关于液控止回蝶阀消除水锤效果的计算机仿真及试验研究

1　引言

我国黄河禹门口提水工程二级泵站，管路的安全防护设计中采用液控止回蝶阀以防止事故断电后引起的水倒流、水锤冲击和高速逆转，保证机组和管路的安全运行。该蝶阀由铁岭调节阀厂生产，型号为HD741-16DN600（见图1）。该蝶阀的工作原理是：在水泵起动前，由于流道出口淹没在出水池水位以下，为防止出水池水体倒流，蝶阀处于关闭状态；在水泵起动过程中，随着机组转速的上升，水泵出口水位逐渐上升，流道中的空气从蝶阀前的空气阀排出，经过很短的造压过程，蝶阀开始开启；在水泵正常停泵过程中，待蝶阀快速关至一定角度后机组断电，液控蝶阀继续关闭直至全关，切断水流。本研究结合该供水工程的实际，在液控止回蝶阀安全防护下，对停泵暂态过程进行计算机仿真研究，并通过现场测试进行比较，以期得到液控止回蝶阀防护水锤的最优关闭过程，从而为类似供水工程的建设、运行和开展这一课题的深层次研究提供技术支持。

图1　HD741-16DN600液控止回蝶阀

禹门口二级泵站位于山西、陕西两省交界处，属于高扬程（H=105m）、大流量（Q=1.6m³/s）的抽黄灌溉工程，设计灌溉面积3.33万hm²，安装10台机组，单机单管，明敷预应力混凝土管道，内径110m，长550m。总流量14.4m³/s，地形扬程98.8m，河水平均含沙量达50kg/m³。选用甘肃工业大学设计、阳泉水泵厂生产的单级双吸离心泵，水泵型号为32SH-7，其额定参数如表1所列。

表1 水泵特性资料参数

2　现场试验设备及测量方法

2.1　试验内容

基于该提水泵站的实际情况，水泵断电情况下，对泵及液控止回蝶阀水力过渡过程有关参数进行实时量测。内容包括：

（1）突然断电后，液控止回蝶阀前后、起坡处和管路变坡处压力随时间变化规律的实时量测；
（2）机组断电后其转速随时间的变化规律；
（3）实时量测断电后主管流量随时间的变化规律。

2.2　试验仪表及测量方法

2.2.1　瞬态压力的测量

通过球型阀门将主管与ZQ-Y型压力传感器互联，通过有线通信方式传至计算机采集系统记录相关的数据，求出相应的压力与时间过程。为校核，在试验现场的每个压力测点上，均有专人进行目测。

2.2.2　瞬时转速的测量

利用测速电机进行顺势转速量测，将发电机用支架固定在主轴旁，用一干电池组供给测速发电机励磁，测速电机的输出电压与所测转速成正比例输出，求得水泵的瞬态转速和对应的时间过程。

2.2.3　瞬态流量的测量

分支管测流法，包括支管、闸阀及差压变速器（输出标准直流信号4～20mA），送至计算机可实时记录支管流量随时间的变化规律。通过流体力学理论“并联管端的水头损失相等”特点，可求得下列关系式：Q=kq，计算便可求得主管流量。式中，q为分支管测出的瞬态流量（m³/s）；Q为主管流量（m³/s）；k为测流装置的系统流量倍数。现场试验开始前，测流装置在水泵稳定工况下利用超声波流量仪进行精确标定。该供水工程的水力过渡工程的实测结果见表2，限于篇幅表中仅给出最大最小压力包络线数据。

表2　最大最小压力包络线数据分析m

3　理论计算与试验研究结果

3.1　理论计算

水锤图解法对于布置复杂和摩阻损失占比重较大的长管道系统，计算精度较差。美国学者斯利特和怀利提出的特征线法，可考虑管道的摩阻损失及水锤方程的其它次要项，其计算精度高、速度快、收敛性好。本研究在基于对该法深刻理解的基础上，建立了考虑管路摩阻时压力管路水锤的基本方程，原理如下。

3.1.1　计算原理

设i-1、i和i+1为管道上3个相邻的断面，断面间的距离为Δx。如果在t时刻i-1和i+1处的水头和流量已知，则根据下列正、负水锤特征方程联立求解，即可求得t+Δt时刻的管中i断面的水头Hi和流量Q_i，即

式中

a为水锤波波速；

f为管子摩阻系数；A、D分别为管子过流断面积和管径。

求整条管道上不同时刻的流量和水头，将管道分为若干长为Δx的管段，再求出波速a，通过距离Δx所需时间Δt=Δx/a，当在Δt开始时各断面的流量和水头已知时，即可利用正、负特征方程求出相邻两管段中间断面在Δt时刻末的流量和水头，依次类推，可求出整条管道各断面在Δt时刻末的流量和水头值，然后再根据Δt末求得的已知值求出2Δt时刻末的未知值，依次再求出3Δt时刻的未知值，直至计算到所规定的时间或者精度为止。

本输入管路中装有加压泵，在泵前后的管路断面水头和流量以及泵工作变量的确定，除利用特征方程外，尚需根据泵的特性列出附加方程才能求得，在装有泵的节点处，要求的变量有10个，即管路断面和泵出口断面上的Q_pi-1，H_pi-1，Q_pi，H_pi，Q_pi+1，H_pi+1共6个变量和泵的扬程H_p、流量Q_p、转速n_p和转矩M_p共4个变量，因此必须列出10个独立方程才能求解。即有：

（1）特性方程；
（2）水头平衡方程式；
（3）水流连续方程；
（4）泵全特性曲线拟合方程；
（5）水泵机组惯性方程。

联立求解上列所有方程式，经数学上的简化整理后得

式中，C₆为惯性方程系数，其值（GD²为水泵机组的转动惯量）为为时段末水泵转速、流量、转矩和扬程的相对值。

方程是含2个未知量α_P和ν_P的非线性方程，采用莱福逊迭代法解出α_P和ν_P值，然后可解出所有未知量。水锤计算采用水泵额定工况点为依据，最大流量工况点为校核的方案。

3.1.2 计算结果

通过计算机求解，对于液控止回蝶阀的关闭角与关闭时间的甚多组合，计算泵断电状态时管道各不同断面的最大与最小压力、最大与最小流量及其各自出现的时刻，将模拟结果与实测数据相比较，绘制成包络线图见表3和图2。

3.2　试验研究与理论计算结果对比分析

从表2和表3变化趋势看：二者结果基本吻合，说明计算机仿真的方法是可行的。引起误差的原因有：

（1）采用相近比转速下水泵的全特性曲线数据，产生误差；
（2）无液控止回蝶阀实测阻力系数与关闭角度之间的关系，采用甘肃省水利厅闸阀设计研究组提出的相似的模型换算后数据，产生误差；
（3）现场试验条件下水中含沙量高达3617kg/m³，必然对水锤波的传播产生影响；
（4）分支管测流法是一种尚需进一步探讨和完善的新的测流方法。

在试验研究条件下，高含沙水流介质的作用，必然使此分流装置本身带有一定的误差；研究结果均满足SD204-86《水泵技术规范》的要求，对于整个供水系统的安全生产意义重大。

表3　误差综合分析

图2　包络线绘制

由上述计算分析结果可知：使用液控止回蝶阀安全防护措施下满足压力管道的水力过渡过程情况下的特殊安全要求，且模拟值与实测值比较接近，满足工程安全运行的需要。

4　结论

（1）禹门口提水工程二级泵站属于高扬程泵站，管路安全防护采用了液控止回蝶阀，边界条件复杂，利用特征线法理论对其水力过渡过程进行计算，取得了与实测相互吻合的效果。说明计算机仿真是可行的，为今后长距离、高扬程供水工程水力过渡过程计算分析提供了值得借鉴的手段。同时，在一般情况下，也可免除耗材费时、具有风险性的室外试验。因此，本研究具有较大的实用价值并可产生良好的经济效益。

（2）研究结果表明：液控止回蝶阀消除水锤效果良好。

（3）采用液控止回蝶阀消除水锤，能满足规范的要求，是压力供水管路安全防护必不可少的措施。

参考文献：

[1] 吴建华1供水泵站工程新技术[M] 北京：中国水利水电出版社，2002
[2] 熊水应，关兴旺，等 多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护问题及设计实例[J] 给水排水，2003，29（8）：1-6
[3] 吴建华，曹广学1供水工程压力管路的安全防护措施[J] 太原理工大学学报，2004，35（3）：359-361
[4] GB/T50265—97，泵站设计规范[S]