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
