泵系統(tǒng)和樹狀重力流系統(tǒng)瞬變控制方法研究及應(yīng)用.pdf

1、隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，長距離輸水工程越來越多，保證長距離輸水工程的運行安全是首要任務(wù)。特別是泵系統(tǒng)和樹狀重力輸水系統(tǒng)，引起泵系統(tǒng)瞬變流的原因較多，可以是人為調(diào)節(jié)產(chǎn)生的擾動，如泵系統(tǒng)中的閥調(diào)節(jié)、全調(diào)節(jié)葉片泵的葉片安裝角度的調(diào)節(jié)、水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等等，也可以是其它偶然因素產(chǎn)生的系統(tǒng)擾動，如電力中斷導(dǎo)致的事故停泵等，事故停泵引起的瞬變過程往往是造成管道破裂或其它工程事故的最主要原因。樹狀重力流系統(tǒng)水源單一，用水點較多，與一般輸水系統(tǒng)相比，樹狀

2、重力流輸水系統(tǒng)更為復(fù)雜，瞬變過程存在更多的不確定性因素。如果多個支管末端閥門在較短時間內(nèi)相繼關(guān)閉或開啟，將會引起系統(tǒng)內(nèi)瞬變壓力波的疊加，導(dǎo)致過高的正壓或嚴重的負壓。因此，本文針對泵系統(tǒng)和樹狀重力系統(tǒng)瞬變控制方法進行研究，既可提高泵系統(tǒng)和樹狀重力流系統(tǒng)的瞬變控制效果，又有利于減小控制瞬變措施的工程投資，這對降低工程造價、提高系統(tǒng)運行中的安全可靠性與運行穩(wěn)定性具有重要意義。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬與工程應(yīng)用相結(jié)合的研究方法，運

3、用瞬變流的基本理論和數(shù)值計算方法，在前人研究的基礎(chǔ)上使用科學(xué)計算語言Matlab編程，對泵系統(tǒng)和樹狀重力流系統(tǒng)瞬變控制方法進行更進一步的研究，具體研究成果如下：
　　1.空氣閥是安裝在輸水管道上的常用裝置，目前空氣閥在工程應(yīng)用中的存在盲目性和隨意性問題?？諝忾y型式和孔徑選擇不合適，會使空氣進入管道不及時而引起汽化現(xiàn)象或管道內(nèi)的空氣快速排放而引起水柱分離再彌合瞬變正壓。為了研究空氣閥控制瞬變的機理、空氣閥的控制瞬變效果和空氣閥控制瞬

4、變的影響因素，本文運用基本瞬變理論和特征線方法，建立空氣閥邊界條件，使用科學(xué)計算語言Matlab對算例進行數(shù)值模擬計算。計算結(jié)果表明：進氣孔徑和排氣孔徑尺寸不相同的空氣閥比進、排氣孔相同的空氣閥的瞬變控制效果更好，空氣閥控制瞬變的主要影響因素為空氣閥的進氣孔面積Ain，排氣孔面積Aout，孔口面積比ε和上浮壓力系數(shù)ω。實際工程應(yīng)用中，要想達到理想的瞬變控制效果，應(yīng)根據(jù)實際工程對空氣閥的影響因素進行優(yōu)化計算。
　　2.旁通管作為一種

5、經(jīng)濟、簡單的水錘防護措施被用來控制因水泵事故停泵引起的瞬變極值壓力。目前使用的傳統(tǒng)型旁通管在工程應(yīng)用上存在一定的局限性，本文針對其局限性對傳統(tǒng)型旁通管進行了改進，提出改進型旁通管。與傳統(tǒng)型旁通管相比較，改進型旁通管中的控制閥是以UPS控制器決定閥門啟閉的液控閥，這種改進可以精確控制液控閥的啟閉，有利于瞬變控制。為了研究改進型旁通管控制瞬變的效果，在特征線方法的基礎(chǔ)上建立了包括改進型旁通管、止回閥和水泵的復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。以某工業(yè)園區(qū)供

6、水工程為例，數(shù)值模擬了該泵供水系統(tǒng)事故停泵后的瞬變過程。另外，通過6個方案對影響改進型旁通管控制瞬變壓力效果的關(guān)鍵參數(shù)（改進型旁通管的直徑d，長度l和改進型旁通管中液控閥的啟閉時間t1，t2，t3，t4）進行敏感性分析研究，對泵供水系統(tǒng)典型斷面極值壓力變化和管道壓力包絡(luò)線的分析和比較，說明選擇合適參數(shù)的改進型旁通管能夠?qū)⑤斔到y(tǒng)中的瞬變壓力控制在合理范圍。為泵系統(tǒng)瞬變控制方法的完善和發(fā)展提供了技術(shù)依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價值和實用價值。

7、r>　　3.本文以樹狀重力流輸水系統(tǒng)支管末端閥門關(guān)閉（分別以5s關(guān)閉、30s關(guān)閉、50s關(guān)閉、75s關(guān)閉和100s關(guān)閉）分別在8個分水口處引起的瞬變壓力變化為研究重點，分別數(shù)值模擬計算了單個閥門關(guān)閉分別在8個分水口處引起的瞬變壓力變化；整個樹狀重力流樹狀系統(tǒng)11個閥門全部同時關(guān)閉分別在8個分水口處引起的瞬變壓力變化；9＃、10＃和11＃閥門分別同時關(guān)閉和疊加關(guān)閉在8＃分水口處引起的瞬變壓力變化；整個樹狀重力流樹狀系統(tǒng)11個閥門全部閥門疊

8、加關(guān)閉分別在8個分水口處引起的瞬變壓力變化。計算結(jié)果表明：每個閥門關(guān)閉引起的最大瞬變壓力在相同斷面上出現(xiàn)的時刻相同，最大瞬變壓力波就會發(fā)生相長疊加。各支管末端閥門疊加關(guān)閉引起的最大瞬變壓力相長疊加后的壓力升高值△H2大于各支管末端閥門全部同時關(guān)閉引起的壓力升高值△H2，也大于單個閥門關(guān)閉引起的瞬變壓力升高值的累加值Σ△H。本研究提出了樹狀重力流輸水系統(tǒng)最不利瞬變壓力的確定方法，證明發(fā)生相長疊加后的瞬變壓力為最不利瞬變壓力，為樹狀重力流輸