(yáng)程長(zhǎng)管道提灌站為研究對(duì)象。該站從水庫(kù)取水，進(jìn)、出水管道為鋼管。該站安裝有1臺(tái)離心泵，額定流量0.023 6 m3/s，額定揚(yáng)程225 m，額定功率75 kW，額定轉(zhuǎn)速2 950 r/min。該站的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，管路系統(tǒng)組成具體如圖1所示。

1.3 建模方法

1.3.1 管路系統(tǒng)模型搭建。根據(jù)上述提灌站管路系統(tǒng)的實(shí)際組成，搭建了圖2所示的提灌站管路系統(tǒng)計(jì)算模型[7-8]。

1.3.2 計(jì)算條件設(shè)置。①模擬介質(zhì)：水，溫度為20 ℃，密度為998 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.001 01 Pa·s；②進(jìn)口邊界條件：給定恒定的總壓；③出口邊界條件：給定恒定的總壓。④波速：1 000 m/s；⑤計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)：0.02 s[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 無(wú)止回閥停泵過(guò)程分析

在水泵出口未安裝止回閥的情況下，對(duì)水泵意外斷電后提灌站管道系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。從圖3可以看出，水泵意外斷電后，轉(zhuǎn)速由正轉(zhuǎn)開(kāi)始不斷降低，直至降到0，然后水泵開(kāi)始反轉(zhuǎn)，且反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不斷增大，直至達(dá)到最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速2 483 r/min后維持穩(wěn)定。從圖4可以看出，水泵意外斷電后，流量開(kāi)始不斷減小，減為0后水流開(kāi)始倒流，且倒流流量快速增大到0.018 9 m3/s，然后再緩慢減小至0.011 5 m3/s。從圖5可以看出，水泵出口壓力快速降低至105.4 m，然后再緩慢增大到124 m，最后保持恒定。

由此可見(jiàn)，水泵出口未安裝止回閥時(shí)，在水泵意外斷電的情況下，水泵轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，同時(shí)管道系統(tǒng)的水會(huì)出現(xiàn)大量倒流，而水泵出口的壓力波動(dòng)不大。

2.2 線性關(guān)閉規(guī)律分析

在水泵出口安裝普通止回閥的情況下，分別對(duì)控制閥線性5 s關(guān)閉、線性10 s關(guān)閉、線性15 s關(guān)閉、線性20 s關(guān)閉4種運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。從圖6和表2可以看出，不同線性關(guān)閉時(shí)間下，最大水錘壓力值均小于水泵出口壓力的1.3倍，均能滿足要求。止回閥采用線性關(guān)閉規(guī)律時(shí)，最大水錘壓力值隨閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。

雖然閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)可有效降低關(guān)閥后的最大水錘壓力值，但關(guān)閉時(shí)間太長(zhǎng)，容易引起壓力管道中水大量倒流。因此，應(yīng)合理確定閥門(mén)的線性關(guān)閉時(shí)間，確保最大水錘壓力值在要求范圍內(nèi)，同時(shí)也要保證管道內(nèi)不能出現(xiàn)水的大量倒流。

2.3 先快后慢兩階段關(guān)閉規(guī)律分析

在保持關(guān)閉總時(shí)間在15 s的情況下，控制閥采用先快后慢兩階段關(guān)閉規(guī)律，快關(guān)時(shí)間為1.5 s，關(guān)閉角度80%，慢關(guān)時(shí)間為13.5 s，關(guān)閉角度20%。從圖7可以看出，最大水錘壓力值為219.6 m，小于在相同關(guān)閉時(shí)間下采用線性關(guān)閉規(guī)律時(shí)的最大水錘壓力值225 m。由此可見(jiàn)，與線性關(guān)閉規(guī)律相比，采用先快后慢的兩階段關(guān)閉規(guī)律可有效降低最大水錘壓力值，對(duì)保障提灌站系統(tǒng)安全運(yùn)行更有效。

2.4 緩慢關(guān)閉時(shí)間變化規(guī)律分析

采用先快后慢的兩階段關(guān)閉規(guī)律，在保持快關(guān)時(shí)間1.5 s和角度關(guān)閉量80%不變的情況下，分別對(duì)慢關(guān)時(shí)間為5、10、15、20 s 4種運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。從圖8和表3可以看出，不同緩慢關(guān)閉時(shí)間下，最大水錘壓力值均小于水泵出口壓力的1.3倍，均能滿足要求。在快關(guān)時(shí)間和角度關(guān)閉量不變的情況下，隨著慢關(guān)時(shí)間的延長(zhǎng)，最大水錘壓力值逐漸降低。

2.5 慢關(guān)角度關(guān)閉量變化規(guī)律分析

采用先快后慢的兩階段關(guān)閉規(guī)律，在保持快關(guān)時(shí)間1.5 s和慢關(guān)時(shí)間13.5 s不變的情況下，分別對(duì)慢關(guān)角度關(guān)閉量5%、10%、15%、20%、25%、30% 6種運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。從圖9和表4可以看出，慢關(guān)角度關(guān)閉量不同時(shí)，最大水錘壓力值均小于水泵出口壓力的1.3倍，均能滿足要求。在快關(guān)和慢關(guān)時(shí)間均不變的情況下，隨著慢關(guān)關(guān)閉角度量的增大，最大水錘壓力值逐漸降低。

3 結(jié)論

通過(guò)上述分析，可得到以下結(jié)論：

（1）如果水泵出口未設(shè)置止回閥，水泵在意外斷電的情況下，水泵轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，同時(shí)管道系統(tǒng)的水會(huì)大量倒流，而水泵出口的壓力波動(dòng)不大。

（2）普通止回閥采用線性關(guān)閉規(guī)律時(shí)，最大水錘壓力值隨閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小。但由于時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)引起水泵反轉(zhuǎn)，管道系統(tǒng)水大量倒流，因此應(yīng)通過(guò)計(jì)算合理確定線性關(guān)閉時(shí)間。

（3）與線性關(guān)閉規(guī)律相比，先快后慢的兩階段關(guān)閉規(guī)律可有效降低最大水錘壓力值。

（4）在快關(guān)時(shí)間和關(guān)閉角度不變的情況下，慢關(guān)時(shí)間越長(zhǎng)，最大水錘壓力值越小。

（5）在快關(guān)和慢關(guān)時(shí)間不變的情況下，隨著慢關(guān)關(guān)閉角度量的增大，最大水錘壓力值逐漸減小。

4 參考文獻(xiàn)

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