農(nóng)用提灌系統(tǒng)水力暫態(tài)過程淺析

2018-03-09 05:18:46中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司劉正勇

河南農(nóng)業(yè) 2018年3期

中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司劉正勇

我國許多山區(qū)都興建了提灌系統(tǒng)來解決農(nóng)業(yè)用水的問題。近年來，隨著提灌用泵服役時間的增長，水泵性能下降，揚程降低，為滿足用水需求，需對提灌系統(tǒng)進行相應的改造。為充分利用原有設備，部分地區(qū)通過在提灌管路中間增加加壓泵，以滿足提灌系統(tǒng)的揚程要求，這種改造方式，既節(jié)約了投資，又滿足了提高揚程的需求。目前，對于單級泵系統(tǒng)的研究較多，但對這種接力型泵系統(tǒng)的研究相對較少，本文結(jié)合實際工程布置和設備資料，應用有壓流水力瞬變基本理論，對接力型泵系統(tǒng)的暫態(tài)過程進行分析，并分析泵控閥對暫態(tài)過程參數(shù)的影響，以對該系統(tǒng)的可靠運行提供理論支撐。

一、理論模型

（一）接力泵系統(tǒng)工作模型

在實際工程中，接力泵系統(tǒng)可簡化為圖1所示模型，a泵和b泵之間有一段較長的中間連接管， b泵為接力泵。

圖1 多級直聯(lián)系統(tǒng)工作模型

（二）暫態(tài)過程分析理論

本文主要采用基于彈性理論的特征線法對上述系統(tǒng)的過渡過程進行計算研究。描述管道非恒定流的水擊方程為一組擬線性雙曲偏微分方程，利用特征線法將該方程組轉(zhuǎn)化為常微分方程，如下式所示：

式中：V表示管道內(nèi)水流流速（m/s）；H表示管道中心在指定基準面上的測壓管水頭（m）；g表示重力加速度（m/s2）；x表示沿管道軸線的坐標（m）；f 表示管道沿程阻力系數(shù)；

D表示管道直徑（m）；a表示管道內(nèi)的水錘波速（m/s）；t表示時間（s）。

式（1）及式（3）即為轉(zhuǎn)化后的管道非恒定流的水擊方程，式（2）及式（4）為相應C+及C-方程成立的特征式。式中只有V與H為未知數(shù)。以上方程通過特征線網(wǎng)格進行離散后，即可利用計算機聯(lián)立解析。

（三）邊界條件

1.水泵端邊界條件

在泵系統(tǒng)過渡過程中，仍然假定恒定流動條件下的泵水頭平衡關系仍然適用，即：

式中：HS表示泵在吸水側(cè)的測壓管水頭（m）；HP表示泵在壓水側(cè)的測壓管水頭（m）；ΔH泵表示泵的工作揚程（m）；ΔH損表示水頭損失（m）。

對于正常運行中的泵，來自電機的主動力矩等于流體給予泵輪的反力矩，因此呈等轉(zhuǎn)速狀況。當發(fā)生事故停泵的時候，動力突然中斷，主動力矩為零，葉輪在流體反力矩的作用下，將作減角速度運動。由理論力學知，轉(zhuǎn)速改變率與不平衡力的力矩成正比，其關系為：

式中：GD2表示水泵（包括轉(zhuǎn)動部分及內(nèi)部水體）的飛轉(zhuǎn)力矩；Mf表示阻力矩；ω表示泵輪的旋轉(zhuǎn)角速度。

式（4）和式（5）利用水泵的全特性曲線，可以轉(zhuǎn)化為與轉(zhuǎn)速及流量相關的兩個方程，如下所示：

式中：A（x）、B（x）表示與泵全特性曲線相關的參數(shù)，可以用插值求得；B、C、D表示與泵前后吸、壓水管相關的參數(shù)，在每個計算時段初為已知數(shù)；β表示水泵轉(zhuǎn)速；q表示水泵流量。

2.其他邊界條件

接力型系統(tǒng)的出水口的高程不變且處于大氣中，因此，此處的水頭值在整個瞬時過程中，保持不變，即：

系統(tǒng)進水口處的水頭值與相應河道水位相同，即：

聯(lián)立式（1）至式（4），式（7）至式（10）就可以運用計算機仿真程序?qū)恿π拖到y(tǒng)進行過渡過程計算。

二、計算及應用分析

根據(jù)上述接力型系統(tǒng)的數(shù)學模型，利用編制的仿真計算程序，并針對某接力型提灌系統(tǒng)暫態(tài)過程進行了實際的計算分析。

（一）基本資料

接力提灌系統(tǒng)總高度差570 m，采用兩臺相同型號的水泵進行接力。水泵參數(shù)為：額定揚程300 m，額定流量0.4 m3/s，額定轉(zhuǎn)速1475 rpm；水泵出口采用緩閉式泵控閥，采用分段關閉。

（二）典型工況的暫態(tài)工況分析

本文只針對該系統(tǒng)可能出現(xiàn)的兩種較嚴重的暫態(tài)工況進行分析。

1.工況一：a泵斷電甩負荷，b泵正常運行暫態(tài)工況

該工況下，兩泵出口處相應參數(shù)變化比較如圖2所示，各特征參數(shù)極值如表1所示。

由圖2及表1可知，在啟動泵斷電進入甩負荷工況后，其最大壓力則達到了2.1倍額定揚程，倒泄流量達到了1.25倍額定流量，最大反轉(zhuǎn)速達額定轉(zhuǎn)速的1.27倍； b泵因為處于正常運行狀態(tài)，因此其壓力上升變化不大，計算中設置b泵正常停機，故其不會進入反轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于a泵先事故停泵，因而b泵很快就可能變?yōu)榭辙D(zhuǎn)，無水可吸，如果b泵停機不及時，極有可能造成b泵電機過熱事故。

2.工況二：b泵斷電甩負荷，b泵正常運行暫態(tài)工況

該工況下，兩泵出口處相應參數(shù)變化比較如圖3所示，各特征參數(shù)極值如表2所示。

工況二是所有計算工況中最嚴重的工況。由圖3及表2可知，在暫態(tài)發(fā)生后，a泵在極短時間內(nèi)，出口壓力有一個劇烈的振蕩，最大壓力達到了額定揚程的三倍多，這主要是由于在這段時間內(nèi)b泵處于事故停泵的狀態(tài)，閥門關閉；而a泵仍處于工作狀態(tài)，因而在中間管道的末端和增壓泵的進水口處產(chǎn)生極大的壓力差，通過水擊波的傳遞，因而導致a泵出口處的壓力極值急劇升高。這一種惡劣的工況，在工程實際中通常俗稱為“煮鍋”，在b泵事故停泵后小段時間內(nèi)a泵仍在正常工作，繼續(xù)向上打水，但由于b泵閥門關閉，不能出水，形成盲端，導致b泵以下的管路系統(tǒng)中產(chǎn)生強烈的壓力脈動，這種工況極可能對水泵和管路系統(tǒng)安全造成嚴重的危害。

（三）不同閥門型號對過渡過程的影響

為控制水泵甩負荷過程中的反轉(zhuǎn)和壓力上升，近年來，一些具有關閉規(guī)律可調(diào)的泵控閥開始大量應用于水泵出口，通過調(diào)整泵控閥的關閉規(guī)律，可有效的降低水泵壓力上升及反轉(zhuǎn)速。表3為在泵控閥和常規(guī)止回閥情況下，水泵發(fā)生水力暫態(tài)過程的參數(shù)對比表。

從表3可以看出，采用常規(guī)止回閥系統(tǒng)的最大壓力上升值是采用泵控閥系統(tǒng)的的1.26倍，最大倒泄流量及反轉(zhuǎn)速均大于后者。因此，采用關閉規(guī)律可調(diào)的泵控閥，對水泵系統(tǒng)在發(fā)生水力過渡過程時的壓力上升、倒流量及反轉(zhuǎn)速有明顯的抑制作用，可以增加系統(tǒng)運行的安全可靠性。