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空氣罐對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道水錘的預(yù)防效用

論文類型 技術(shù)與工程 發(fā)表日期 2000-12-01
來源 《中國(guó)給水排水》2000年第12期
作者 劉梅清,劉光臨,劉時(shí)芳
關(guān)鍵詞 水錘 空氣罐 輸水管道
摘要 劉梅清1,劉光臨1,劉時(shí)芳2 (1.武漢水利電力大學(xué),湖北 武漢 430072;2.華中華能武漢發(fā)電股份有限公司,湖北 武漢 431415)   摘要:在長(zhǎng)距離輸水管道的實(shí)際工程中,因停泵造成了不少水錘事故,而采用空氣罐可以有效地解決管道輸水系統(tǒng)中的水錘問題。   關(guān)鍵詞:水錘;空氣罐;輸水管道   中圖分 ...

劉梅清1,劉光臨1,劉時(shí)芳2
(1.武漢水利電力大學(xué),湖北 武漢 430072;2.華中華能武漢發(fā)電股份有限公司,湖北 武漢 431415)

  摘要:在長(zhǎng)距離輸水管道的實(shí)際工程中,因停泵造成了不少水錘事故,而采用空氣罐可以有效地解決管道輸水系統(tǒng)中的水錘問題。
  關(guān)鍵詞:水錘;空氣罐;輸水管道
  中圖分類號(hào):TU991.39
  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C
  文章編號(hào):1000-4602(2000)12-0036-03

  在長(zhǎng)距離管道輸水系統(tǒng)中,由于鋼筋混凝土管造價(jià)低、使用壽命長(zhǎng),因而在工程中采用較多。但是,由于鋼筋混凝土管塑性變形區(qū)窄而表現(xiàn)出易脆性,一旦系統(tǒng)中發(fā)生事故停泵水錘,壓力突然升高,爆管事故就會(huì)產(chǎn)生。
  針對(duì)管道輸水工程中存在的上述問題,在對(duì)水力過渡過程理論和計(jì)算方法深入研究的基礎(chǔ)上,提出了求解事故停泵水錘,尤其是長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)事故停泵水錘最不利參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,并以具體工程為對(duì)象,進(jìn)行事故停泵水力過渡過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。通過對(duì)防止水錘主要措施之一的空氣罐這類復(fù)雜邊界條件的管道防護(hù)特性進(jìn)行分析,得出了對(duì)有關(guān)管道輸水工程的安全可靠性和運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義的結(jié)論。

  1 計(jì)算事故停泵水錘的數(shù)學(xué)模型

  1.1 計(jì)算事故停泵水錘的特征線法
  計(jì)算事故停泵水錘的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是描述管道內(nèi)瞬變流動(dòng)的特征線方程,它與復(fù)雜的水泵邊界條件及管道內(nèi)點(diǎn)以外的其他邊界條件構(gòu)成事故停泵水錘的數(shù)學(xué)模型。長(zhǎng)距離輸水管道復(fù)雜的地形條件變化往往形成明顯的凸起點(diǎn),在管中極易產(chǎn)生“水柱分離及再?gòu)浐稀爆F(xiàn)象,從而破壞非恒定流動(dòng)的連續(xù)性,因此采用帶水柱分離的特征線法進(jìn)行求解,即在水柱分離產(chǎn)生之前和水柱再?gòu)浐现蟮墓軆?nèi)流動(dòng)視為連續(xù)非恒定流,其特征線方程為:

  

  式中 HP ——管道內(nèi)點(diǎn)的瞬態(tài)壓力
     QP——管道內(nèi)點(diǎn)的瞬態(tài)流量
     B——管道特性常數(shù),B=a/(gA)
     α——水錘波傳播速度
     g——重力加速度
     A——管道截面面積
     CM、CP——由前一時(shí)段計(jì)算得到的已知常數(shù)
  在水柱分離過程中,水體汽化形成汽穴空腔,計(jì)算截面時(shí)作為特殊邊界進(jìn)行處理。在水柱再?gòu)浐习l(fā)生的瞬間,兩股水柱撞擊所形成的壓力升高,差值ΔH為:
  ΔH=B(QU-Q)/2       (2)
  式中 QU、Q——計(jì)算時(shí)段Δt內(nèi)平均流入和流出水柱分離產(chǎn)生截面的流量
  1.2 帶空氣管的水泵邊界條件

  如圖1所示的泵系統(tǒng),當(dāng)空氣罐布置在水泵出口且兩者之間的管道長(zhǎng)度可以忽略時(shí),它可與水泵及其出口閥構(gòu)成一個(gè)完整的邊界條件進(jìn)行求解,其數(shù)學(xué)模型可由水頭平衡方程、氣體等熵絕熱條件及管道的相容性方程建立,其方程為:

  
  式中 x——水泵Suter全特性曲線橫坐標(biāo),x=π+arctan(α/v)
    τ——閥門無量綱開度系數(shù)
    ξ——空氣罐與主管道連接短管的阻力損失系數(shù)
    k——機(jī)組慣性常數(shù)
    Z——罐中水面高程
    n——?dú)怏w可逆多變指數(shù),一般n=1.0~1.4
    C——罐中初始空氣絕對(duì)壓力與體積的乘積
    H1——進(jìn)水池水位
    HB——絕對(duì)大氣壓力
    Qk——時(shí)段初空氣罐的補(bǔ)給流量
    Hf0——穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)水泵出口閥的水頭損失
    Qkp——空氣罐向主管道補(bǔ)給水體的流量
    AP——補(bǔ)水短管的長(zhǎng)度
    V0——計(jì)算時(shí)段Δt開始時(shí)的空氣體積
    α、v——水泵無量綱轉(zhuǎn)速和流量
    HR、QR——水泵額定揚(yáng)程和額定流量
    A0、A1、C0、C1——水泵全特性曲線的插值系數(shù)
  方程(3)是以α、v和Qkp為變量的非線性方程組,可以采用牛頓迭代方法求解。

  2 計(jì)算實(shí)例

  某自來水廠水源泵站從長(zhǎng)江取水,采用兩臺(tái)型號(hào)為32SA—10JB的水泵并聯(lián)運(yùn)行,由長(zhǎng)為5699.5m的鋼筋混凝土管輸水,其設(shè)計(jì)壓力分別為0.6、0.4MPa。由于在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道中事故停泵水錘的危害性及非恒定流的復(fù)雜性認(rèn)識(shí)不足,尤其是對(duì)管線中翻越長(zhǎng)江干堤出現(xiàn)的局部凸起沒有引起足夠的重視,因而也就沒有采取合理的防止水錘的措施,致使該工程建成后多次發(fā)生水錘爆管事故,造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失。
  針對(duì)該工程中存在的問題,采用帶水柱分離的特征線法進(jìn)行事故停泵水錘的計(jì)算機(jī)模擬,結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出,由于水泵轉(zhuǎn)速的迅速降低,在事故停泵以后很短的時(shí)間內(nèi),導(dǎo)致管中水體壓力降低到其相應(yīng)的汽化壓力而產(chǎn)生了水柱分離。在43s時(shí),這種分離的水柱重新彌合,所產(chǎn)生的最大撞擊水錘壓力達(dá)1.8MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了管道所允許的承壓能力。

  由于其事故停泵后的最大水錘壓力主要是水柱分離引起的,因此防止水錘應(yīng)以防止負(fù)壓的產(chǎn)生為主。圖3為泵出口采用空氣罐以后的事故停泵水力過渡過程,從中可以看出,由于空氣罐的補(bǔ)給作用,管中的負(fù)壓已被控制在水體汽化壓力以上,從而破壞了水柱分離及再?gòu)浐袭a(chǎn)的條件,在管中最小水錘壓力得到控制的同時(shí),最大水錘壓力的上升也被抑制在管道承壓允許的范圍之內(nèi)。上述計(jì)算結(jié)果表明,采用空氣罐可以有效地解決該管道輸水工程中的水錘問題。

  3 結(jié)語

  在長(zhǎng)距離管道輸水工程中,伴隨事故停泵所產(chǎn)生的水錘問題是由于管道中出現(xiàn)的水柱分離及再?gòu)浐显斐傻摹a槍?duì)輸水管道系統(tǒng)中存在的水錘問題,建立了復(fù)雜泵系統(tǒng)水錘計(jì)算及空氣罐邊界條件的數(shù)學(xué)模型,并以實(shí)際工程為對(duì)象,對(duì)空氣罐預(yù)防水錘的效果進(jìn)行研究。計(jì)算結(jié)果明,采用空氣罐對(duì)輸水系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù),可以有效地避免管線中水柱的分離,從而將最高水錘壓力限制在管道允許的承壓范圍以內(nèi)。建立的模型和所得出的結(jié)果可廣泛地應(yīng)用于其他抽水裝置或水電系統(tǒng),對(duì)提高管道輸水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性及穩(wěn)定性具有重要意義。

  參考文獻(xiàn)
  [1]劉光臨,劉梅清.多泵并串聯(lián)復(fù)雜泵系統(tǒng)水錘分析及其控制[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1998,29(3).


電話:(027)67802214(O)87740050(H)
E-mail:liumq@public.wh.hb.cn
收稿日期:2000-07-03

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