湫湖泵站单机组事故停泵水锤计算分析

　　摘要：本文通过对已建湫湖泵站单泵机组事故停泵水锤的计算分析，指出在水泵突然停电、出口蝶阀动作情况下，蝶阀设定10s的关闭时间能满足机组安全性，同时存在最佳关闭时间3.2s;在水泵突然停电、出口蝶阀拒动作情况下，机组存在危害性停泵水锤和飞逸转速，提出了水锤防护措施，供类似泵站设计和运行管理时参考。

　　关键词：单机组,事故水锤,计算分析

　　1 引言

　　水锤，又称水击，是压力管道内流体运动速度骤然变化而引起的水压瞬变过程，是流体的一种不稳定状态[1]。泵站运行时突发事故，若不及时关闭阀门，则管道系统将产成事故水锤以及机组逆转，流速过大时还会损伤水泵机组。因而进行事故停泵水锤计算分析，以获取事故停泵瞬态特性参数，对泵站的设计和管理运行均具有一定的指导意义。

　　湫湖泵站为国家拉动内需大型泵站更新改造第一批项目，位于江苏省南京市溧水县湫湖灌区，是溧水县引提石臼湖水源补给山丘区农业用水的一座中型灌溉站。泵站采用单级离心泵机组，设计净扬程35.5m，总设计流量15m3/s，共13台套，其中1#~12#机组两两并联，13#单泵单管，机组水泵型号为KQSN700-M14，配套电机功率630 kW，额定转速990r/min，进出水管采用铸铁管，公称直径0.7m，并联机组出水管道公称直径1.0m，管路长约200m。泵出口处设置两阶段液动蝶阀，液动蝶阀型号为SD342X软密封法兰伸缩蝶阀[2]，设定的初始关闭时间为10s。

　　本文采用特征线法[3]分别计算分析湫湖泵站第13#机组事故停泵液动蝶阀保护和液动蝶阀失灵状况下的水力过渡过程，为类似泵站的设计及泵站的运行管理提供参考。

　　2 水锤分析的计算方法和数学模型

　　2.1 水锤计算的特征线法

　　因流速与水锤波速相比其值较小，故忽略上述方程组中一些较小项，并用流量代替流速，在特征线 的约束下将水锤基本方程组转化为常微分方程：

　　沿正负特征线采用一阶近似的有限差分法，将(1)、(2)两式转化为：下标 表示时段末，下标 表示第 断面。

　　2.2 水泵端边界条件及求解

　　2.2.1水泵全特性表示

　　水泵在事故停泵过程中会经历水泵工况、制动工况、水轮机工况，因而涉及到水泵的全特性曲线，全特性曲线采用苏特曲线表示：

　　式中 分别表示水泵转速、流量、扬程、转矩的无因次量。

　　2.2.2水泵端边界条件联解

　　将水泵工作状态方程式、水泵扬程方程式、水泵机组惯性方程式、出水管路方程和连续性方程联立可得水泵端边界条件的数学模型：

　　方程组(5)是含有两个未知量 的非线性方程式，可采用牛顿—莱福逊法[4]迭代求解，其具体求解过程见图1。

　　3 停泵水锤计算成果及分析

　　用Matlab7.0编制程序[5]分别数值模拟了有蝶阀保护和无蝶阀保护时事故停泵的瞬态特性。

　　3.1 水泵突然断电，出口液动蝶阀动作。

　　为防止水流倒灌导致机组反转直至飞逸，在水泵出口装设两阶段液动蝶阀，蝶阀先快关，后慢关。蝶阀的关闭规律对水锤影响较大，关阀时间短，可以有效的避免水泵反转，但引起的出水管压力值较大，可能造成出水管的破坏，而关阀时间长虽可以缓解出水管所出现的最大压力值，但易出现水流倒灌，水泵反转，对机组不利，因此，有必要寻找到一个合适的关阀规律，既可以缓解出水管的压力升高值，又可以避免水泵倒转对机组造成的损害。

　　3.1.1 液动蝶阀关闭时间 图2 事故停泵水泵瞬态特性

　　由图2可以看出，碟阀3s关闭的情况下，在约1.2s的时候，水泵流量为0，此时转速为470r/min，3s时蝶阀全部关闭，水泵流量为0，此时转速为276r/min，之后由于蝶阀全部关闭，水泵流量恒定为0，水泵叶轮将在机械摩擦等各种损失的作用下，逐步停止转动，直至转速为0.。整个过程机组不会反转，过渡平稳，出现的最大逆流流量为-0.128m3/s，为额定流量的0.107倍。

　　出水管路各断面流量和压力变化过程如图3和图4所示。从图中可以看出，当蝶阀全部关闭后，出水管各断面的流量和压力以波动的方式往复变化，在水力摩阻的作用下，流量逐步回归为0，压力逐步稳定在一个定值，其中蝶阀出口断面压力变化最剧烈，出现的最大负压为79m，出现的最大正压为52.5m,最大负压约为水泵出口额定压力的2倍，超过了规范中要求的1.5倍。

　　3.1.2 液动蝶阀关闭时间 图5 事故停泵水泵瞬态特性

　　由图5可以看出，蝶阀10s关闭的情况下，在约3.2s的时候，水泵流量为0，此时转速为250r/min，10s时蝶阀全部关闭，水泵流量为0，此时转速为84r/min，整个过程机组没有反转，过渡平稳，出现的最大逆流流量为-0.2m3/s，为额定流量的0.167倍，出水管路并未出现负压，如图6所示，整个过程出现的最小压力为5m，满足规范要求，同时保证了出水管道的安全。

　　由此可见，存在一个合适的关阀时间，使得蝶阀在关闭的同时，水泵转速刚好为0，因此采用10s关闭是偏安全的。

　　3.2 水泵突然断电，出口液动蝶阀拒动作。

　　3.2.1 蝶阀拒动作水锤计算分析

　　由图7可以看出，由于动力机突然断电，水泵扬程、流量、转速、扭矩均迅速下降，在约2.5s时水泵的流量为0，此时扬程达到最小值约5m，转速约300r/min，为额定转速的0.125，扭矩为额定扭矩的0.073，之后水开始倒流，水泵进入制动工况，水泵扬程和转矩开始增加，而转速进一步下降，在约4s的时候，水泵转速降为0，之后水泵进入水轮机工况，并且在约11s的时候，各物理量趋于稳定，水泵进入飞逸工况，飞逸转速为额定转速的1.192倍，此后水泵扭矩为0，逆流流量为1.05m3/s，为额定流量的0.875。期间水泵达到的最大反转速度为额定转速的1.224倍，超过规范中规定的1.2倍[6]，水泵达到的最大逆流流量为额定流量的0.936。这种情况将会对水泵机组造成较大的损害，必须采取必要的防护措施。

　　3.2.2 蝶阀拒动作水锤防护措施

　　为了避免出现事故停泵，液动蝶阀断电拒动作，造成严重后果，可以采取以下3种防护措施：

　　(1)液动蝶阀增加备用电源，因此在水泵发生事故停转后，仍能有效控制阀门的关闭时间，消除水锤危害。

　　(2)在出水管末端装设拍门和进排气管，即使在液动蝶阀卡住时，仍能有效断流，防止出水池内水倒流，管道中剩余的水全部流出水泵，历时较短，不会造成水泵长时间反转。

　　4 结论

　　(1) 通过蝶阀保护的停泵水锤数值模拟，说明湫湖泵站液动蝶阀的关闭时间控制在10s左右，既可以有效降低出水管道中出现的较大压力，也能保证机组不发生反转。

　　(2) 通过蝶阀关闭规律的计算分析，证明存在最佳关阀时间3.2s，即在闸阀全部关闭的同时，水泵转速刚好降为0。

　　(3) 通过对蝶阀拒动作停泵水锤的数值模拟，得出水泵飞逸转速，并提出防止水流倒灌的有效措施，为类似泵站的设计和泵站的运行管理提供参考。

　　参考文献(References)

　　[1] 刘超.水泵及水泵站[M]. 北京: 科学技术文献出版社, 20023.

　　[2] 江苏省南京市溧水县湫湖泵站更新改造工程初步设计报告[R]. 南京:南京市水利规划设计院有限责任公司, 2009.

《湫湖泵站单机组事故停泵水锤计算分析》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 湫湖泵站单机组事故停泵水锤计算分析

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-20908