一种确定高扬程输水系统停泵事故泵后阀门关闭规律的方法

摘要

本发明公开了一种确定高扬程输水系统停泵事故泵后阀门关闭规律的方法，对于满足条件的高扬程输水系统，可由阀门拒动情况下的停泵水锤数值模拟结果，拟定出阀门关闭的初始影响时刻，进而根据初始影响时刻应满足的条件，可确定出阀门的关闭规律。本发明省略繁琐的数值模拟试算，快速确定出考虑了水锤防护要求的关阀规律，为泵后事故阀门动作的设置提供依据，具有非常大的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程领域，尤其涉及一种确定高扬程输水系统停泵事故泵后阀门关闭规律的方法。

背景技术

阀门由于具有型式多样、价格低廉、操作方便、安全可靠等优点，而被广泛应用于输水系统的流量调节和水力控制中。合理的阀门操作可以有效减小过渡过程危害，故而阀门动作规律优化成为过渡过程计算研究的一项重要内容。

对于重力流输水系统，阀门动作是产生水锤的主要原因，理论上只要阀门操作得当，即可保证系统安全，故而阀门动作规律的确定相对简单，只要令阀门动作足够缓慢，即能满足控制指标的要求。

对于加压输水系统，水泵发生抽水断电事故是导致水锤破坏的主要原因，此时为了满足系统断流及水泵倒转转速控制的要求，通常泵后止回阀或蝶阀需要关闭，此时水锤受到阀门动作及水泵的共同影响，这使得泵后阀门动作规律的确定变得较为困难。

目前，基于过往研究经验初步确定阀门动作规律，再通过电算对关阀规律进行试算调整和优化，是确定泵后阀门最优阀调节规律的主要方法。但该方法由于缺少理论分析和指导，具有一定的盲目性，导致所需的计算量大、费时费力。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种确定高扬程输水系统停泵事故泵后阀门关闭规律的方法，基于高扬程输水系统停泵水锤特性，简单快速确定出考虑水锤防护要求的停泵事故泵后阀门关闭规律。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种确定高扬程输水系统停泵事故泵后阀门关闭规律的方法，包括步骤：

(1)对于满足条件的高扬程输水系统，进行阀门拒动情况下的数值模拟计算，得到过阀流量变化曲线；

(2)选取过阀流量Q_t＝0的时刻，作为阀门关闭的初始影响时刻t；

(3)初始影响时刻t的过阀水头损失系数

其中，为t时刻阀门开度为τ_t下的过阀水头损失系数；Q₀为初始稳定运行情况下的过阀流量；ξ₀为初始稳定运行情况下阀门为全开状态时的过阀水头损失系数；Q_t为阀门关闭的初始影响时刻t对应的过阀流量；

(4)查找阀门的过流特性曲线，依据t时刻的过阀水头损失系数得到t时刻阀门开度τ_t；

(5)根据：

可得，泵后阀门的关闭规律为：

其中，t_关为一段直线关阀的总关闭时间，t为初始影响时刻，τ_t为t时刻阀门开度。

所述步骤1中，高扬程输水系统需满足的条件为：

其中，H_B为出水池水位，H_U为进水池水位，a为水锤波速，g为重力加速度，A为干管截面积，Q_T0为初始稳定运行情况下的干管总流量。

所述步骤2中，输水系统泵后阀门应避免初始影响时刻过阀流量为正，若阀门关闭较慢，阀门关闭的初始影响时刻较晚，过阀流量为负，则阀门关闭将造成倒流流量减小，从而导致阀后压力上升，因此选择初始影响时刻过阀的倒流流量应较小。

所述步骤3中，阀门关闭初始影响时刻的过阀水头损失等于初始稳定运行情况下的过阀水头损失。

有益效果：本发明可以为泵后事故阀门动作的设置提供依据，其相较于以往由经验初步确定阀门动作规律，再通过电算对关阀规律进行试算调整和优化的方法，由于省略了繁琐的数值模拟计算，而更加高效快捷，具有非常大的科研和实际应用价值。

附图说明

图1是系统布置示意图；

图2是泵后阀门过流特性曲线图；

图3是数值模拟计算所得阀门拒动时的过阀流量变化图；

图4是阀门拒动及0.865s关阀时阀门前后的压力变化对比图；

图5是阀门拒动及0.865s关阀时过阀流量的变化对比图。

图中标记为：进水池1，水泵2，泵后阀门3，出水池4，高程基准5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的确定高扬程输水系统停泵事故泵后阀门关闭规律的方法，包括步骤：

(1)对于满足条件的高扬程输水系统，进行阀门拒动情况下的数值模拟计算，得到过阀流量变化曲线。

高扬程输水系统需满足的条件为：

其中，H_B为出水池水位，H_U为进水池水位，a为水锤波速，g为重力加速度，A为干管截面积，Q_T0为初始稳定运行情况下的干管总流量；

(2)由过阀流量变化曲线可知，若阀门关闭较快，阀门关闭的初始影响时刻较早，此时过阀流量为正，则阀门关闭将造成正流流量减小，从而将导致阀后压力下降，不利于管道的负压防护。考虑到此时水泵正转，能够满足水泵倒转转速的控制要求，因此应避免初始影响时刻过阀流量为正。

若阀门关闭较慢，阀门关闭的初始影响时刻较晚，此时过阀流量为负，则阀门关闭将造成倒流流量减小，从而将导致阀后压力上升，需防止管道发生爆管，因此初始影响时刻过阀的倒流流量应较小。

故选取过阀流量Q_t＝0的时刻，作为阀门关闭的初始影响时刻t；

(3)阀门关闭初始影响时刻的过阀水头损失应等于初始稳定运行情况下的过阀水头损失，根据阀门关闭的初始影响时刻t及所对应的过阀流量Q_t＝0，可求得t时刻的过阀水头损失系数

其中，为t时刻阀门开度为τ_t下的过阀水头损失系数；Q₀为初始稳定运行情况下的过阀流量；ξ₀为初始稳定运行情况下阀门为全开状态时的过阀水头损失系数；Q_t为阀门关闭的初始影响时刻t对应的过阀流量；

(4)查找阀门的过流特性曲线，依据t时刻的过阀水头损失系数得到t时刻阀门开度τ_t；

(5)根据：

可得，泵后阀门的关闭规律为：

其中，t_关为一段直线关阀的总关闭时间，t为初始影响时刻，τ_t为t时刻阀门开度。

以下通过一个具体实施例对本发明方法进行说明。

表1

某高扬程输水系统如图1，参数统计如表1所示，泵后阀门过流特性如图2。由于通过计算得出为满足条件的高扬程输水系统：

因此适用本发明确定停泵事故泵后阀门的关闭规律。

通过数值模拟计算，可得阀门拒动情况下的过阀流量变化如图3。由图可见，当时间为0.865s时，过阀流量Q_t＝0，因此取该时刻为阀门关闭的初始影响时刻。

根据初始影响时刻需满足的条件，此时过阀水头损失系数为：

通过查看图2的阀门过流特性，该过阀水头损失系数对应于阀开度0，因此泵后阀门的关闭时间为：

泵后阀门0.865s一段直线关闭的数值模拟计算结果如图4及图5。由图4及图5可知，以该速率关阀，虽然阀门的关闭造成压力极小值较阀门拒动时小，压力极大值较阀门拒动时大，但均在管道承压范围内，因此所确定的关阀规律是可行的。

综上，本发明所提出的确定高扬程输水系统停泵事故泵后阀门关闭规律的方法是可行的，所需计算量较小，具有很高的便捷性。