基于Flowmaster的高扬程长管道提灌站止回阀关闭规律研究

2017-03-06 12:43卢珍周小波李光辉曾文明李

现代农业科技 2017年1期

卢珍++周小波++李光辉++曾文明++李玉玲++阮红丽++梁君

摘要以某高扬程长管道提灌站为例，借助当今全球最为著名的热流体系统仿真分析软件Flowmaster进行系统建模，对水泵在意外断电的情况下，水泵后无止回阀以及止回阀分别采用线性关闭和两阶段关闭规律等情况进行了数值模拟计算及分析，并进一步对先快后慢的两阶段关闭规律进行了对比分析研究。结果表明：对于高扬程长管道提灌站管道系统，在水泵意外断电的情况下，可通过在水泵出口设置两阶段关闭的止回阀，并通过改变阀门的关闭规律来减小最大水锤压力值。

关键词 Flowmaster；高扬程长管道提灌站；止回阀关闭规律

中图分类号 S277.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）01-0173-03

高扬程长管道提灌站在丘陵山区较常见，是保障农业灌溉的重要水利设施，其运行过程中，由于水泵意外断电，止回阀的关闭所引起的水锤压力是高扬程长管道提灌站设计以及运行管理过程中最关心的因素之一，也是大量学者长期研究的重点之一[1-3]。水锤事故的发生危害性较大，常导致水泵机组、管道、阀门等设备的损坏，严重时甚至造成人身伤亡事故。因此，针对高扬程长管道提灌站系统开展止回阀关闭规律研究，准确分析和计算管道系统的水锤压力，对指导选择管道类型及压力等级、阀门类型及压力等级和关闭规律、水锤防护措施等具有重要作用，对保障高扬程长管道提灌站系统安全高效运行及农业生产安全供水具有重要意义。

近年来，随着计算机科学技术的不断进步和发展，数值模拟技术的应用已非常广泛。与传统研究方法相比，数值模拟方法具有预见性、周期短、投资小、准确性高、可靠性强等优点，已成为科学研究和工程设计中的一个重要手段[4-5]。本文借助当今全球最为著名的热流体系统仿真分析软件Flowmaster对某高扬程长管道提灌站系统进行建模，对其开展止回阀关闭规律研究，以期为提灌站工程设计、水锤防护以及水锤研究等提供理论参考。

1 研究对象与方法

1.1 Flowmaster软件简介

Flowmaster是全球领先的一维流体系统仿真解算工具，是面向工程的完备的流体系统仿真软件包，对于各种复杂的流体系统，工程师可以利用Flowmaster快速有效地建立精确的系统模型，并进行完备的分析。每个流体系统由许多的元件构成，如泵、阀、管路等，Flowmaster可以监视系统的运行情况，如改变泵转速、开启和关闭阀门时系统的变化情况，如各支路流量的变化及各节点压力的变化，Flowmaster可以对系统中的各個环节进行精确的压力、流量、流速分析，快速地帮助工程师完成和优化系统的设计[6]。

1.2 研究对象

以某高扬程长管道提灌站为研究对象。该站从水库取水，进、出水管道为钢管。该站安装有1台离心泵，额定流量0.023 6 m3/s，额定扬程225 m，额定功率75 kW，额定转速2 950 r/min。该站的设计参数如表1所示，管路系统组成具体如图1所示。

1.3 建模方法

1.3.1 管路系统模型搭建。根据上述提灌站管路系统的实际组成，搭建了图2所示的提灌站管路系统计算模型[7-8]。

1.3.2 计算条件设置。①模拟介质：水，温度为20 ℃，密度为998 kg/m3，动力黏度为0.001 01 Pa·s；②进口边界条件：给定恒定的总压；③出口边界条件：给定恒定的总压。④波速：1 000 m/s；⑤计算时间步长：0.02 s[9]。

2 结果与分析

2.1 无止回阀停泵过程分析

在水泵出口未安装止回阀的情况下，对水泵意外断电后提灌站管道系统的运行情况进行了数值模拟计算。从图3可以看出，水泵意外断电后，转速由正转开始不断降低，直至降到0，然后水泵开始反转，且反转转速不断增大，直至达到最大反转转速2 483 r/min后维持稳定。从图4可以看出，水泵意外断电后，流量开始不断减小，减为0后水流开始倒流，且倒流流量快速增大到0.018 9 m3/s，然后再缓慢减小至0.011 5 m3/s。从图5可以看出，水泵出口压力快速降低至105.4 m，然后再缓慢增大到124 m，最后保持恒定。

由此可见，水泵出口未安装止回阀时，在水泵意外断电的情况下，水泵转速会出现反转，同时管道系统的水会出现大量倒流，而水泵出口的压力波动不大。

2.2 线性关闭规律分析

在水泵出口安装普通止回阀的情况下，分别对控制阀线性5 s关闭、线性10 s关闭、线性15 s关闭、线性20 s关闭4种运行工况进行数值模拟计算。从图6和表2可以看出，不同线性关闭时间下，最大水锤压力值均小于水泵出口压力的1.3倍，均能满足要求。止回阀采用线性关闭规律时，最大水锤压力值随阀门关闭时间的延长而逐渐减小。

虽然阀门关闭时间的延长可有效降低关阀后的最大水锤压力值，但关闭时间太长，容易引起压力管道中水大量倒流。因此，应合理确定阀门的线性关闭时间，确保最大水锤压力值在要求范围内，同时也要保证管道内不能出现水的大量倒流。

2.3 先快后慢两阶段关闭规律分析

在保持关闭总时间在15 s的情况下，控制阀采用先快后慢两阶段关闭规律，快关时间为1.5 s，关闭角度80%，慢关时间为13.5 s，关闭角度20%。从图7可以看出，最大水锤压力值为219.6 m，小于在相同关闭时间下采用线性关闭规律时的最大水锤压力值225 m。由此可见，与线性关闭规律相比，采用先快后慢的两阶段关闭规律可有效降低最大水锤压力值，对保障提灌站系统安全运行更有效。

2.4 缓慢关闭时间变化规律分析

采用先快后慢的两阶段关闭规律，在保持快关时间1.5 s和角度关闭量80%不变的情况下，分别对慢关时间为5、10、15、20 s 4种运行工况进行数值模拟计算。从图8和表3可以看出，不同缓慢关闭时间下，最大水锤压力值均小于水泵出口压力的1.3倍，均能满足要求。在快关时间和角度关闭量不变的情况下，随着慢关时间的延长，最大水锤压力值逐渐降低。

2.5 慢关角度关闭量变化规律分析

采用先快后慢的两阶段关闭规律，在保持快关时间1.5 s和慢关时间13.5 s不变的情况下，分别对慢关角度关闭量5%、10%、15%、20%、25%、30% 6种运行工况进行数值模拟计算。从图9和表4可以看出，慢关角度关闭量不同时，最大水锤压力值均小于水泵出口压力的1.3倍，均能满足要求。在快关和慢关时间均不变的情况下，随着慢关关闭角度量的增大，最大水锤压力值逐渐降低。

3 结论

通过上述分析，可得到以下结论：

（1）如果水泵出口未设置止回阀，水泵在意外断电的情况下，水泵转速会出现反转，同时管道系统的水会大量倒流，而水泵出口的压力波动不大。

（2）普通止回阀采用线性关闭规律时，最大水锤压力值随阀门关闭时间的延长而逐渐减小。但由于时间太长会引起水泵反转，管道系统水大量倒流，因此应通过计算合理确定线性关闭时间。

（3）与线性关闭规律相比，先快后慢的两阶段关闭规律可有效降低最大水锤压力值。

（4）在快关时间和关闭角度不变的情况下，慢关时间越长，最大水锤压力值越小。

（5）在快關和慢关时间不变的情况下，随着慢关关闭角度量的增大，最大水锤压力值逐渐减小。

4 参考文献

[1] 方永旗.高扬程提灌泵站水锤分析及防护措施[J].中国农村水利水电，2010（11）：141-143.

[2] 姚青云，李志敏.事故停泵水锤对压力管道的影响[J].排灌机械，2006，24（6）：45-47.

[3] 刘奕朗.高扬程泵站输水管路水锤压力数值模拟研究[D].天津：天津大学，2012.

[4] 王福军，白绵绵，肖若富.Flowmaster在泵站过渡过程分析中的应用[J].排灌机械工程学报，2010，28（2）：144-148.