输水系统中泵组瞬变工况及其影响

　　输水系统中泵组瞬变工况及其影响阎庆绂，马素霞，李欣（太原理工大学，太原流量和调节幅度有关。泵组瞬变工况对全系统流动都会产生影响。系统中设置调压塔可以调蓄瞬变流量和阻尼瞬变压力水头。此成果可为类似的设计研究和计算提供一个范例。

　　1：A输水系统运行过程中，正常的工况调节和非正常的工况突变都是存在的，试验测试和分析计算都已表明，这两种因素都会使泵组在瞬变工况下运行，也都会引发全系统的瞬变流动，使输水系统工况全面波动，严重时会脱离正常运行而出现事故，当泵组出现瞬变工况时，其转速、流量和能头都发生瞬时变化，包括叶轮的反转和过泵液流的反向流动，从而进入泵的全特性运行。并且这种变化会波及到输水管道系统中的其他设施，造成系统中出现截留气体和液柱分离，使全系统都处于振荡流动。

　　本文以引黄入晋工程部分管段的水工模型试验为基础，通过数值计算，论述泵组正常工况调节时的瞬变特性，分析产生原因及其对系统特性的影响，为类似的水利工程设计，运行和研究计算提供一个范例。

　　1泵组的瞬变特性1.1瞬变工况的两个阶段输水系统运行时，往往需要从一种稳定工况调节到另一种稳定工况，达到变化输水量的目的流量随时间的这种连续变化，实质是非定常流动，称之为瞬变流动，所以调节的全过程都属于瞬变流动。如果从调节开始至结束，流量始终小于某一临界流量QCr，并在瞬变过程中只有流量和能头大小的变化，而不出现液流的反向，把这种只有单向变化的瞬变称为瞬变的阶段但是，有时流量需要作大幅度调节而超过，结果系统中不但流量和能头大小发生变化，液流还会有反向流动，称之为瞬变的第二阶段一般因事故造成的瞬变流动只有第二阶段，所以非调节因素产生的瞬变流动是因正常调节产生的瞬变流动的特例因非调节因素产生的瞬变流动已有较多研究，本文只论述调节因素引发的瞬变工况特性。

　　1.2泵组系统的瞬变工况它的瞬变工况和其前后的管路系统特性有关根据能头平衡原理，当泵组系统正向流过某一临界流量QCr时，如果能头达到平衡，显然下式应该成立Hs+TDH-AH=Hp（1）供的总能头；AH-一泵组后出口阀的能头损失；Hp一一出口阀后系统的能头由于调压塔的调蓄作用，泵组上游边界能头基本保持不变，而连接管内流动阻力的存在，Hs值将随流量增加而下降但为使泵不发生汽蚀，设计的调压塔出口压力水头应能保证在任何工况下Hs都能略大于泵的允许汽蚀全量受泵的性能曲线的限定，TDH是随流量增加而下降的。AH和Hp都是随流量的平方而变化，如果流量增加，它们也随之增大结果气阀2.2方程组输水系统的瞬变工况为非定常流动，在给定的初始和边界条件之后，可采用有限差分的特征线法求解，由此得到差分方程组为力水头和流量；Ha，Qa一一t=J-1时刻系统中I-1断面处的压力水头和流量；Hb，Qb一一t=J-1时刻系统中1+ 1断面处的压力水头和流量；x一一距离步长；A一一管道截面积；a一一波速；g一一重力加速度；A?一沿程阻力系数。

　　2.3泵组系统瞬变计算的边界条件泵组系统核心是泵，其前后都与管路连接，泵后还要安装控制阀，因此其边界条件应包括泵组，单管和阀的边界条伟23.1泵组边界条件特性有关的数值下标：R-一额定值；5?一泵入口侧；u-一泵出口侧；0t=0的值2.3.2出口阀边界条件本文计算瞬变特性时，设定泵出口阀全开，其水力特性可用式（5）描述，在出口阀全开f=1，Q0=Qr时的水头损失为AH0，则不同流量下的水头损失按式（6）计算2.3.3泵组前后管路边界条件j时间代号。

　　3泵组瞬变工况特性及分析3.1初始条件本文研究因正常工况调节产生的瞬变流动，考虑泵组调节范围和瞬变特性影响，在下面三种初始工况下，按流量逐渐增加的调节方式进行计算其瞬变过程的变量主要为能头H，流量Q和转速n，根据能头平衡和泵的特性，可构造出包括无量纲流量V和无量纲转速AL的方程组3.2上游泵组瞬变特性及分析输水系统为增加流量而进行工况调节时，上游泵组便进入了瞬变工况，并且由图可见，此时的瞬变工况存在着特性不同的两个阶段由可见，在瞬变的阶段，流量逐渐增加，当流量超过Qr时，将符合式（2）的条件而发生第二阶段瞬变，泵出口流量突然下降，并出现倒流，这符合动力失灵的变化规律。而出口流量变化幅度随初始流量增加而减小。

　　o-一转矩；2）泵组入口压力水头三种初始工况下泵入口压力水头的瞬变特性见由图可见，其变化基本与流量变化同步，在进：第二阶段时，出现突然升高的峰值，这是过泵阎庆绂等：输水系统中泵组瞬变工况及其影响液流倒流和叶轮反转造成的。由于上游调压塔的作用，压力水头又迅速回落，并大致保持在略高于阶段的水平上。此外，初始流量小时，其峰值较高而回落后又较低。这与流量变化幅度是相对应的。

　　由可见，叶轮出现反转，并且初始流量越小，其反转转速越高，因为流量小时泵出口压力水头较高此点在进行调节和瞬变控制设计时需要引起重视，并应将其控制在允许的飞逸转速14范围之内。

　　3.3下游泵组的瞬变工况上、下游泵组是串联在系统中的，当上游泵组发生瞬变工况时，下游泵组也随之进入瞬变工况，见图和泵转速的变化规律。

　　由图可见，泵组工况也出现了倒流和叶轮反转，即在上游泵组瞬工况的影响下，下游泵组也同时产生了两个阶段的瞬变工况这种情况类似于实际工程中，由于运行调节造成的泵站间的相互干扰由此说明，上游泵站因调节造成的瞬变工况，会影响到下游泵站也发生瞬变工况，而不管下游泵站是否进行调节下游泵入口压力水头应当指出的是，下游泵组的瞬变工况特性，与两泵组间的距离，泵组自身特性，系统中的其他设施等有密切关系，因此实际情况可能会比图中所示的情况更为复杂，在类似研究计算时，应视具体情况而定。

　　4上游调压塔的运行工况上游泵组的瞬变工况不但对下游产生影响，还会影响到上游调压塔内的水位和流量4.1调压塔的边界条件忽略惯性，并且因塔内速度水头较小，所以有妨和，图）中给出了Vu1=Aic时，泵入口压力n水头blishHplT塔底压力水头；分+ NQ1塔前后管内农业工程学报流量；Q流入调压塔的流量再考虑上、下游管路的边界条件，于是可得调压必11水位；Aj??塔的截面积4.2调压塔内水位泵组的瞬变工况很快就在上游调压塔内反映出来，虽然系统内液流的倒流会使流入塔内的流量有所增加，但因塔的截面积较大，所以塔内水位略有上升后又很快回落。由于惯性回落值略低于起始值，但却始终保持在高于上游泵组入口压力水头的水平上。

　　显示的调压塔的水位变化，说明如果系统内出现像上游泵组那样的瞬变工况，可用调压塔来调蓄流量和阻尼瞬变压力水头，使系统很快消除由于瞬变工况带来的振荡流动5结论1）输水系统中泵组会因正常调节而出现瞬变工况，其两个阶段的特点是不同的，尤其是瞬变第二阶段，因过泵液流的倒流和叶轮的反转，会破坏正常输水乃至发生事故2）泵组瞬变工况对其上、下游系统中的流动会产生影响，如果这种情况出现在输水系统的两泵站间，无论是上游还是下游泵站的泵组出现瞬变工况，都会波及到另一泵站内的泵组也发生瞬变工况，在输水系统运行调节过程中，必须加以控制3）系统中设置调压塔和溢流装置，可调蓄瞬变流量和阻尼瞬变压力水头。引黄入晋工程各级泵站的上、下游设置的调压塔和溢流井，充分考虑了这种工况，以保证输水系统全线的安全正常运行。