燃料加注系统水锤特性优化控制研究

丛 华， 胡际万， 江鹏程， 冯辅周

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

当压力管道中的流体因某些原因而导致流速的急剧变化时，在流体的惯性作用下，流体内部压力产生迅速交替升降，这种交替升降的压力作用在管壁、阀门或其他管路元件上犹如锤击，这种现象称为水锤效应或流体瞬变过程[1]。通常情况下水锤压力可达到正常运行值的数倍甚至更高，轻者导致管道震动，重者引起管道爆裂，造成重大经济损失和事故。美国土星V液氧加注系统[2]曾发生过水锤事故，俄罗斯也曾因严重水击而发生管路、阀门损坏的事故[3]。

我国某靶场加注系统在燃料加注过程中，由于泵和阀门的频繁开关或者阀门的控制不当，导致加注系统发生水击，并造成管道法兰连接处漏液，对系统安全构成了严重威胁。为解决上述问题，笔者将引入一维流体仿真软件Flowmaster对该加注管道进行仿真建模，重点分析比较各阀门的不同控制方案对管道水锤特性的影响，从而得到最优的控制方案，这将对确保加注系统的安全运行具有重要的理论意义和实用价值。

1 问题的提出

就本质而言，水锤就是管道瞬变流动中的一种压力波，其产生是由于管道中某一截面内的流速发生突然改变，从而使该处的压力产生一个突然的跃升或下跌，这个压力的瞬变波就称为水锤[4-5]。

燃料加注系统在上塔前后2个状态切换过程中会发生水锤效应，在此过程中125阀开启、124阀关闭和134阀关闭的时机会导致水锤现象的发生，如图1所示。因此,需要通过对水锤效应发生阶段进行建模，模拟仿真液体流动状态,以消除水锤效应。

图1 水锤效应发生流程

2 系统建模

2.1 模型简化

加注过程的系统模型的建立是利用Flowmaster软件完成的。该软件多用于分析一维流体管路系统，适合对流体管路系统进行整体分析。考虑到加注系统的复杂性和Flowmaster计算条件的限制，对系统进行简化，得到其加注原理的简化模型，如图2所示。介质上塔前，134分流阀和124回流阀为开启状态，125阀为关闭状态，此时管路中液体为回流状态；介质上塔后，134分流阀和124回流阀为关闭状态，125阀为开启状态，此时为加注状态。泵后形成的压力和管路中的压力共同作用于125阀附近管路，发生水锤效应。

图2 加注系统简化模型

2.2 管道波速计算

准确计算波速对瞬态水力特性的计算非常重要，这是因为系统中压力变化值与波速成正比，波的反射和叠加时间对系统的瞬态特性具有重要影响。管路中压力波传播速度a为[6-7]

式中：ρ为液体密度；k为液体体积模量；d为管道内径；t为管道厚度；E为管道材料的杨氏模量；Φ为管道抑制因子。

2.3 时间步长设定

在水锤瞬态特性计算中，时间步长对计算量、计算精确度以及计算结果的收敛性都有较大影响，合理给定时间步长对水锤计算至关重要。而时间步长与管道波速和管路中所有弹性管段的长度有关，因此在建模过程中，除了计算管道波速外，还需要根据各弹性管道的长度及其对管道网格数的限定来确定仿真的时间步长。时间步长Δt和弹性管道网格数S的关系为[8]

式中：L为管道长度。其中要求网格数S必须在N±2，其中N为大于3的整数。为了保证系统中所有的弹性管道网格数均符合要求，经计算设定时间步长为0.001 s。

2.4 Flowmaster建模

依据上述简化的管路系统，在Flowmaster中直接构建模型，如图3所示[9-10]。图中元件24、25、34为控制器，分别控制124、125、134阀的开度。该仿真模型中除了阀门100(即DT1)为闸阀以外，其他均为球阀。Flowmaster中包含有各种阀门的内径-阻力系数曲线和阻力系数-开度曲线，可供建模选择参考。根据实际的工程需求，选择相应开度曲线的阀门，完成仿真参数的设定。

图3 加注系统仿真模型

3 仿真结果分析

3.1 现有的控制方案

已知球阀关闭和开启的特征时间在1 s左右，因此假定125阀由全开到全关和124、134阀门由全关到全开均为1 s。燃料加注系统在上塔前后2个状态切换过程中的开关阀控制方案为：首先开启125阀，自其开始开启瞬间经过1 s后开始关124阀，同时待125阀完全开启后开始关134阀。由于阀门特征时间为1 s，所以124阀和134阀被认为是同时关闭的。其开关阀曲线如图4所示。

图4 目前阀门的启闭时间

依据此开关阀控制方案，计算得到的管路瞬态压力波动如图5所示。可以看出:此时管路中发生较为严重的水锤效应，管路中瞬时压力峰值达到稳定压力的3～4倍。显然，如此大的压力峰值对管路的安全运行构成了很大的威胁，因此需要通过模拟计算对开关阀控制方案进行调整，以保证管路系统的安全运行。

图5 管路动态压力波动

3.2 优化后的控制方案

由于阀门同时动作时产生的压力波会相互叠加，因此要尽量避免125、124、134阀的同时动作。这样就有2种不同的开关阀控制方案:方案1,先开125阀，经过1 s后至完全开启，然后再关闭124阀，经过1 s后至完全关闭，最后再关闭134阀;方案2,先开125阀，经过1 s后至完全开启，然后再关闭134阀，经过1 s后至完全关闭，最后再关闭124阀。这2种方案的关阀曲线分别如图6、7所示。

图6 方案1中阀门的启闭时间

图7 方案2中阀门的启闭时间

依据这2种开关阀控制方案和目前开关阀控制方案，对计算得到的管路瞬态压力波动进行比较，如图8所示。显然方案1较好，可以使压力峰值由之前的3～4倍降到2倍左右；而方案2虽然避免了阀门的同时动作，但是压力峰值并没有减小。

仿真得出上述结果，其原因是：134阀和124阀分别控制2条回流管路，在回流工况时，计算结果显示通过124阀控制的支路流量大于134阀控制的支路流量，也就是说124阀控制的支路总的阻力小于134阀控制的支路。二级加注管路由于管路较长，而其高度落差较大，所以二级加注管路阻力最大。由此可见：125阀开启-134关闭时124阀的回流量大于125阀开启-124关闭时通过134阀的回流量，在关闭最后一个阀时，回流量大的压力峰值达到最大。

图8 3种方案的压力波动的比较

由以上分析可知：在关闭2条回流支路的阀门时，要先关闭回流量较大的支路阀门，然后再关闭回流量较小的阀门。由于124阀控制的支路流量大于134阀控制的支路流量，因此开启125阀后，先关闭124，再关134是最合理的关阀顺序。由图8可以看出：压力峰值出现在134阀关闭时刻，即压力峰值与134阀关闭时间长短有关，因此调整134阀为可控阀，以改善水锤效应。

图9反映的是134阀第2 s时开始关闭，关闭特征时间分别为1、2、3、4 s时，管路中瞬态压力曲线。由图9可见：134阀关闭特征时间为4 s，即经过6 s完全关闭时，压力峰值最小，且压力变化很平缓。计算还发现：再增加134阀关闭特征时间时，其压力峰值变化已经不大。因此，最优的134阀关闭特征时间为4 s。从而得到这个过程最优的开关阀方案为：将134阀改为可控阀，125阀开启(历时1 s后)—124阀关闭(历时1 s后)—134阀关闭(历时4 s)。

图9 阀134关闭特征时间对瞬态压力影响

4 结论

针对加注系统加注级间转换过程中由于阀门操作不当而出现的水锤效应问题，笔者建立了加注系统的Flowmaster数学模型，对这一过程进行数值模拟、仿真分析，仿真结果表明：改变各阀门的开闭顺序及开闭历时可以有效地降低管道中的压力峰值，避免因发生水锤效应而导致的加注事故。然而笔者在计算过程中，加注系统的基本参数采用了软件系统的默认设置，虽然不会影响对控制过程的定性分析结果，但是要对加注系统提出更精确的控制方案，就需要进一步对整个加注系统的各个组件参数进行详细研究。

参考文献：

[1] Riasi A，Nourbakhsh A，Raisee M. Energy Dissipation in Unsteady Turbulent Pipe Flows Caused by Water Hammer [J]. Computers & Fluids， 2013(73)：124-133.

[2] Moore W I，Arnold R J. 土星V的液氧加注故障[J]. 导弹与航天运载技术，1979，38(2)：52-56.

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