不同泵阀开启方式下水泵起动水锤计算分析

文章编号:1007-2284(2005)06-0107-02

不同泵阀开启方式下

水泵起动水锤计算分析

赵红芳

(上海市水务工程设计研究院有限公司,上海 200063)

摘 要:针对某循环水供水系统的特点,应用水锤基本理论和特征线方法,对泵出口阀不同开启方式对应的泵出口阀后起动水锤压力进行了比较分析,得出了较合理的泵阀开启方式。从计算结果看,最大起动水锤压力发生在泵吸水室最高水位对应的工况,本系统采用泵起动后再60s 开阀这种泵阀开启方式,无大的起动水锤问题。 关键词:循环水供水系统;泵阀开启方式;起动水锤;特征线法 中图分类号:T U 991.39 文献标识码:B 某循环水供水系统由循环水泵经供水管道向用水设备供水,为确定系统在水泵起动水力过渡过程中,是否会产生较大的起动水锤压力,结合该循环水供水系统的实际情况,对4种吸水室水位条件下,泵及出口阀按不同方式开启的水泵满管起动工况进行了计算机模拟数值分析。泵系统详细资料如下:水泵额定流量11m 3/s,额定扬程17.8m,额定转速329r /min,额定效率88%,机组转动惯量664kg.m 2

,泵出口阀选用可控液控蝶阀,系统管线纵剖图如图1所示。针对该系统的具体条件,重点对泵起动后再开阀、泵阀同时开启、阀开到15 时泵起动这三种方式对应的起动过程进行了分析和比较,得出了比较

合理的泵阀开启方式。

图1 系统管线纵剖图

1 供水管道水力过渡过程分析的数学模型

1.1 水力过渡过程计算的特征线法

描述管道瞬变流的基本方程为由运动方程和连续方程组成的非线性偏微分方程,在特征条件d x /d t =V a 的约束下,偏微分方程可转化为常微分方程,通过一阶近似的有限差

分,管道瞬变流基本方程可以简化为如下形式:

收稿日期:2005-01-18

作者简介:赵红芳(1978-),男,助理工程师。

H p i =(C P +C M )/2

Q p i =(C P -H pi )/B =(H pi -C M )/B

(1)

式中:C P =H i-1+BQ i-1-RQ i-1|Q i-1|;C M =H i+1+BQ i+1-RQ i+1|Q i+1|;管道的特征常数B =a/(g A );管道的摩阻特性常数R =f x /(2g D A 2);V 、H 和Q 分别表示管道的瞬态流速、瞬态压力水头和瞬态流量;D 为管道直径;A 为管道断面面积;a 为水锤波速。

1.2 单泵起动的水泵端边界条件

设水泵转速由零线性升高到额定转速所需时间为T S ,则水泵起动过程中任意瞬时的相对转速 可以由下式确定:

=T /T S T T S =1 T >T S

(2)

同时,在起动过程中,水泵的水头平衡条件方程可用下式

表示:

F 1=E s -C M -BQ R V +H R (a 2+v 2)[A 0+A 1( +arctan (v/a))]-H f 0v |v |

2

=0

(3)式中:E s 为上游水位;Q R 、H R 分别为水泵额定流量、额定扬程;H f 0为阀门全开时的水头损失; 为阀门的无量纲开度系数;A 0,A 1为水泵全特性曲线的插值系数。

2 起动水锤过程数值模拟

根据水泵厂家提供的资料,泵起动时间为5~10s,这里假定泵6s 可以完成起动。泵出口蝶阀均采用匀速开启,开启时间分别选取30s 和60s,蝶阀不同开启角度的特性如表1。

表1 蝶阀不同开启角度的特性

开启角度90 81

72

63

54

45

36

27

18

9

0 开度系数

1

0.9010.7540.5910.4530.3380.2380.1630.0850.025

图2~图7绘制了4种泵吸水室水位-2.627m 、-0.667m 、2.463m 、3.253m 情况下,阀全开时间分别为30s 和60s,三种泵阀开启方式对应的泵出口阀后的起动水锤压力变化曲

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中国农村水利水电 2005年第6期

线,图中由下往上的4条曲线分别依次对应上述四种泵吸水室水位情况。

2.1 泵起动后再开阀工况下的起动水锤计算分析

图2和图3绘制了上述4种泵吸水室水位情况下,泵起动后再开阀,泵出口阀后的起动水锤压力变化曲线。从图中可以看出,在第6s 泵起动后,由于开阀作用,水泵出口阀后压力迅速上升,这之后由于泵出口阀逐渐开启,水体的能量不能均匀地传递到系统其他部分,致使出口阀处的水体流速呈不均匀变化,根据动量定律,因此水泵出口阀后有一个不均匀的压力上升过程,随后由于管路摩阻及反射波的干涉作用,压力又呈衰减趋势,

最后逐渐趋于稳定。

图2 泵出口阀后点压力变化曲线(先启泵后开阀,30s 开阀

)

图3 泵出口阀后点压力变化曲线(先启泵后开阀,60s 开阀)

2.2 泵阀同时开启工况下的起动水锤计算分析

图4和图5绘制了上述4种泵吸水室水位情况下,泵阀同时开启,泵出口阀后的起动水锤压力变化曲线。从图中可以看出,由于泵阀同时开启,在水泵出口压力波未到达泵出口阀之前,阀门的开启使得阀后水体压力向阀前管道释放,因此阀后压力先有一个降低过程,在水泵出口的压力波到达之后,阀后压力才开始逐渐升高,最大值高于泵起动后再开阀工况的对应值,当水泵起动完成后,阀后压力有一个回落过程,最后趋于

稳定。

图4 泵出口阀后点压力变化曲线(泵阀同时开启,30s 开阀

)

图5 泵出口阀后点压力变化曲线(泵阀同时开启,60s 开阀)

2.3 阀开到15 时泵起动工况下的起动水锤计算分析

图6和图7绘制了上述4种泵吸水室水位情况下,阀开到15 时泵起动,泵出口阀后的起动水锤压力变化曲线。从图中可以看出,由于泵未起动,阀门的开启使得阀后水体压力向阀前管道释放,因此阀后压力先有一个降低过程,并伴有开阀引起的压力波动,当水泵起动后,阀后压力开始逐渐升高,最大值也高于泵起动后再开阀工况的对应值,当水泵起动完成后,阀后压力开始回落,

最后趋于稳定。

图6 泵出口阀后点压力变化曲线(先开阀后启泵,30s 开阀

)

图7 泵出口阀后点压力变化曲线(先开阀后启泵,60s 开阀)

表2列出了上述3种泵阀开启方式及4种泵吸水室水位对应的最大起动水锤压力计算结果。

表2 不同泵阀开启规律及泵吸水室水位对应最大起动水锤压力m

吸水室水位/净扬程

-2.627/5.659-0.667/3.699 2.463/1.99 3.253/1.2泵起动后开阀

30s 匀速开阀17.31118.55121.20821.50260s 匀速开阀12.11912.92915.04815.357泵阀同时开启

30s 匀速开阀

20.993

22.288

24.739

25.168

60s 匀速开阀

18.39818.60719.97420.029阀开到15 时泵起动

30s 匀速开阀23.33723.78526.16726.51160s 匀速开阀

22.682

23.628

26.002

26.337

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