高扬程、大流量的潜水电泵在许多农田水利工程、大井深矿井抢险的排水系统均有应用, 但随着使用年限的增加, 泵扬程下降而不能满足使用要求。利用现有水泵串联, 则可达到工作扬程要求, 且能充分利用现有设备, 投资较小。本文结合实际工程布置和设备资料, 应用有压流水力瞬变基本理论, 利用数值仿真, 通过对大型泵组系统的暂态过程进行分析, 寻求保障该系统的安全稳定运行, 规避事故的措施和方法。
以两级泵组系统为例, 泵组串联系统的工作模型一般有以下两种:第一种为两泵之间有一段较长的中间连接管;第二种为两泵直接联接, 中间的短管可以忽略不计。对于大流量高扬程的大型泵组系统一般采用第一种模式。本文主要对第一种进行研究。其中最下一级称为a泵, 上级为b泵。
本文主要采用基于弹性理论的特征线法对上述系统的过渡过程进行计算研究。描述管道非恒定流的水击方程为一组拟线性双曲偏微分方程, 利用特征线法将该方程组转化为常微分方程如下:
道内水流流速, m/s;H—管道中心在指定基准面上的测压管水头, m;g—重力加速度, m/s2;x—沿管道轴线的坐标, m;f—管道沿程阻力系数;D—管道直径, m;a—管道内的水锤波速, m/s;t—时间, s。
在泵组系统中水泵的进出水边, 系统进出水口等地方, 上述特征线方程组只有一边成立, 必须寻求相应部位的边界条件, 才能进行解析。 (1) 水泵端边界条件。在泵系统过渡过程中, 我们仍然假定恒定流动条件下的泵水头平衡关系仍然适用, 即:Hs+Hy-Hss=Hp式中:Hs-泵在吸水侧的测压管水头 (m) ;Hp-泵在压水侧的测压管水头 (m) ;Hy-泵的工作扬程 (m) ;Hss-水头损失 (m) 。当发生事故停泵的时候, 动力突然中断, 主动力矩为零, 叶轮在流体反力矩的作用下, 将作减角速度运动。由理论力学知, 转速改变率与不平衡力的力矩成正比, 其关系为:切式中:GD2-表示水泵的飞转力矩;Mf-为阻力矩;ω-为泵轮的旋转角速度;利用水泵的全特性曲线, 可以将上两式转化为与转速及流量相关的两个方程, 如下所示:F1=A (x) (β2+q2) +Bv+C+△H (v) =0;F2=B (x) (β2+q2) +Dβ+C=0式中:A (x) , B (x) -与泵全特性曲线相关的参数, 可以用插值求得;B、C、D-与泵前后吸、压水管相关的参数, 在每个计算时段初为已知数;β-水泵转速;q-水泵流量。 (2) 其他边界条件。直联系统的出水口的高程不变, 处于大气中, 此处的水头值在整个瞬时过程中, 保持不变, 即:HP[n]=C。系统进水口处的水头值与矿井水位相同, 即:HP[0]=S (t) 式中:S (t) -矿井水位变化函数, 随排水时间变化, 根据每个计算时段初的水泵流量可以计算得到。联立式以上公式就可以对系统进行过渡过程仿真计算。
根据上述模型, 利用仿真计算程序针对某深井排水泵组系统过渡过程进行了实际的计算分析。
计算采用某深井排水泵组系统参数, 水泵主要参数如下:Hr=300m, Qr=1450m3/h。水泵出口止回阀采用先快后慢多段关闭模式, 总关闭时间约为15s;系统总高度约600m, 采用两台相同型号的水泵进行直联, 在系统中间约300m处串联b泵。
本次计算针对该直联排水系统可能出现的过渡过程工况进行了详细的分析。限于篇幅, 本文只针对该系统可能出现的两种较严重的过渡过程工况进行分析。工况一:a泵事故, b泵正常运行。计算表明:该工况下a泵的的最大压力超过2倍的额定扬程, 水泵倒流量也达到了~1.25倍额定流量。此工况下, a泵事故后, b泵仍在正常运行, 处于空吸状态, 电机绝大部分能量均转化热能和转动部分的动能, 极易进入飞逸状态, 从而发生严重事故。工况二:b泵事故, a泵正常运行。计算表明:在b泵暂态过程开始到a泵动作停泵前的极短时间内, a泵的压力水头迅速上升到约2.5倍额定扬程。这是因为b泵事故停泵后, a泵仍在正常运转, 但b泵阀门关闭, 从而使a泵形成憋压状态, 导致出口压力的急剧上升。在工程中通常称为“煮锅”。在此工况下, 为克服不断增大的压力, a泵电机负荷就会持续增加, 如果不迅速控制, 将有可能造成管路爆裂, 电机因过载发热导致绝缘破坏, 严重的可能导致电机轴扭断或是烧毁电机, 甚至造成更严重的次生事故。同时, b泵进口处的压力也会持续增加, 可能使b泵因强度问题发生事故。故对于这种工况应该高度重视, 采取有效的措施严防此种情况发生。
3.1通过对大型泵组系统的暂态过程仿真计算, 模拟出系统在各种工况下的状态参数, 为系统的安全运行提供了数据和理论支持。
3.2本文所示的工作模型仅为原理示意, 为规避过渡过程中可能出现的最危险工况, 实际的系统设计时, 应充分设置足够的安全措施, 如设置泵组、电机闭锁控制, 在a泵出口设置安全泄压阀, 并设置旁通泄水管路等;同时, 应加强设备的检修维护, 并制定合理的运行操作规范及应急预案。
摘要：本文基于特征线法, 利用编制的仿真程序, 通过对泵组系统的暂态过程的计算分析, 为实际系统安全运行, 规避风险, 提高系统可靠性提供了重要的理论和数据支持。
关键词：工程排水,大型串联泵组系统,过渡过程
[1] 王树人.水击理论与水击计算[M].北京:清华大学出版社, 1981.
[2] 刘竹溪, 刘光临.泵站水锤及防护[M].北京:水利水电出版社, 1988.
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