基于Flowmaster的高揚程長管道提灌站止回閥關閉規律研究

盧珍++周小波++李光輝++曾文明++李玉玲++阮紅麗++梁君

摘要 以某高揚程長管道提灌站為例，借助當今全球最為著名的熱流體系統仿真分析軟件Flowmaster進行系統建模，對水泵在意外斷電的情況下，水泵后無止回閥以及止回閥分別采用線性關閉和兩階段關閉規律等情況進行了數值模擬計算及分析，并進一步對先快后慢的兩階段關閉規律進行了對比分析研究。結果表明：對于高揚程長管道提灌站管道系統，在水泵意外斷電的情況下，可通過在水泵出口設置兩階段關閉的止回閥，并通過改變閥門的關閉規律來減小最大水錘壓力值。

關鍵詞 Flowmaster；高揚程長管道提灌站；止回閥關閉規律

中圖分類號 S277.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）01-0173-03

高揚程長管道提灌站在丘陵山區較常見，是保障農業灌溉的重要水利設施，其運行過程中，由于水泵意外斷電，止回閥的關閉所引起的水錘壓力是高揚程長管道提灌站設計以及運行管理過程中最關心的因素之一，也是大量學者長期研究的重點之一[1-3]。水錘事故的發生危害性較大，常導致水泵機組、管道、閥門等設備的損壞，嚴重時甚至造成人身傷亡事故。因此，針對高揚程長管道提灌站系統開展止回閥關閉規律研究，準確分析和計算管道系統的水錘壓力，對指導選擇管道類型及壓力等級、閥門類型及壓力等級和關閉規律、水錘防護措施等具有重要作用，對保障高揚程長管道提灌站系統安全高效運行及農業生產安全供水具有重要意義。

近年來，隨著計算機科學技術的不斷進步和發展，數值模擬技術的應用已非常廣泛。與傳統研究方法相比，數值模擬方法具有預見性、周期短、投資小、準確性高、可靠性強等優點，已成為科學研究和工程設計中的一個重要手段[4-5]。本文借助當今全球最為著名的熱流體系統仿真分析軟件Flowmaster對某高揚程長管道提灌站系統進行建模，對其開展止回閥關閉規律研究，以期為提灌站工程設計、水錘防護以及水錘研究等提供理論參考。

1 研究對象與方法

1.1 Flowmaster軟件簡介

Flowmaster是全球領先的一維流體系統仿真解算工具，是面向工程的完備的流體系統仿真軟件包，對于各種復雜的流體系統，工程師可以利用Flowmaster快速有效地建立精確的系統模型，并進行完備的分析。每個流體系統由許多的元件構成，如泵、閥、管路等，Flowmaster可以監視系統的運行情況，如改變泵轉速、開啟和關閉閥門時系統的變化情況，如各支路流量的變化及各節點壓力的變化，Flowmaster可以對系統中的各個環節進行精確的壓力、流量、流速分析，快速地幫助工程師完成和優化系統的設計[6]。

1.2 研究對象

以某高揚程長管道提灌站為研究對象。該站從水庫取水，進、出水管道為鋼管。該站安裝有1臺離心泵，額定流量0.023 6 m3/s，額定揚程225 m，額定功率75 kW，額定轉速2 950 r/min。該站的設計參數如表1所示，管路系統組成具體如圖1所示。

1.3 建模方法

1.3.1 管路系統模型搭建。根據上述提灌站管路系統的實際組成，搭建了圖2所示的提灌站管路系統計算模型[7-8]。

1.3.2 計算條件設置。①模擬介質：水，溫度為20 ℃，密度為998 kg/m3，動力黏度為0.001 01 Pa·s；②進口邊界條件：給定恒定的總壓；③出口邊界條件：給定恒定的總壓。④波速：1 000 m/s；⑤計算時間步長：0.02 s[9]。

2 結果與分析

2.1 無止回閥停泵過程分析

在水泵出口未安裝止回閥的情況下，對水泵意外斷電后提灌站管道系統的運行情況進行了數值模擬計算。從圖3可以看出，水泵意外斷電后，轉速由正轉開始不斷降低，直至降到0，然后水泵開始反轉，且反轉轉速不斷增大，直至達到最大反轉轉速2 483 r/min后維持穩定。從圖4可以看出，水泵意外斷電后，流量開始不斷減小，減為0后水流開始倒流，且倒流流量快速增大到0.018 9 m3/s，然后再緩慢減小至0.011 5 m3/s。從圖5可以看出，水泵出口壓力快速降低至105.4 m，然后再緩慢增大到124 m，最后保持恒定。

由此可見，水泵出口未安裝止回閥時，在水泵意外斷電的情況下，水泵轉速會出現反轉，同時管道系統的水會出現大量倒流，而水泵出口的壓力波動不大。

2.2 線性關閉規律分析

在水泵出口安裝普通止回閥的情況下，分別對控制閥線性5 s關閉、線性10 s關閉、線性15 s關閉、線性20 s關閉4種運行工況進行數值模擬計算。從圖6和表2可以看出，不同線性關閉時間下，最大水錘壓力值均小于水泵出口壓力的1.3倍，均能滿足要求。止回閥采用線性關閉規律時，最大水錘壓力值隨閥門關閉時間的延長而逐漸減小。

雖然閥門關閉時間的延長可有效降低關閥后的最大水錘壓力值，但關閉時間太長，容易引起壓力管道中水大量倒流。因此，應合理確定閥門的線性關閉時間，確保最大水錘壓力值在要求范圍內，同時也要保證管道內不能出現水的大量倒流。

2.3 先快后慢兩階段關閉規律分析

在保持關閉總時間在15 s的情況下，控制閥采用先快后慢兩階段關閉規律，快關時間為1.5 s，關閉角度80%，慢關時間為13.5 s，關閉角度20%。從圖7可以看出，最大水錘壓力值為219.6 m，小于在相同關閉時間下采用線性關閉規律時的最大水錘壓力值225 m。由此可見，與線性關閉規律相比，采用先快后慢的兩階段關閉規律可有效降低最大水錘壓力值，對保障提灌站系統安全運行更有效。

2.4 緩慢關閉時間變化規律分析

采用先快后慢的兩階段關閉規律，在保持快關時間1.5 s和角度關閉量80%不變的情況下，分別對慢關時間為5、10、15、20 s 4種運行工況進行數值模擬計算。從圖8和表3可以看出，不同緩慢關閉時間下，最大水錘壓力值均小于水泵出口壓力的1.3倍，均能滿足要求。在快關時間和角度關閉量不變的情況下，隨著慢關時間的延長，最大水錘壓力值逐漸降低。

2.5 慢關角度關閉量變化規律分析

采用先快后慢的兩階段關閉規律，在保持快關時間1.5 s和慢關時間13.5 s不變的情況下，分別對慢關角度關閉量5%、10%、15%、20%、25%、30% 6種運行工況進行數值模擬計算。從圖9和表4可以看出，慢關角度關閉量不同時，最大水錘壓力值均小于水泵出口壓力的1.3倍，均能滿足要求。在快關和慢關時間均不變的情況下，隨著慢關關閉角度量的增大，最大水錘壓力值逐漸降低。

3 結論

通過上述分析，可得到以下結論：

（1）如果水泵出口未設置止回閥，水泵在意外斷電的情況下，水泵轉速會出現反轉，同時管道系統的水會大量倒流，而水泵出口的壓力波動不大。

（2）普通止回閥采用線性關閉規律時，最大水錘壓力值隨閥門關閉時間的延長而逐漸減小。但由于時間太長會引起水泵反轉，管道系統水大量倒流，因此應通過計算合理確定線性關閉時間。

（3）與線性關閉規律相比，先快后慢的兩階段關閉規律可有效降低最大水錘壓力值。

（4）在快關時間和關閉角度不變的情況下，慢關時間越長，最大水錘壓力值越小。

（5）在快關和慢關時間不變的情況下，隨著慢關關閉角度量的增大，最大水錘壓力值逐漸減小。

4 參考文獻

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[2] 姚青云，李志敏.事故停泵水錘對壓力管道的影響[J].排灌機械，2006，24（6）：45-47.

[3] 劉奕朗.高揚程泵站輸水管路水錘壓力數值模擬研究[D].天津：天津大學，2012.

[4] 王福軍，白綿綿，肖若富.Flowmaster在泵站過渡過程分析中的應用[J].排灌機械工程學報，2010，28（2）：144-148.

[5] 牛月，景浩，成一雄，等.基于Flowmaster平臺供水泵站穩態運行仿真模擬[J].給水排水，2014（40）：402-405.

[6] 北京?；萍及l展有限責任公司.Flowmaster熱流體系統設計仿真平臺[EB/OL].[2016-10-21].http：//www.hikeytech.com/index.php？m=P-age&a=index&id=40.

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[8] 嚴綱.干旱貧困地區的一個翻身工程：景泰川電力提灌第一期工程的調查[J].社會科學，1987（1）：44-51.

[9] 廖功磊，周小波，李光輝，等.全工況小型移動式電力提灌泵裝置研究[J].中國農村水利水電，2011（5）：135-138.