无负压供水系统中水泵水锤的瞬态分析
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( Jiangsu U n iv ers ity , Zhenjiang 212013, Ch ina) Abstrac t : Pump units are the m a in part of the no negative pressure fac ility in the wa ter distr ibution syste m. In o rder to achiev e
图 1 无负压泵站和邻近管网模型 表 1 额定流量 ( m /h) 420
3
到开启第 3 台泵共同运行, 开泵是一个瞬间操作,
效率 (% ) 81. 9
水泵参数 转速 ( r/m in) 1483 扬程 (m) 35
轴功率 ( k W) 55
从开泵到泵以恒定转速运行这是一个瞬态过程, 压力的变化可以通过管网模型进行计算。应用泵 站上游和周围管网模型 ( 如图 1 所示 ) , 对管网各 节点进行开泵瞬态水锤分析。根据调研和实测数 据 , 模型边界 条件设 置为: 管网 上游 压力 ( 节 点 31) 设为 0. 193 MP a , 泵进口流量为 1040 m /h; 泵 2 和泵 9均为工 频模式, 设 10 s 后开启泵 37 ,泵 37的转速升至 1215 r /m in 。
3
压力和实测压力的比较。从图 2 可看出 : 泵站实 际出水压力值 在 0 . 31MP a 上 下浮 动 ( 设定 值为 0 . 31 M Pa) , 而模型计算得到的模拟压力大多数时 段在 0 . 29 ~ 0 . 31MP a 之 间, 通 过计 算 , 误 差 为 5 % , 建模精度较高。
图 2
2009- 10- 12 泵站出水实测压力 和模拟压力的比较
3 . 2 开泵瞬间水锤分析 针对泵站由 2 台泵供水 (正常用水期 )转为 3 台泵供水 ( 用水高峰期 ) 的开泵 水锤进行瞬态分 析。正常用水期 , 泵 2 为工频模式, 泵 9为变频模 式 , 进入高峰用水期工作状态, 泵 9升频若不能满 足供水要求 , 则泵 9 转变为工频模式 , 同时开启泵 37 , 该泵采用变频工作模式。从 2 台泵工频运行
1 前言 与传统供水的二次增压方式相比 , 无负压增 压供水方式 在节 能、 节 水、 节地、 节 省建 设资 金 等方面具有显 著优 势, 近年来 逐渐 成为 城市 供 水的重要模式 。 无负压供水设备主要由水泵机组、 无负压稳 流补偿器、 真空抑制器、 压力传感器 (或远传压力 表 )、 控制系统等组成。无负压设备在用 水高峰 期和用水低峰期的过渡期间, 需要开泵或关泵以 满足供水要求; 为了提高泵的使用寿命, 水泵轮流 工作, 水泵启动 和停止的频率每月超过 10 次以 上 ; 为了保证恒压供水 , 泵站机组有一台泵始终工
针对泵站由 3 台泵供水 ( 用水高峰期 ) 转为 两台泵供水 ( 正常用水期 ) 的关 泵水锤进行暂时 分析。应用泵站和周围管网模型 , 对管网各节点 进行关泵瞬态水锤分析。模型边界条件设定为: 管网上游压力 ( 节点 31) 设为 0 . 23 MP a , 泵进口 3 流量设为 1060 m /h, 关泵前 , 泵 2 、 泵 37 采用工 频工作方式, 泵 9 采用变频工作方式 , 转速设为 1204 r /m in , 10s后 , 关闭泵 9 。 图 4 示出上游主管道节点 29 、 支路管节点 18 和下游管道节点 13 关泵瞬间压力变化曲线。数 值计算表明: 泵 9 关闭后 , 主管网节点 29 的压力 从 0. 185 MP a 迅速升至 0 . 189M Pa , 上升了 0 . 004 MP a , 经过 10s后恢复到 0 . 186 M Pa ; 支路管节点 18的压力从 0 . 188 M Pa 迅速升至 0 . 191MP a ,之 后恢复到 0 . 189 MP a ; 下游节点 13 从 0. 315 M Pa 降至 0 . 308M P a , 然后在 0 . 31M Pa 趋于平稳
3
3 数值结果与分析 3 . 1 模型校核
( a) 节点 29
( b )节点 18
( c) 节点 13
图 3 开泵时节点的压力变化
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Baidu Nhomakorabea
FLU ID MACH I NERY 图 3 示出该泵站上游主管道节点 29 、 支路管 3 . 3 关泵瞬间水锤分析
Vo l 38 , No 12 , 2010
节点 18 和下游管道节点 13 开泵瞬间压力变化曲 线。数值计算结果表明: 泵 37 开启后, 主管网节 点 29的压力从 0 . 152 MP a 迅速降至 0 . 147 M Pa , 下 降 了 0. 005 M P a , 经过 10s 后 恢 复 到 0 . 151 M Pa ; 支路管节点 18 的压力也从开泵前的 0 . 154 M P a迅 速下降到 0 . 148 M Pa , 之后 恢复到 0 . 153 M Pa ; 下游节点 13从开泵前的 0 . 303 M Pa 上升到 0 . 337 MP a , 然后在 0 . 31 MP a 趋于平稳。 上游管网和周边管网的其他节点均经历了不 同程度的降压 升压 趋于稳定的过程; 下游管 网的节 点均经历 了迅速升 压 降压 稳定 的过 程 , 且压力变化较大。下游的水锤压力变化超过 0 . 03 M Pa , 水锤压力均高于 0 . 31 M Pa, 因此可以认 为开泵过程中下游的水锤更容易对管道, 阀门等 供水设置造成损坏, 应采取有效的防护措施。但 是水锤压力最大值为 0 . 337 M Pa , 低于管道的承压 值 , 因此不会直接导致爆管泄露事故。
收稿日期 : 2010 - 07- 07
[ 1、 2]
作于变频模式。因此, 在 无负压供水 系统中 , 开 泵、 关泵和变频过程非常频繁。而在此过程中 , 由 于流速的急剧变化导致压力的变化 , 产生气囊、 气 阻、 震动、 噪声、 倒流、 压力振荡, 即水锤现象。水 锤是导致管道 爆管泄露、 阀门损坏的 主要原因。 由于无负压设备直接与市政管网相连 , 水泵所产 生的水锤能在短时间内传遍整个供水系统, 对管 道等供水设施造成破坏, 为管网安全运行带来隐 [ 3~ 7] 患 。 针对某大型无负压泵站, 应用 FLOWMASTER 建立了泵站和邻近管网模型, 分别针对开泵、 关泵 和变频过程进行了水锤的瞬态计算 , 并分析了水 锤对整个供水管网的影响。
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文章编号 :
FLU ID MACH I NERY
1005- 0329( 2010) 12- 0026- 04
Vo l 38 , No 12 , 2010
无负压供水系统中水泵水锤的瞬态分析
王芳群 , 李 岚, 伍琴琳 , 钱坤喜 , 宋顺林
212013) ( 江苏大学 , 江苏镇 江 摘 要:
针对某大型无负压泵站 , 应用 一维流体软件 FLO WM A STER 对开泵、 关 泵和水泵 变频过程进 行暂停分析 , 结果
Transien t S i m u lation ofW ater Ha mm er in th e N o negative pressu re D istribu tion System WANG Fang qun , L I Lan , WU Q in lin, Q I AN Kun x i, SONG Shun lin
2010年第 38 卷第 12期
流
体
机
械
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图 2 为根据泵站和管网模型计算得到的出水 2 无负压泵站和周围管网模型 图 1 示出在 F lowm aster软件平台上建立的某 大型无负压泵站和管网模型。该泵站 供水能力 可达 30000 m /d 。水泵机组共有 4 台泵 , 高峰用 水期 3 用 1 备, 2 台泵工作于工频模式, 1 台泵工 作于变频模式; 低峰用水期 2 用 2 备, 1 台泵工作 于变频模式 , 另一台泵工作于工频模式。泵的参 数如表 1 所示, 管道信息均来自泵站的 G IS 系统。 P 为市政主管道入口, 其压力信息来自于 SCADA 系统。泵站采用恒压供水方式, 泵站出口压力为 0 . 31 M Pa 。
constant pressure o f w ater supp ly and i m prove the life o f pum ps , starting pum p , stopp ing pump and vary ing frequency a re very comm on in the perfor m ance of the fac ility . In th is artic le , the soft w are of F lowm aster has been app lied in netw ork adjust m ent ca l culation based the data fo r the pump ing stations w ith no nega tive pressure fac ility and p ipe netwo rks to pred ic t the w ater ha mm er in sta rting pump, stopp ing pum p and vary ing the frequency o f pumps . The results represent that the m ode l built by the autho r can pred ict the water ha mme r o f the d istr ibu tion system and w ater hamm er is found to transfers a long w ith the w ater pipe ne t w orks in sta rting pump, stopp ing pum p and chang ing the frequency of pum ps . A fter co m pa rison of the results, sm aller pressure change no less than 0. 1 bar is found in the front part of netwo rk wh ile pressure change over 0 . 03M Pa em erges in the back part o f network w ith the max i m um of 0 . 337M P a , w hich never exceed the bea ring leve l of pipes. K ey word s : no negativ e pressure fac ility ; w ater hamm er ; pump stopping ; pump starting ; variab le frequency
( a) 节点 29
( b )节点 18
( c)节点 13
图 4 关泵时节点的压力变化
关泵过程, 上游管网和下游管网的节点均出 现了水锤现象, 下游节点的水锤压力变化小于开 泵过程。这种现象主要是由于无负压系统采用恒 压供水所导致。 3 . 4 变频瞬间水锤分析 无论是用水高峰还是低峰 , 均有一台泵工作 于变频方式 , 当泵的转速发生变化时 , 泵输出的压 力也随之变化, 变频瞬间的压力变化可以通过管 网模型进行计算。应用泵站和周围管网模型, 进 行正常用水期升频水锤分析和高峰用水期降频水 锤分析。 ( 1) 正常用水期升频水锤分析 设定模型边界条件: 管网上游压力 ( 节点 31) 设为 0 . 207M Pa, 泵的进口流量为 1000m /h, 泵 2 以额定转速运行 , 泵 37 不工作, 泵 9 的转速在 10
表明 : 无负压设备在关泵、 开泵 、 升频和降频过程中 , 均产生水锤现象 , 而且水锤迅速在整个供 水管网内传递 ; 无负压泵站 前端管网的水锤压力变化较小 , 压力变化不超过 0. 01M P a , 泵站下游管网的水锤压力变 化较大 , 超过 0. 03 M Pa , 水锤最大 压力低于 0. 337M P a , 低于管道的承压值。 关键词 : 无负压设备 ; 水锤 ; 关泵 ; 开泵 ; 变频 TD442+ . 2 文献标识码 : A do:i 10. 3969 / . j issn. 1005- 0329 . 2010 . 12 . 007 中图分类号 :
图 1 无负压泵站和邻近管网模型 表 1 额定流量 ( m /h) 420
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到开启第 3 台泵共同运行, 开泵是一个瞬间操作,
效率 (% ) 81. 9
水泵参数 转速 ( r/m in) 1483 扬程 (m) 35
轴功率 ( k W) 55
从开泵到泵以恒定转速运行这是一个瞬态过程, 压力的变化可以通过管网模型进行计算。应用泵 站上游和周围管网模型 ( 如图 1 所示 ) , 对管网各 节点进行开泵瞬态水锤分析。根据调研和实测数 据 , 模型边界 条件设 置为: 管网 上游 压力 ( 节 点 31) 设为 0. 193 MP a , 泵进口流量为 1040 m /h; 泵 2 和泵 9均为工 频模式, 设 10 s 后开启泵 37 ,泵 37的转速升至 1215 r /m in 。
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压力和实测压力的比较。从图 2 可看出 : 泵站实 际出水压力值 在 0 . 31MP a 上 下浮 动 ( 设定 值为 0 . 31 M Pa) , 而模型计算得到的模拟压力大多数时 段在 0 . 29 ~ 0 . 31MP a 之 间, 通 过计 算 , 误 差 为 5 % , 建模精度较高。
图 2
2009- 10- 12 泵站出水实测压力 和模拟压力的比较
3 . 2 开泵瞬间水锤分析 针对泵站由 2 台泵供水 (正常用水期 )转为 3 台泵供水 ( 用水高峰期 ) 的开泵 水锤进行瞬态分 析。正常用水期 , 泵 2 为工频模式, 泵 9为变频模 式 , 进入高峰用水期工作状态, 泵 9升频若不能满 足供水要求 , 则泵 9 转变为工频模式 , 同时开启泵 37 , 该泵采用变频工作模式。从 2 台泵工频运行
1 前言 与传统供水的二次增压方式相比 , 无负压增 压供水方式 在节 能、 节 水、 节地、 节 省建 设资 金 等方面具有显 著优 势, 近年来 逐渐 成为 城市 供 水的重要模式 。 无负压供水设备主要由水泵机组、 无负压稳 流补偿器、 真空抑制器、 压力传感器 (或远传压力 表 )、 控制系统等组成。无负压设备在用 水高峰 期和用水低峰期的过渡期间, 需要开泵或关泵以 满足供水要求; 为了提高泵的使用寿命, 水泵轮流 工作, 水泵启动 和停止的频率每月超过 10 次以 上 ; 为了保证恒压供水 , 泵站机组有一台泵始终工
针对泵站由 3 台泵供水 ( 用水高峰期 ) 转为 两台泵供水 ( 正常用水期 ) 的关 泵水锤进行暂时 分析。应用泵站和周围管网模型 , 对管网各节点 进行关泵瞬态水锤分析。模型边界条件设定为: 管网上游压力 ( 节点 31) 设为 0 . 23 MP a , 泵进口 3 流量设为 1060 m /h, 关泵前 , 泵 2 、 泵 37 采用工 频工作方式, 泵 9 采用变频工作方式 , 转速设为 1204 r /m in , 10s后 , 关闭泵 9 。 图 4 示出上游主管道节点 29 、 支路管节点 18 和下游管道节点 13 关泵瞬间压力变化曲线。数 值计算表明: 泵 9 关闭后 , 主管网节点 29 的压力 从 0. 185 MP a 迅速升至 0 . 189M Pa , 上升了 0 . 004 MP a , 经过 10s后恢复到 0 . 186 M Pa ; 支路管节点 18的压力从 0 . 188 M Pa 迅速升至 0 . 191MP a ,之 后恢复到 0 . 189 MP a ; 下游节点 13 从 0. 315 M Pa 降至 0 . 308M P a , 然后在 0 . 31M Pa 趋于平稳
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3 数值结果与分析 3 . 1 模型校核
( a) 节点 29
( b )节点 18
( c) 节点 13
图 3 开泵时节点的压力变化
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Baidu Nhomakorabea
FLU ID MACH I NERY 图 3 示出该泵站上游主管道节点 29 、 支路管 3 . 3 关泵瞬间水锤分析
Vo l 38 , No 12 , 2010
节点 18 和下游管道节点 13 开泵瞬间压力变化曲 线。数值计算结果表明: 泵 37 开启后, 主管网节 点 29的压力从 0 . 152 MP a 迅速降至 0 . 147 M Pa , 下 降 了 0. 005 M P a , 经过 10s 后 恢 复 到 0 . 151 M Pa ; 支路管节点 18 的压力也从开泵前的 0 . 154 M P a迅 速下降到 0 . 148 M Pa , 之后 恢复到 0 . 153 M Pa ; 下游节点 13从开泵前的 0 . 303 M Pa 上升到 0 . 337 MP a , 然后在 0 . 31 MP a 趋于平稳。 上游管网和周边管网的其他节点均经历了不 同程度的降压 升压 趋于稳定的过程; 下游管 网的节 点均经历 了迅速升 压 降压 稳定 的过 程 , 且压力变化较大。下游的水锤压力变化超过 0 . 03 M Pa , 水锤压力均高于 0 . 31 M Pa, 因此可以认 为开泵过程中下游的水锤更容易对管道, 阀门等 供水设置造成损坏, 应采取有效的防护措施。但 是水锤压力最大值为 0 . 337 M Pa , 低于管道的承压 值 , 因此不会直接导致爆管泄露事故。
收稿日期 : 2010 - 07- 07
[ 1、 2]
作于变频模式。因此, 在 无负压供水 系统中 , 开 泵、 关泵和变频过程非常频繁。而在此过程中 , 由 于流速的急剧变化导致压力的变化 , 产生气囊、 气 阻、 震动、 噪声、 倒流、 压力振荡, 即水锤现象。水 锤是导致管道 爆管泄露、 阀门损坏的 主要原因。 由于无负压设备直接与市政管网相连 , 水泵所产 生的水锤能在短时间内传遍整个供水系统, 对管 道等供水设施造成破坏, 为管网安全运行带来隐 [ 3~ 7] 患 。 针对某大型无负压泵站, 应用 FLOWMASTER 建立了泵站和邻近管网模型, 分别针对开泵、 关泵 和变频过程进行了水锤的瞬态计算 , 并分析了水 锤对整个供水管网的影响。
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1005- 0329( 2010) 12- 0026- 04
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无负压供水系统中水泵水锤的瞬态分析
王芳群 , 李 岚, 伍琴琳 , 钱坤喜 , 宋顺林
212013) ( 江苏大学 , 江苏镇 江 摘 要:
针对某大型无负压泵站 , 应用 一维流体软件 FLO WM A STER 对开泵、 关 泵和水泵 变频过程进 行暂停分析 , 结果
Transien t S i m u lation ofW ater Ha mm er in th e N o negative pressu re D istribu tion System WANG Fang qun , L I Lan , WU Q in lin, Q I AN Kun x i, SONG Shun lin
2010年第 38 卷第 12期
流
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图 2 为根据泵站和管网模型计算得到的出水 2 无负压泵站和周围管网模型 图 1 示出在 F lowm aster软件平台上建立的某 大型无负压泵站和管网模型。该泵站 供水能力 可达 30000 m /d 。水泵机组共有 4 台泵 , 高峰用 水期 3 用 1 备, 2 台泵工作于工频模式, 1 台泵工 作于变频模式; 低峰用水期 2 用 2 备, 1 台泵工作 于变频模式 , 另一台泵工作于工频模式。泵的参 数如表 1 所示, 管道信息均来自泵站的 G IS 系统。 P 为市政主管道入口, 其压力信息来自于 SCADA 系统。泵站采用恒压供水方式, 泵站出口压力为 0 . 31 M Pa 。
constant pressure o f w ater supp ly and i m prove the life o f pum ps , starting pum p , stopp ing pump and vary ing frequency a re very comm on in the perfor m ance of the fac ility . In th is artic le , the soft w are of F lowm aster has been app lied in netw ork adjust m ent ca l culation based the data fo r the pump ing stations w ith no nega tive pressure fac ility and p ipe netwo rks to pred ic t the w ater ha mm er in sta rting pump, stopp ing pum p and vary ing the frequency o f pumps . The results represent that the m ode l built by the autho r can pred ict the water ha mme r o f the d istr ibu tion system and w ater hamm er is found to transfers a long w ith the w ater pipe ne t w orks in sta rting pump, stopp ing pum p and chang ing the frequency of pum ps . A fter co m pa rison of the results, sm aller pressure change no less than 0. 1 bar is found in the front part of netwo rk wh ile pressure change over 0 . 03M Pa em erges in the back part o f network w ith the max i m um of 0 . 337M P a , w hich never exceed the bea ring leve l of pipes. K ey word s : no negativ e pressure fac ility ; w ater hamm er ; pump stopping ; pump starting ; variab le frequency
( a) 节点 29
( b )节点 18
( c)节点 13
图 4 关泵时节点的压力变化
关泵过程, 上游管网和下游管网的节点均出 现了水锤现象, 下游节点的水锤压力变化小于开 泵过程。这种现象主要是由于无负压系统采用恒 压供水所导致。 3 . 4 变频瞬间水锤分析 无论是用水高峰还是低峰 , 均有一台泵工作 于变频方式 , 当泵的转速发生变化时 , 泵输出的压 力也随之变化, 变频瞬间的压力变化可以通过管 网模型进行计算。应用泵站和周围管网模型, 进 行正常用水期升频水锤分析和高峰用水期降频水 锤分析。 ( 1) 正常用水期升频水锤分析 设定模型边界条件: 管网上游压力 ( 节点 31) 设为 0 . 207M Pa, 泵的进口流量为 1000m /h, 泵 2 以额定转速运行 , 泵 37 不工作, 泵 9 的转速在 10
表明 : 无负压设备在关泵、 开泵 、 升频和降频过程中 , 均产生水锤现象 , 而且水锤迅速在整个供 水管网内传递 ; 无负压泵站 前端管网的水锤压力变化较小 , 压力变化不超过 0. 01M P a , 泵站下游管网的水锤压力变 化较大 , 超过 0. 03 M Pa , 水锤最大 压力低于 0. 337M P a , 低于管道的承压值。 关键词 : 无负压设备 ; 水锤 ; 关泵 ; 开泵 ; 变频 TD442+ . 2 文献标识码 : A do:i 10. 3969 / . j issn. 1005- 0329 . 2010 . 12 . 007 中图分类号 :