长输管道水击过程中的同步现陈明1,蒲家宁1,苏万全2(1.中国人民解放军后勤工程学院,重庆400016;2.辽宁省铁岭市65142部队,辽宁铁岭112609)摘要:水击是长输管道系统中经常出现的一种过渡工况。由于泵站出站止回阀的作用,长输管道水击过程中会出现同步现象。对同步现象的成因进行了分析,给出了计算方法,并结合实例,进行了模拟和计算。关键词:长输管道;水击;同步;止回阀;模拟计算:TE832.3文献标识码:B:1004-9614(2004)04-0004-02SynchronizationPhenomenoninProcessofWaterHammerinLongDistancePipelinesCHENMing1,PU激a2ning1,SUWan2quan2(1.LogisticalEngineeringUniversityofPLA,Chongqing400016,China;2.65142TroopUnit,Tieling112609,China)Abstract:Waterhammerisconsideredastransientworkingsituationwhichisoftencausedinthelongdistancepipelines.Undertheeffectofcheckvalve,synchronizationphenomenoniscausedintheprocessofwaterhammeringinlongdistancepipelines.Theformativereasonsofsynchronizationwereanalyzedandthecalculativemethodwasintroduced.Accordingtotheinstance,simulationandcalculationweredone.1同步现象的成因及危害输油管道在启(停)中间泵站、泵机组调速、各中间泵站的流程切换或分输站的启停、事故工况停机以及调节阀动作失灵、误关闭等操作过程中,都可能产生水击。水击初期向上游传送增压波,向下游传送减压波。在增压波向上游传送的过程中,上游沿线的压力依次上升。如果此时上游泵站并未察觉到此变化,继续泵输,那么在增压波和泵排出压力的共同作用下,管线中的压力会急剧上升。当水击波传递到上游泵站出口时,水击压力将会大于泵的出口压力,出站止回阀关闭(为防止液体倒流,泵站出口处一般都安装出站止回阀)。此后线路的压力将一直高于泵的断流压头,这种现象称为同步或锁定1。如果此时泵仍然处于运行状态,那么出站止回阀的关闭将造成泵的憋压,导致泵出口处的压力上升。水击波反射后,止回阀被泵排压顶开,继续泵输,此时就极有可能产生同步的叠加,这时管线中的压力将上升到惊人的程度。学者福克斯曾模拟到线路压头高于泵为了便于模拟,以简单管道为例进行分析,假定水击是由于下游瞬时关阀产生的,图1为其工艺流程示意图。图1工艺流程图根据瞬变流理论,液体管路的一维瞬变模型可以用下述特征方程描述2:dx=+a(1)dtC+adQ+dH+fQ|Q|1-madt=0(2)gωdx=-a(3)dtC-adQ-dH+fQ|Q|1-madt=0(4)gω式中:Q为流量;H为压力;a为水击波传播速度;ω为管道内截面积;g为自由落体加速度;f为列宾宗摩阻系数;m为流态指数。该方程组中含有微分项,求解时需要对方程进行积分。有限差分法求积分的数值是克服积分难题的一个有效手段,因此,对特征方程求解时,可以采用这种方法,具体算法见文献[2]。收稿日期:2003-12-16收修改稿日期:2004-03-12第4期陈明等:长输管道水击过程中的同步现象5管道直径为0115m,管线长度为18km,泵站的特性方程为H=600-214×105Q2,稳态流量为185m3/h,供油压力为1MPa,水击波波速为1000m/s,流态指数为01125,摩阻系数为617(s/m3)11875.将管线分成18段,节点编号为0～18。模拟时间设定为500s.由于泵的憋压,会导致泵发出异常的响声,并且泵体会发生剧烈的振动。因此认为上站发现泵憋压后,立刻停止泵的运行,同时不考虑泵滑转的影响。全线工艺流程如图1所示。经过计算,计算机输出管线各点的压力和在求解水击问题中,需要对边界条件进行分析。管线上游的边界条件为泵和止回阀,下游边界条件为闸阀。因为泵的进口压力由供油泵提供,可以认为是基本不变的,所以泵出口处的流量为[2]--2Qp=1S1S1+B(A+H-R-)(5)-+s1B22式中:A为泵断流压头;B为泵摩阻系数;Hs为泵的进口压力;S-=C+f|Q|1-maΔt(下标1表示将管道1w1分成N段后,节点编号为1的点,后同);R=H-11a.CwQ1;Cw为惯性水击系数,Cw=gω根据泵的特性方程,泵的出口压力为Hp=A-BQp2+Hs(6)由于泵的出口装有止回阀,所以当Qp为负时,则认为止回阀关闭,即若Qp<0,则Qp=0(7)(8)Hp=R-1图3全线水击压头变化情况上游泵站出站止回阀处的压力和流量变化曲线分别如图4、图5所示。下游端阀门瞬时关闭。在这种情况下QpN=0(9)(10)HpN=R+N-1式中R+=H+CQ(下标N-...