基于轴流式止回阀的高扬程泵站水锤防护仿真计算

廖志芳，王荣辉，肖玉平，张白云，唐泽润，谈凯，蒋劲

(1.天津市输水系统水锤阀门控制技术企业重点实验室，天津300051；2.天津博纳斯威阀门股份有限公司，天津300051； 3.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明650051； 4.武汉大学动力与机械学院，水力机械过渡过程教育部重点实验室，湖北 武汉430072)

止回阀在泵站水力过渡过程的防护中有着一定的运用，尤其当泵站扬程较高而机组转动惯量较小时，止回阀装设在水泵出口防止在泵站事故停机时引起机组倒转[1]，但这种防护措施的缺点在于往往会导致水泵出口出现较大升压，需要配合超压泄压阀或者水击泄放阀。本文所论述的方法是在管线中间和管线末端以及水泵出口同时设置轴流式止回阀，多个阀门联动将一段长管道分成几段，大大降低水锤防护的难度。而此种方法在工程上还未有实际运用，也未见相关文献，因此很有研究的价值，本文旨在通过计算结果论证轴流式止回阀多阀调节的优点，并指导工程运用。

1轴流式止回阀的结构和工作原理

轴流式止回阀是安装在压缩机、泵等的出口防止介质回流的装置，见图1。当压缩机、泵等工作时对介质做功，使介质动能增加，当介质流动到阀瓣位置时，流动受阻，一部分动能转化为压力势能，推动阀芯，阀门开启。当压缩机、泵等停止工作时，在弹簧和回流介质作用下阀门关闭阻止介质回流。

图1轴流式止回阀结构示意

图2为该轴流式止回阀的流阻特性曲线，其中流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降Δp表示。

图2轴流式止回阀流阻特性曲线

对于紊流流态的液体：

Δp=ζu2ρ/2

式中：Δp为被测阀门的压力损失，MPa；ζ为阀门的流阻系数；ρ为流体密度，kg/mm3；u为流体在管道内的平均流速，mm/s。

轴流式止回阀可根据需要实现两阶段关闭，关闭过程中，当阀门行程达到全行程的90%时，缓冲缸活塞与阀瓣接触，减缓阀瓣关闭过程，缓闭时间可通过针型阀调节[2]。

2水力过渡过程的数学模型及边界条件

水锤计算的特征线法[3-4]。管道系统水锤的计算是对整个装置进行计算分析，包括管道内点及与管道连接的装置中的各部分(边界点)。在水锤计算中，对于管道系统内点的计算是求解水锤基本方程，即由运动方程和连续性方程组成的双曲型偏微分方程组[5]。为了实现计算机的编程计算，需采用特征线方法将该偏微分方程组离散化[6]，为此，先沿特征线方向将它转换为水锤全微分方程：

(1)

(2)

由式(1)和式(2)进行有限差分近似，可以得到对应于图3所示的水锤离散特征线方程：

图3水锤计算的特征线网格

(3)

(4)

解上述方程可得：

C+:HP=HA-B(QP-QA)-RQA|QA|

(5)

C-:HP=HB+B(QP-QB)+RQB|QB|

(6)

或

C+:HP=CP-BQP

(7)

C-:HP=CM+BQP

(8)

3超高扬程泵站多阀调节仿真分析

本文基于超高扬程泵站对轴流式止回阀多阀调节的方案进行分析，其中，泵站采用一管三机，两用一备，水泵设计流量1.415 m3/s，设计扬程610 m，设计点效率85%，设计工况轴功率9 962 kW，转速1 000 r/min，转动惯量2 000 kg·m2。该泵站的特点是扬程高，管线短，事故停泵时倒流快。本文所使用的软件是专业的水力分析软件PIPENET，PIPENET管网流体分析软件起源于上世纪70年代的剑桥大学。1979年，剑桥大学计算机中心将其收购并命名为PIPENET，1985年SUNRISE SYSTEMS LIMITED公司成立，独立进行PIPENET软件的研发和拓展。PIPENET是国际上流行的商用软件,该系列软件已广泛的运用于石油化工、工业循环水以及跨流域输送等行业，具备强大的工程管网系统的数值计算、模拟仿真和系统优化等功能。

图4泵站示意图

3.1泵站无防护事故停泵

当不设置任何防护措施时，计算系统产生的水锤压力。停泵后1.5 s开始倒流，两台泵在停泵后5.6 s后开始倒转，其倒转转速超过了水泵额定转速的1.2倍；极长管段中出现负压，系统最小压力达到-8 m，为提前设定的在该地区的水的汽化压力。水流有被拉断的情况发生。水泵出口的最大正压为899 m，超过了平稳运行时压力的1.3倍。综上所述，对两台泵事故停泵的工况必须采取必要的防护措施防止倒流倒转和过大压力带来的危害。

图5无防护压力包络线

图7无防护最大升压

3.2多阀调节

在水泵出口设置轴流式止回阀，阀门两阶段关闭，快关为停泵后1.5 s关85%，慢关为55 s关15%。在管线高点处和末端设置三台轴流式止回阀，阀门在0流量时关至10%，并保持10%开度，不关死。

数值模拟的结果显示停泵后所产生的最大水锤升压仅为634 m，略高于最大使用压力(632 m)，机组倒转未超过额定转速，高点处控制最小压力在-5 m以内，未产生汽化。且轴流式止回阀前后压降仅为1 m，相对于泵站的净扬程(619.55 m)而言非常小，这说明该阀流阻较小，有优良的水力特性，不会产生过大的水力损失。相比于无防护停泵，使用轴流式止回阀的多阀调节方案可以使阀门出口水锤升压减小40%，并极大地抑制机组倒转，也可控制高点处的负压。

图8多阀调节压力包络线

图9多阀调节水泵转速

图10多阀调节最大升压

图11轴流式止回阀前后压降

4结语

1)轴流式止回阀在上述典型的短距离超高扬程泵站的水锤防护中有着较为独特的用法，即安装在管线中间和末端，在事故停泵中起到截流作用，将一段管道分隔成几段管道，有效抑制流体倒流，且解决了由于水泵出口阀门关闭太快引起的升压问题，但是阀门不关死，确保管道中没有液柱分离的情况发生。

2)轴流式止回阀的多阀调节方案的优点在于阀门流阻小，水力特性优良，不会有较大损失；对于水锤事故产生的升压和机组倒转的防护效果相当明显，不需要设置复杂且昂贵的水力元件。

3)本文所论述的轴流式止回阀的妙用适用于短距离高扬程的泵站过渡过程的防护，特别随着近年的发展，机组转动惯量越来越小，这对于过渡过程的防护提出了更高的要求。为控制机组倒转就需要泵后阀门快速关闭，但这样又会带来更高的升压问题，所以还需要配合超压泄压阀或者空气罐同时调节，这种方法不仅效果不明显，且不够经济。在管线中间和末端加轴流式止回阀，可以在保证机组倒转不超过标准的情况下控制阀后几乎不升压，同时防止局部高点出现汽化现象。且轴流式止回阀成本低廉，工艺成熟，安全可靠，为解决类似的问题提供了新思路。