輸水系統(tǒng)中泵組瞬變工況及其影響

輸水系統(tǒng)中泵組瞬變工況及其影響閻慶紱，馬素霞，李欣（太原理工大學，太原流量和調節(jié)幅度有關。泵組瞬變工況對全系統(tǒng)流動都會產生影響。系統(tǒng)中設置調壓塔可以調蓄瞬變流量和阻尼瞬變壓力水頭。此成果可為類似的設計研究和計算提供一個范例。

　　1：A輸水系統(tǒng)運行過程中，正常的工況調節(jié)和非正常的工況突變都是存在的，試驗測試和分析計算都已表明，這兩種因素都會使泵組在瞬變工況下運行，也都會引發(fā)全系統(tǒng)的瞬變流動，使輸水系統(tǒng)工況全面波動，嚴重時會脫離正常運行而出現事故，當泵組出現瞬變工況時，其轉速、流量和能頭都發(fā)生瞬時變化，包括葉輪的反轉和過泵液流的反向流動，從而進入泵的全特性運行。并且這種變化會波及到輸水管道系統(tǒng)中的其他設施，造成系統(tǒng)中出現截留氣體和液柱分離，使全系統(tǒng)都處于振蕩流動。

　　本文以引黃入晉工程部分管段的水工模型試驗為基礎，通過數值計算，論述泵組正常工況調節(jié)時的瞬變特性，分析產生原因及其對系統(tǒng)特性的影響，為類似的水利工程設計，運行和研究計算提供一個范例。

　　1泵組的瞬變特性1.1瞬變工況的兩個階段輸水系統(tǒng)運行時，往往需要從一種穩(wěn)定工況調節(jié)到另一種穩(wěn)定工況，達到變化輸水量的目的流量隨時間的這種連續(xù)變化，實質是非定常流動，稱之為瞬變流動，所以調節(jié)的全過程都屬于瞬變流動。如果從調節(jié)開始至結束，流量始終小于某一臨界流量QCr，并在瞬變過程中只有流量和能頭大小的變化，而不出現液流的反向，把這種只有單向變化的瞬變稱為瞬變的階段但是，有時流量需要作大幅度調節(jié)而超過，結果系統(tǒng)中不但流量和能頭大小發(fā)生變化，液流還會有反向流動，稱之為瞬變的第二階段一般因事故造成的瞬變流動只有第二階段，所以非調節(jié)因素產生的瞬變流動是因正常調節(jié)產生的瞬變流動的特例因非調節(jié)因素產生的瞬變流動已有較多研究，本文只論述調節(jié)因素引發(fā)的瞬變工況特性。

　　1.2泵組系統(tǒng)的瞬變工況它的瞬變工況和其前后的管路系統(tǒng)特性有關根據能頭平衡原理，當泵組系統(tǒng)正向流過某一臨界流量QCr時，如果能頭達到平衡，顯然下式應該成立Hs+TDH-AH=Hp（1）供的總能頭；AH-一泵組后出口閥的能頭損失；Hp一一出口閥后系統(tǒng)的能頭由于調壓塔的調蓄作用，泵組上游邊界能頭基本保持不變，而連接管內流動阻力的存在，Hs值將隨流量增加而下降但為使泵不發(fā)生汽蝕，設計的調壓塔出口壓力水頭應能保證在任何工況下Hs都能略大于泵的允許汽蝕全量受泵的性能曲線的限定，TDH是隨流量增加而下降的。AH和Hp都是隨流量的平方而變化，如果流量增加，它們也隨之增大結果氣閥2.2方程組輸水系統(tǒng)的瞬變工況為非定常流動，在給定的初始和邊界條件之后，可采用有限差分的特征線法求解，由此得到差分方程組為力水頭和流量；Ha，Qa一一t=J-1時刻系統(tǒng)中I-1斷面處的壓力水頭和流量；Hb，Qb一一t=J-1時刻系統(tǒng)中1+ 1斷面處的壓力水頭和流量；x一一距離步長；A一一管道截面積；a一一波速；g一一重力加速度；A?一沿程阻力系數。

　　2.3泵組系統(tǒng)瞬變計算的邊界條件泵組系統(tǒng)核心是泵，其前后都與管路連接，泵后還要安裝控制閥，因此其邊界條件應包括泵組，單管和閥的邊界條偉23.1泵組邊界條件特性有關的數值下標：R-一額定值；5?一泵入口側；u-一泵出口側；0t=0的值2.3.2出口閥邊界條件本文計算瞬變特性時，設定泵出口閥全開，其水力特性可用式（5）描述，在出口閥全開f=1，Q0=Qr時的水頭損失為AH0，則不同流量下的水頭損失按式（6）計算2.3.3泵組前后管路邊界條件j時間代號。

　　3泵組瞬變工況特性及分析3.1初始條件本文研究因正常工況調節(jié)產生的瞬變流動，考慮泵組調節(jié)范圍和瞬變特性影響，在下面三種初始工況下，按流量逐漸增加的調節(jié)方式進行計算其瞬變過程的變量主要為能頭H，流量Q和轉速n，根據能頭平衡和泵的特性，可構造出包括無量綱流量V和無量綱轉速AL的方程組3.2上游泵組瞬變特性及分析輸水系統(tǒng)為增加流量而進行工況調節(jié)時，上游泵組便進入了瞬變工況，并且由圖可見，此時的瞬變工況存在著特性不同的兩個階段由可見，在瞬變的階段，流量逐漸增加，當流量超過Qr時，將符合式（2）的條件而發(fā)生第二階段瞬變，泵出口流量突然下降，并出現倒流，這符合動力失靈的變化規(guī)律。而出口流量變化幅度隨初始流量增加而減小。

　　o-一轉矩；2）泵組入口壓力水頭三種初始工況下泵入口壓力水頭的瞬變特性見由圖可見，其變化基本與流量變化同步，在進：第二階段時，出現突然升高的峰值，這是過泵閻慶紱等：輸水系統(tǒng)中泵組瞬變工況及其影響液流倒流和葉輪反轉造成的。由于上游調壓塔的作用，壓力水頭又迅速回落，并大致保持在略高于階段的水平上。此外，初始流量小時，其峰值較高而回落后又較低。這與流量變化幅度是相對應的。

　　由可見，葉輪出現反轉，并且初始流量越小，其反轉轉速越高，因為流量小時泵出口壓力水頭較高此點在進行調節(jié)和瞬變控制設計時需要引起重視，并應將其控制在允許的飛逸轉速14范圍之內。

　　3.3下游泵組的瞬變工況上、下游泵組是串聯在系統(tǒng)中的，當上游泵組發(fā)生瞬變工況時，下游泵組也隨之進入瞬變工況，見圖和泵轉速的變化規(guī)律。

　　由圖可見，泵組工況也出現了倒流和葉輪反轉，即在上游泵組瞬工況的影響下，下游泵組也同時產生了兩個階段的瞬變工況這種情況類似于實際工程中，由于運行調節(jié)造成的泵站間的相互干擾由此說明，上游泵站因調節(jié)造成的瞬變工況，會影響到下游泵站也發(fā)生瞬變工況，而不管下游泵站是否進行調節(jié)下游泵入口壓力水頭應當指出的是，下游泵組的瞬變工況特性，與兩泵組間的距離，泵組自身特性，系統(tǒng)中的其他設施等有密切關系，因此實際情況可能會比圖中所示的情況更為復雜，在類似研究計算時，應視具體情況而定。

　　4上游調壓塔的運行工況上游泵組的瞬變工況不但對下游產生影響，還會影響到上游調壓塔內的水位和流量4.1調壓塔的邊界條件忽略慣性，并且因塔內速度水頭較小，所以有妨和，圖）中給出了Vu1=Aic時，泵入口壓力n水頭blishHplT塔底壓力水頭；分+ NQ1塔前后管內農業(yè)工程學報流量；Q流入調壓塔的流量再考慮上、下游管路的邊界條件，于是可得調壓必11水位；Aj??塔的截面積4.2調壓塔內水位泵組的瞬變工況很快就在上游調壓塔內反映出來，雖然系統(tǒng)內液流的倒流會使流入塔內的流量有所增加，但因塔的截面積較大，所以塔內水位略有上升后又很快回落。由于慣性回落值略低于起始值，但卻始終保持在高于上游泵組入口壓力水頭的水平上。

　　顯示的調壓塔的水位變化，說明如果系統(tǒng)內出現像上游泵組那樣的瞬變工況，可用調壓塔來調蓄流量和阻尼瞬變壓力水頭，使系統(tǒng)很快消除由于瞬變工況帶來的振蕩流動5結論1）輸水系統(tǒng)中泵組會因正常調節(jié)而出現瞬變工況，其兩個階段的特點是不同的，尤其是瞬變第二階段，因過泵液流的倒流和葉輪的反轉，會破壞正常輸水乃至發(fā)生事故2）泵組瞬變工況對其上、下游系統(tǒng)中的流動會產生影響，如果這種情況出現在輸水系統(tǒng)的兩泵站間，無論是上游還是下游泵站的泵組出現瞬變工況，都會波及到另一泵站內的泵組也發(fā)生瞬變工況，在輸水系統(tǒng)運行調節(jié)過程中，必須加以控制3）系統(tǒng)中設置調壓塔和溢流裝置，可調蓄瞬變流量和阻尼瞬變壓力水頭。引黃入晉工程各級泵站的上、下游設置的調壓塔和溢流井，充分考慮了這種工況，以保證輸水系統(tǒng)全線的安全正常運行。