长距离输水管线压力波动预止阀开阀时间对突然停泵水锤低压的影响

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1、第３２卷第１０期水电能源科学Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１０２０１４年１０月ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＯｃｔ．２０１４文章编号：１０００－７７０９（２０１４）１０－０１５５－０４长距离输水管线压力波动预止阀开阀时间对突然停泵水锤低压的影响李建刚１，蒋劲２，范征２，兰刚２，黄玉毅１（１．酒泉市水利水电勘测设计院，甘肃酒泉７３５０００；２．武汉大学动力与机械学院，湖北武汉４３００７２）摘要：针对长距离输水系统事故停泵后易导致水柱分离及产生具有破坏性的断流再弥合水锤的现象，建立了突然停泵管道系统气液两相水锤计算模型及其边界条件，并结合某工程实例，应用特征线法对采用注气微排阀和压

2、力波动预制阀防护措施的防护效果进行数值模拟，对压力波动预止阀在不同开阀时间下管线的负压变化进行比较，得到通过采用延迟开阀时间可有效避免因压力波动预止阀的动作而引起的系统管路负压恶化发生汽化的结论，对装设有压力波动预止阀的输水系统的泵站水锤防护具有重要参考价值。关键词：水锤；压力波动预止阀；长距离输水管道；泵站中图分类号：ＴＶ６７５文献标志码：Ａ预止阀而引起的管线负压恶化现象。１引言２两相瞬变流基本方程及水锤计算在高扬程长距离供水系统中，由于泵站输水方法系统事故停泵时引起的巨大压力波动会导致部分管线产生负压，甚至发生汽化，回流水柱冲击水泵２．１水锤计算方法使其产生倒转，严重威胁了泵

3、站的安全运行。一水锤基本方程是由运动方程和连续性方程组般在管线中装设空气阀及泵后装设多功能水泵控成的一组非线性双曲线偏微分方程，对此组合方制阀实现两阶段关阀，将系统的负压及水泵的最程的直接求解非常困难，可采用求取双曲线偏微［１～３］大倒转速度控制在安全范围内。但在泵后阀分方程的特征值进行求解。在特征值的约束下使门关闭后可能引起高压水锤，通常在水泵出口管偏微分方程转化为常微分方程：道汇总管处装设压力波动预止阀对高压水锤进行烄ｇｄＨｄＶｆｖ｜ｖ｜＋＋＝０防护。压力波动预止阀作为一种新型的水锤防护Ｃ＋：烅ａｄｔｄｔ２Ｄ（１）［４，５］阀门，在工程中应用广泛。周慧平等对压力烆ｄｘ／ｄｔ＝

4、＋ａ波动预止阀在工程实际中的应用做了研究；安荣烄ｇｄＨｄＶｆｖ｜ｖ｜－＋＋＝０［６］－：（２）云等对压力波动预止阀的低压导阀开启压力进Ｃ烅ａｄｔｄｔ２Ｄ行了设定，认为设定压力为稳态时的０．５倍；王玲烆ｄｘ／ｄｔ＝－ａ［７］式中，ｇ为当地重力加速度；ａ为水锤波速；Ｈ为等认为延长开阀时间有利于系统水锤防护。压力波动预止阀能有效抑制泵后阀门关阀后的高压测压管水头；ｔ为时间；Ｖ、ｖ均为流速；ｆ为管道水锤，但在一些系统中，由于阀门提前泄压会导致摩阻参数；Ｄ为管径；ｘ为位置坐标。管道内负压加重，从而带来不利影响。为此，本文根据特征线进行积分，由式（１）、（２）进行有限结合某泵站输水系统，根据

5、压力波动预止阀工作差分近似，得到对应于图１网格。图１中，Δｘ为机理对输水管线中压力波动预止阀的开阀时间进网格管段长度；Ａ为管道断面积；数值计算时采行了优化，合理有效地控制了由于装设压力波动用经过简化的差分方程格式：收稿日期：２０１４－０５－０９，修回日期：２０１４－０６－２３基金项目：国家自然科学基金项目（５１２７９１４５）作者简介：李建刚（１９７０－），男，高级工程师，研究方向为水利水电工程，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｊｇ＿７０＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：蒋劲（１９６３－），男，教授、博导，研究方向为水力机械装置过渡过程实验及数值模拟，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉａｎｇｊｉｎｇ４２３＠１６３．ｃｏｍ

6、·１５６·水电能源科学２０１４年烄Ｈｐｉ＝０．５（Ｃｐ＋Ｃｍ）烅Ｑｐｉ＝（Ｃｐ－Ｈｐｉ）／Ｂ（６）烆Ｑｐｉ＝Ｑｐｕｉ２．３压力波动预止阀工作原理及边界条件当管道内压力低于压力波动预止阀低压导阀的设定值时，低压导阀会自动打开，同时伴随主阀开启，开启的主阀将随之而来的较高压力排向大图１水锤计算特征线网格气。当高压波到来时压力波动预止阀的高压导阀Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｏｆｗａｔｅｒ感应到此高压波，使主阀持续保持开启状态，泄放ｈａｍｍｅｒｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｇｒｉｄ过余能量。当系统压力恢复至导阀压力设定值烄Ｃｐ＝Ｈｉ－１＋ＢＱｉ－１－ＲＱｉ－１Ｑｉ－１后

7、，导阀关闭，主阀随之关闭，物理模型见图２。Ｃｍ＝Ｈｉ＋１－ＢＱｉ＋１＋ＲＱｉ＋１Ｑｉ＋１烅（３）Ｈｐｉ＝（Ｃｐ＋Ｃｍ）／２烆Ｑｐｉ＝（Ｈｐｉ－Ｃｍ）／Ｂ其中Ｂ＝ａ／（ｇＡ）；Ｒ＝ｆΔｘ／（２ｇＤＡ２）式中，Ｃｐ、Ｃｍ均为特征线方程的已知常数；Ｂ为管道的特性常数；Ｒ为管道的摩阻特性常数；Ｑｉ－１、Ｑｉ＋１分别为断面ｉ－１、ｉ＋１的流量；Ｈｉ－１、图２压力波动预止阀示意图Ｈｉ＋１分别为断面ｉ－１、ｉ＋１的测压管水头；Ｈｐｉ、Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｒｇｅａｎ