8 张维聚,马果.水泵站过渡过程计算分析及技术研究 8__05 文章编号:1006--2610(2012)S1删水泵站过渡过程计算分析及技术研究 张维聚,马 果 (中水北方勘测设计有限责任公司,天津300222) 摘要:根据某中水头供水泵站的设计及泵组失电过渡过程的计算分析及技术研究,提出了解决泵站过渡过程满足 规范要求的办法。 关键词:水泵;过渡过程;液控缓闭止回蝶阀;两段关闭 中图分类号:TV675 文献标识码:A Calculation,Analysis and Technical Study on Transition Process of Pump Station ZHANG Wei-ju,MA Guo (China Water Bei ̄ng Investigation,Design&Research Co.,Ltd,Tianjin 300222,China) Abstract:In accordance with design of water-suppLy pump station with medium head as well as calculation,analysis and technical study on transition process of pump sets with electric power off,methods for the pump station to satisfy requirements of specification during tran— sition process are raised. Key words:Water pump;transition process;hydraulic—control slowly—close check butterfly valve;close at two stages 1 泵站参数 1.1泵站基本情况 并管管径 水锤波速 水泵扬程 水泵流量 D=1 400 mnl(钢管) C=966.59 m/s(钢管) H=77 m 本泵站为灌溉用泵站,安装8台单级双吸离心 泵组,额定流量为1.58 in /s,设计扬程77 in,泵的 Q=1.58 m /s N1=1 000 r/min 450 kg・m 水泵额定转速 电动机转动惯量 水泵的转动惯量 出口管径为0820X10,管道长50 m,其中2台泵并 联后汇聚至大管01 220X10,管长2.5 kin。其余6 台中每3台泵并联后汇聚至大管01 420X10,管长 2.5 km。 不考虑 表1 水泵电动机性能参数表 项 目 最高扬程77 in最低扬程65 in 1.58 1 312 9O 流量/(in ・s。) 轴功率/kW 效率/% NPSHre/in 1.9 l 376 88 1.2泵站计算参数 水泵 电机 管长 SFWP80—700sl YKS630—6 =2 500 m 8台 8台 6 1 Ooo l25 800 1 600 9 1 000 额定转速(同步)/(r・min ) 比转速 转轮直径(约)/m 推荐配套电机功 ̄-/kW 机端电压/kV 配套电动机型号 进水支管管径出水支管管径D =1 000 mm(钢管) D:=800 mm(钢管) 800 6 kV,IP54 卧式异步电动机 1 00o 96.7 0.87 收稿日期:2012-07-28 额定转速(同步)/(r-rain ) 电动机额定效率/% 功率因数 作者简介:张维聚(1963一),男,山东省威海市人,高级工程师 从事水利水电工程设计工作. 西北水电・2012年・增刊1 9 1.3输水管道计算参数 输水系统管道基本数据见表2。 表2输水管道基本数据表 2计算软件与计算原理 2.1计算软件简介 Bentley HAMMER是由Bentley公司开发的全 球知名水锤计算软件,用于分析复杂的水泵系统和 管网从一个稳态过渡到另一稳态的瞬间变化。以下 是根据本泵站的实际情况建立软件模型,基于Bent— ley HAMMER软件的计算分析过程。本计算是采用 Bentley HAMMER V8i版。 2.2计算原理 2.2.1 一维非恒定流动的基本方程 连续方程 鱼 + :0 f 1) d df 运动方程 0Z~0 + + ( +v OV.x yOx g Ot Ox ,1+ Ox :0(2)、 式中:t为时间; 为流程;z为断面平均高程;P为断 面平均压力;V为断面平均流速;A为断面积;p为流 体密度; 为流体容重;h 为水头损失;g为重力加 速度。 2.2.2 有压管道中水击的微分方程和特征方程 以£和D分别表示管道的长度和直径,式(2) 中水头损失可表示为: A (3) 式中:A为摩阻系数。记测压管水头z+P/ =h, 得到水击运动微分方程: g g——+——+。 Ox + Ot + rV ——+^—Ox +A 2D —=0= U(4)斗 由式(1),考虑了水的压缩性和圆管管壁的弹 性,得到水击连续微分方程: + + in + :0 (5) Ot Ox gOx 式中:C为水击波的传播速度,由液体的压缩性和管壁 的弹性决定;0为管轴和水平线夹角,_O_Z:一 i 0。 式(4),(5)组成一阶拟线性双曲型偏微分方程 组,本文用特征线法求解。特征线法是把一根管道 划分为n等分,间距为 ,然后在起始条件下按照 特征方程递推计算。递推要保证计算稳定,时间步 长必须满足Courant条件: △ ≤ (6) 按照特征理论,不难得到式(4),(5)的特征线 方程: c+ + +Vsin 0+cA =。 : +c c一 dt一 gdt+ in 一cA 2= gD=0 df : ’ 一。 沿图1所示的特征线,把特征方程离散化后,得 到: c+ — + +VgAtsin + :。 (7.1) 一XR=( +c)At (7.2) 10 张维聚,马果.水泵站过渡过程计算分析及技术研究 =Vc一 。( 一 ) hR=hc一6c(hc—hA) hs=hc一6c(hc—hB) (10.2) (10.3) (10.4) c 一 一 =。 (8.1) 一X =( 一c)At (Ix (8.2) (Ix 引入符号: 血 c + [L g_△£sin 一 2gO]J P / B (11.1) c肘 一卧gL sin 一 2g1)】J 图1特征线网格图 (11.2) 下面处理等直径圆管,可略去D和0的下标尺 或S。根据式(7.1)和(8.1),在已知上时刻的h , 式(7.1)和(8.1)改写为: c+ :c 一 g 和h , 下,求本时刻的h , 。 如图1所示,R点和S点的参数可用网格点 , B,C三点的参数线性内插得到。根据式(7.2)和 (8.2),得到插值公式为: = ・ (12.1) C一 ,:C + g (12.2) 于是,对一根管道的内点P有: CP+CM P一 2 = 2 。:曼 二 C : 二 C h =h。一6( +C)(h。一h ) hs=hc+6(Vs—c)(hc—hB) (9.3) (9.4) 3模型建立 根据泵站工况条件和管道布置,泵站及管线布 置如图2所示。 式中:6=At/AX。对于压力管道,管道流速 远小 于水击波的传播速度c,所以可略去,(9)式简化为 VR=Vc一6c(Vc一 ) (10.1) 泵的特性曲线如图3。 在泵的出口设置控制阀,泵出口压力 管道上每根设置4个空气阀(在现有管道 位置)。 根据泵、控制阀的特性,分别设置泵、 控制阀及其它阀的特性。其中控制阀的流 量流阻曲线如图4。 关闭特性曲线根据不同计算工况进行 调整比较(出现在下面计算工况中)。 4稳态计算成果 稳态运行单泵流量为1.674 m /s,8台 泵共计为13.298 m /s。水泵出水管线稳 态压力分布见图5。 图2泵站及管线布置图