基于軸流式止回閥的高揚程泵站水錘防護仿真計算

廖志芳，王榮輝，肖玉平，張白云，唐澤潤，談凱，蔣勁

(1.天津市輸水系統(tǒng)水錘閥門控制技術企業(yè)重點實驗室，天津300051；2.天津博納斯威閥門股份有限公司，天津300051； 3.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明650051； 4.武漢大學動力與機械學院，水力機械過渡過程教育部重點實驗室，湖北 武漢430072)

止回閥在泵站水力過渡過程的防護中有著一定的運用，尤其當泵站揚程較高而機組轉動慣量較小時，止回閥裝設在水泵出口防止在泵站事故停機時引起機組倒轉[1]，但這種防護措施的缺點在于往往會導致水泵出口出現(xiàn)較大升壓，需要配合超壓泄壓閥或者水擊泄放閥。本文所論述的方法是在管線中間和管線末端以及水泵出口同時設置軸流式止回閥，多個閥門聯(lián)動將一段長管道分成幾段，大大降低水錘防護的難度。而此種方法在工程上還未有實際運用，也未見相關文獻，因此很有研究的價值，本文旨在通過計算結果論證軸流式止回閥多閥調(diào)節(jié)的優(yōu)點，并指導工程運用。

1軸流式止回閥的結構和工作原理

軸流式止回閥是安裝在壓縮機、泵等的出口防止介質(zhì)回流的裝置，見圖1。當壓縮機、泵等工作時對介質(zhì)做功，使介質(zhì)動能增加，當介質(zhì)流動到閥瓣位置時，流動受阻，一部分動能轉化為壓力勢能，推動閥芯，閥門開啟。當壓縮機、泵等停止工作時，在彈簧和回流介質(zhì)作用下閥門關閉阻止介質(zhì)回流。

圖1軸流式止回閥結構示意

圖2為該軸流式止回閥的流阻特性曲線，其中流體通過閥門時，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降Δp表示。

圖2軸流式止回閥流阻特性曲線

對于紊流流態(tài)的液體：

Δp=ζu2ρ/2

式中：Δp為被測閥門的壓力損失，MPa；ζ為閥門的流阻系數(shù)；ρ為流體密度，kg/mm3；u為流體在管道內(nèi)的平均流速，mm/s。

軸流式止回閥可根據(jù)需要實現(xiàn)兩階段關閉，關閉過程中，當閥門行程達到全行程的90%時，緩沖缸活塞與閥瓣接觸，減緩閥瓣關閉過程，緩閉時間可通過針型閥調(diào)節(jié)[2]。

2水力過渡過程的數(shù)學模型及邊界條件

水錘計算的特征線法[3-4]。管道系統(tǒng)水錘的計算是對整個裝置進行計算分析，包括管道內(nèi)點及與管道連接的裝置中的各部分(邊界點)。在水錘計算中，對于管道系統(tǒng)內(nèi)點的計算是求解水錘基本方程，即由運動方程和連續(xù)性方程組成的雙曲型偏微分方程組[5]。為了實現(xiàn)計算機的編程計算，需采用特征線方法將該偏微分方程組離散化[6]，為此，先沿特征線方向將它轉換為水錘全微分方程：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)進行有限差分近似，可以得到對應于圖3所示的水錘離散特征線方程：

圖3水錘計算的特征線網(wǎng)格

(3)

(4)

解上述方程可得：

C+:HP=HA-B(QP-QA)-RQA|QA|

(5)

C-:HP=HB+B(QP-QB)+RQB|QB|

(6)

或

C+:HP=CP-BQP

(7)

C-:HP=CM+BQP

(8)

3超高揚程泵站多閥調(diào)節(jié)仿真分析

本文基于超高揚程泵站對軸流式止回閥多閥調(diào)節(jié)的方案進行分析，其中，泵站采用一管三機，兩用一備，水泵設計流量1.415 m3/s，設計揚程610 m，設計點效率85%，設計工況軸功率9 962 kW，轉速1 000 r/min，轉動慣量2 000 kg·m2。該泵站的特點是揚程高，管線短，事故停泵時倒流快。本文所使用的軟件是專業(yè)的水力分析軟件PIPENET，PIPENET管網(wǎng)流體分析軟件起源于上世紀70年代的劍橋大學。1979年，劍橋大學計算機中心將其收購并命名為PIPENET，1985年SUNRISE SYSTEMS LIMITED公司成立，獨立進行PIPENET軟件的研發(fā)和拓展。PIPENET是國際上流行的商用軟件,該系列軟件已廣泛的運用于石油化工、工業(yè)循環(huán)水以及跨流域輸送等行業(yè)，具備強大的工程管網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)值計算、模擬仿真和系統(tǒng)優(yōu)化等功能。

圖4泵站示意圖

3.1泵站無防護事故停泵

當不設置任何防護措施時，計算系統(tǒng)產(chǎn)生的水錘壓力。停泵后1.5 s開始倒流，兩臺泵在停泵后5.6 s后開始倒轉，其倒轉轉速超過了水泵額定轉速的1.2倍；極長管段中出現(xiàn)負壓，系統(tǒng)最小壓力達到-8 m，為提前設定的在該地區(qū)的水的汽化壓力。水流有被拉斷的情況發(fā)生。水泵出口的最大正壓為899 m，超過了平穩(wěn)運行時壓力的1.3倍。綜上所述，對兩臺泵事故停泵的工況必須采取必要的防護措施防止倒流倒轉和過大壓力帶來的危害。

圖5無防護壓力包絡線

圖7無防護最大升壓

3.2多閥調(diào)節(jié)

在水泵出口設置軸流式止回閥，閥門兩階段關閉，快關為停泵后1.5 s關85%，慢關為55 s關15%。在管線高點處和末端設置三臺軸流式止回閥，閥門在0流量時關至10%，并保持10%開度，不關死。

數(shù)值模擬的結果顯示停泵后所產(chǎn)生的最大水錘升壓僅為634 m，略高于最大使用壓力(632 m)，機組倒轉未超過額定轉速，高點處控制最小壓力在-5 m以內(nèi)，未產(chǎn)生汽化。且軸流式止回閥前后壓降僅為1 m，相對于泵站的凈揚程(619.55 m)而言非常小，這說明該閥流阻較小，有優(yōu)良的水力特性，不會產(chǎn)生過大的水力損失。相比于無防護停泵，使用軸流式止回閥的多閥調(diào)節(jié)方案可以使閥門出口水錘升壓減小40%，并極大地抑制機組倒轉，也可控制高點處的負壓。

圖8多閥調(diào)節(jié)壓力包絡線

圖9多閥調(diào)節(jié)水泵轉速

圖10多閥調(diào)節(jié)最大升壓

圖11軸流式止回閥前后壓降

4結語

1)軸流式止回閥在上述典型的短距離超高揚程泵站的水錘防護中有著較為獨特的用法，即安裝在管線中間和末端，在事故停泵中起到截流作用，將一段管道分隔成幾段管道，有效抑制流體倒流，且解決了由于水泵出口閥門關閉太快引起的升壓問題，但是閥門不關死，確保管道中沒有液柱分離的情況發(fā)生。

2)軸流式止回閥的多閥調(diào)節(jié)方案的優(yōu)點在于閥門流阻小，水力特性優(yōu)良，不會有較大損失；對于水錘事故產(chǎn)生的升壓和機組倒轉的防護效果相當明顯，不需要設置復雜且昂貴的水力元件。

3)本文所論述的軸流式止回閥的妙用適用于短距離高揚程的泵站過渡過程的防護，特別隨著近年的發(fā)展，機組轉動慣量越來越小，這對于過渡過程的防護提出了更高的要求。為控制機組倒轉就需要泵后閥門快速關閉，但這樣又會帶來更高的升壓問題，所以還需要配合超壓泄壓閥或者空氣罐同時調(diào)節(jié)，這種方法不僅效果不明顯，且不夠經(jīng)濟。在管線中間和末端加軸流式止回閥，可以在保證機組倒轉不超過標準的情況下控制閥后幾乎不升壓，同時防止局部高點出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。且軸流式止回閥成本低廉，工藝成熟，安全可靠，為解決類似的問題提供了新思路。