水利工程論文-禹門口提水東擴(kuò)工程二級泵站蝶閥加空氣閥聯(lián)合防護(hù)下水力過渡過程的數(shù)值模擬研究摘要:隨著供水距離的加大及電機(jī)制造工藝的進(jìn)步,水泵機(jī)組越來越小型化、輕量化,壓力管道的安全運(yùn)行已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。本研究通過建立水泵及空氣閥邊界的數(shù)學(xué)模型,基于計算機(jī)數(shù)值模擬以期優(yōu)化蝶閥關(guān)閉并確定空氣閥位置及數(shù)量,結(jié)合工程實(shí)例提出供水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全的運(yùn)行制度。關(guān)鍵詞:供水工程；水錘；空氣閥Abstract:Withsupplyingwaterfromincreasingprogressofmanufacturingengineeringaselectricalmachinery,moreandmoreminiaturized,lightquantizationofthewaterpumpassembly,thepressureismanagedthesafeoperationofonehasalreadybecomethefocalpointstudied.Passarticleitsetupwaterpumpandairvalvemathematicsmodelofborder,becauseofthenumericalsimulationofthecomputerisinthehopeofoptimizingbutterflyvalveclosingandpositioningairvalveandquantity,combinetheprojectinstanceandproposesupportingtheriversystemoperationsystemoftheeconomicsecurityofinterconnectedsystem.Keywords:watersupplyproject；waterhammer；airvalve1供水工程水力過渡過程數(shù)值模擬研究的目的壓力管路的安全運(yùn)行,是設(shè)計者必須首先考慮的問題,在設(shè)計階段,數(shù)值模擬管道過渡過程的方法不失為一種既經(jīng)濟(jì)又安全的方法。文章研究目的:建立水泵邊界、蝶閥邊界、空氣閥邊界及運(yùn)行方式邊界條件的數(shù)學(xué)模型,通過計算機(jī)數(shù)值模擬優(yōu)化蝶閥關(guān)閉,并結(jié)合工程實(shí)例計算確定空氣閥位置,對蝶閥加空氣閥的聯(lián)合防護(hù)措施進(jìn)行模擬,提出供水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行制度。2水力過渡過程數(shù)值模擬的原理2.1特征線法的計算原理文章利用特征線法將運(yùn)動偏微分方程和連續(xù)偏微分方程變換為全微分方程,用差分方法借助計算機(jī)算出任一瞬時各斷面上的水力參數(shù)。設(shè)A、B和P為管道上兩個相鄰的斷面,斷面間的距離為x。如果在t0時刻A斷面和B斷面處的水頭H和流量Q己知,根據(jù)下列正、負(fù)水錘特征方程聯(lián)立求解,即可求得t0+t時刻的管中p斷面的水頭H和流量Q,即:A:管徑過流斷面積。聯(lián)立求解方程式(1)和(2),即可根據(jù)管路A點(diǎn)和B點(diǎn)在t0時的已知值QA、HA、QB、HB,求出t0+t時的管路P點(diǎn)的QP、HP值為2.2空氣閥邊界條件假定:空氣等熵地流進(jìn)流出閥門；管內(nèi)氣體的變化遵守等溫規(guī)律；進(jìn)入管道的空氣留在它可以排出的閥附近；液體表面的高度基本不變,而空氣的體積和管段里的液體體積相比很小。流過空氣閥的空氣質(zhì)量流量分下述4種情況:當(dāng)不存在空氣及水壓高于大氣壓時,空氣閥接頭處的邊界條件就是Hpi和Qpi的一般內(nèi)截面解。當(dāng)水頭降到管線高度以下時,空氣閥打開讓空氣流入,在空氣被排出之前,氣體滿足恒定內(nèi)溫的完善氣體方程:式中:V0:時刻t0的空穴體積；Qi:時刻t0流出斷面i的流量；QPi:時刻t流出斷面i的流量；QPXi:時刻t0流入斷面i的流量；QPPi:時刻t流入斷面i的流量；Ma0:時刻t0空穴中空氣的質(zhì)量；Ma0:流入或流出空穴的空氣質(zhì)量流量；Ma:時刻t流入或流出空穴的空氣質(zhì)量流量。其中,Ha:大氣壓頭(絕對壓頭)；r:液體容重；Z:空氣閥位置高程。3禹門口提水東擴(kuò)工程二級泵站工程實(shí)例禹門口提水東擴(kuò)工程位于山西省中南部,是向臨汾、運(yùn)城六縣市(新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城)工農(nóng)業(yè)以及農(nóng)村生活供水的保障性給水工程。年農(nóng)業(yè)供水量(包括汾河生態(tài)用水)8095萬m3,工業(yè)供水8031萬m3,總計1.61億m3。工程干線起點(diǎn)位于新絳縣的禹門口提水工程二級干渠光馬渡槽末端,終點(diǎn)位于距翼城縣城6km的西梁水庫。其間分別設(shè)置了向襄汾原井灌區(qū)供水支線、新絳供水提水支線、侯馬和曲沃分水口、汾河生態(tài)補(bǔ)水輸水支線、侯馬北莊灌區(qū)分水口、澮河灌區(qū)供水支線等。另在禹門口提水工程二級干渠樁號Q44+324處,設(shè)置了向稷山汾南灌區(qū)供水支線。工程沿線共布置調(diào)蓄水庫2座,提水泵站4座,主管線全長48.8km,支管線總長20.0km,輸水干渠總長11.4km,支渠總長34.3km。(1)禹門口東擴(kuò)提水工程二級泵站主要技術(shù)資料見表1。(2)輸水管線系統(tǒng):長度為13.58m,管材為PCCP管,管徑為1.8km,管道流量為5.065m3/s。(3)二級泵站工程平面示意,見圖1。(4)水泵出口液控蝶閥資料。本模擬計算中資料取自蝶閥生產(chǎn)廠家提供并且常用的蝶閥的特性資料,見表2。4二級泵站水力過渡過程數(shù)值模擬的結(jié)果及分析(以下所有描述全部以泵系統(tǒng)最不利工況進(jìn)行說明,所用全特性曲線是利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的結(jié)果。)(1)水錘波傳播速度及摩阻,見表3。壓力主管道水力過渡過程的數(shù)值模擬以調(diào)整播速法,計算方式上,以偏微分方程下的迭代求解進(jìn)行檢驗(yàn),以供水泵站工程的相關(guān)技術(shù)規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。根據(jù)設(shè)計單位提供的壓力主管道鋼筒混凝土管(PCCP管)的糙率是0.0125,由于水力過渡過程計算中采用摩阻系數(shù),經(jīng)計算得:鋼筒混凝土管的摩阻系數(shù)是0.0166。(2)泵出口閥門拒動作(閥門不關(guān)閉)工況。本工況反應(yīng)了當(dāng)出口閥門在需要關(guān)閉時無法正常關(guān)閉工況下的水泵特征量,見表4。從表4可以看出,在發(fā)生事故停泵后第29.13s,水泵開始倒流,在發(fā)生事故停泵后的第31.63s,水泵開始倒轉(zhuǎn),最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速74r/min,為額定轉(zhuǎn)速的0.08倍,沒有超過泵站設(shè)計規(guī)范要求的“水泵倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍”的要求,最大壓力為195.8m,為額定壓力的2.38倍,不滿足泵站設(shè)計規(guī)范“水泵最大壓力不得超過額定壓力的1.31.5倍”的要求。為了保證水泵機(jī)組的安全,應(yīng)采取其他措施以防止泵出口無閥門防護(hù)或是當(dāng)閥門拒動作時,機(jī)組的長時間高速倒轉(zhuǎn),并且應(yīng)采取合理措施以保證管路安全。(3)泵出口蝶閥優(yōu)化關(guān)閉工況。在選擇閥門關(guān)閉程序時,以兩階段關(guān)閉,快關(guān)角度和快關(guān)行程,慢關(guān)角度和慢關(guān)行程來控制管道的壓力和水泵機(jī)組的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。計算的最優(yōu)關(guān)閥結(jié)果見表5。由計算結(jié)果可見,蝶閥有效遏制了水泵機(jī)組的倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象,但同時也必然加劇了水泵出口的壓力升高,二級泵站同型號并聯(lián)泵同時停泵