竖井贯流泵站起动过渡过程特性研究

摘要

大型低扬程泵站广泛应用于长江中下游平原、珠江三角洲等经济发达地区的排涝、防洪、抗旱和水资源调配、水生态改善等诸多重要领域。竖井贯流式泵站作为一种新型的低扬程泵站，具有结构简单、装置效率高等诸多优点，但是也存在着和其他型式的低扬程泵站类似的问题，比如在机组起动过程中能否安全平稳地过渡到稳定运行状态，这其中就包括电机与水泵的配合、出水流道快速闸门的启门速度快慢以及闸门是否延迟开启等情况，这些对于泵站安全、稳定、可靠运行具有非常重要的作用。
　　本文就是以竖井贯流泵站作为研究对象，从三相凸极同步电动机异步起动特性出发，结合竖井贯流泵装置的水力特性、泵机组动力学特性等建立起竖井贯流泵站起动过渡过程的数学模型，通过Simulink仿真软件工具对其起动过渡过程中的诸多特性进行深入的研究。本文完成的主要工作如下:
　　(1)分析了三相凸极同步电动机的基本结构、运行特性和起动方式，尤其是针对异步起动时的投励、牵入同步等过程进行深入研究，并建立了起动特性的电气数学模型。
　　(2)根据竖井贯流泵机组的动力学特点建立了机组力矩平衡方程，并利用数理方程知识对水阻力矩、推力轴承摩擦力矩表达式进行了完整的推导，同时将快速闸门开启当作匀速运行进行研究，通过闸门开度变化规律建立快速闸门的启门数学模型。
　　(3)利用竖井贯流泵装置模型试验数据结合Graph软件拟合出了0°叶片角下对应的流量一扬程曲线（Q-H线），直接显示出最符合点数据拟合要求的流量一扬程参数表达式，作为泵装置的水力特性模型。
　　(4)采用三维湍流数值模拟的方法，按照模型泵装置的CAD图对其进行三维几何造型，然后将进、出水流道和叶轮、导叶分别进行网格剖分，最后在CFX中进行无缝拼接得到整体网格划分模型并进行数值模拟计算。在得出闸门损失项的过程中，先通过计算得出不同开度下闸门对应的高度，并依次进行几何造型、网格划分和数值计算，最终结果导入Graph软件中找出最符合点数据拟合要求的函数表达式，作为快速闸门的启门特性规律。
　　(5)采用Matlab/Simulink仿真技术，通过搭建模块的方式把所建立的数学模型直观地表示出来，并通过输入给定的参数对不同方案下的竖井贯流泵站起动过渡过程进行模拟仿真，最终结果通过输出的仿真图像一一进行分析。
　　(6)将仿真所得参数波形变化情况进行总结和比较，得出一般性的规律，为避免泵机组起动过程中产生不良状况，寻找解决问题的方法，同时也为泵机组安全、稳定、可靠运行提供一定的参考依据。

目录

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及其意义

1．2 国内外研究概况

1．3 本文研究的主要内容

1．4 本文研究的主要方法

1．4．1 系统仿真技术

1．4．2 MATLAB／Simulink仿真

第二章 泵机组起动过渡过程数学模型

2．1 竖井贯流泵站与泵机组

2．1．1 竖井贯流泵站的结构和特点

2．1．2 竖井贯流泵机组的能量传递

2．2 竖井贯流泵机组瞬态电气特性

2．2．1 三相凸极同步电动机的基本结构

2．2．2 三相凸极同步电动机的运行分析

2．2．3 三相凸极同步电动机异步起动法

2．2．4 三相凸极同步电动机起动特性

2．3 竖并贯流泵机组动力学特性

2．3．1 泵机组力矩平衡

2．3．2 快速闸门启门特性

2．4 竖井贯流泵装置水力特性

2．4．1 竖井贯流泵装置模型试验

2．4．2 竖井贯流泵装置稳态扬程流量特性

2．4．3 竖井贯流泵装置管道水力特性

2．5 本章小结

第三章 竖井贯流泵装置三维湍流数值模拟

3．1 CFX软件简介

3．2 控制方程

3．3 湍流模型

3．4 数值计算的离散与求解

3．4．1 离散方法

3．4．2 离散格式

3．5 壁面函数法

3．6 竖井贯流泵装置三维几何造型

3．7 边界条件的设置

3．8 竖井贯流泵装置网格剖分

3．9 三维湍流数值模拟的结果分析

3．9．1 不同转速下的扬程流量关系结果分析

3．9．2 快速闸门启门特性数值模拟结果分析

3．10 本章小结

第四章 泵机组起动过渡过程仿真模型

4．1 竖井贯流泵机组电气模块

4．1．1 三相凸极同步电动机模块

4．1．2 三相电源模块

4．1．3 三相并联RLC负载模块

4．1．4 dq0至abc坐标变换模块

4．1．5 三相电压—电流测量模块

4．1．6 总线选择模块

4．1．7 三相凸极同步电动机励磁模块

4．1．8 电力图形用户界面模块

4．2 竖井贯流泵模块

4．2．1 水泵惯性力矩模块

4．2．2 推力轴承摩擦力矩模块

4．2．3 水泵水阻力矩模块

4．3 本章小结

第五章 泵机组起动过渡过程仿真结果及分析

5．1 三相凸极同步电动机仿真结果及分析

5．1．1 三相凸极同步电动机空载起动仿真结果及分析

5．1．2 三相凸极同步电动机10秒加恒负载起动仿真结果及分析

5．2 三相凸极同步电动机带泵起动仿真结果及分析

5．2．1 三相凸极同步电机7秒带泵起动仿真结果及分析

5．2．2 三相凸极同步电机10秒带泵起动仿真结果及分析

5．2．3 三相凸极同步电机不加励磁电流带泵起动仿真结果及分析

5．3 竖井贯流泵机组不带闸门起动过渡过程仿真结果及分析

5．4 竖井贯流泵机组带闸门起动过渡过程仿真结果及分析

5．4．1 快速闸门直接开启时的仿真结果及分析

5．4．2 快速闸门延迟开启时的仿真结果及分析

5．4．3 快速闸门16s完全开启时的仿真结果及分析

5．4．4 快速闸门8s完全开启时的仿真结果及分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 本文展望

参考文献

攻读学位期间参与的科研项目

致谢

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