漳泽泵站供水系统水力计算数值模拟研究

张瑜芝

（山西省漳河水利工程建设管理局，山西 太原 030002）

漳泽泵站供水系统水力计算数值模拟研究

张瑜芝

（山西省漳河水利工程建设管理局，山西 太原 030002）

水泵系统稳态运行特性研究是供水系统经济合理运行的前提条件，可为供水系统水力过渡过程计算提供初值，为优化调节提供基础，也为自动化控制提供接口。建立了单泵单管稳态运行和并联水泵稳态运行的数学模型，通过对漳泽泵站供水系统4种工况下的稳态运行和水力过渡过程的数值模拟，得出该泵站运行效率偏低、应对其进行优化调节的结论。

漳泽泵站；供水系统；水力计算；数值模拟

0 引言

目前，我国正在推进节约型社会建设，因此，如何节约能源、更加高效地利用能源也是供水工程必然面临的课题［1］。稳态计算是计算水泵正常运行过程中管道中水流处于恒定流动状态时所对应的流量、扬程、效率及泵站的流量、效率等的计算类型。它可以为泵站的优化调节提供依据。在进行稳态计算时，利用计算机语言开发自动控制界面，可以为自动控制提供接口，为供水工程实现自动控制提供基础［2］。

漳泽泵站是辛安泉供水改扩建工程的供水工程，为了确保工程安全运行，需要对其供水系统稳态运行和水力过渡过程进行数值模拟分析，提供不同的水泵投入运行条件下水泵的工作点以及供水工程系统的运行状况，以校核水泵的稳定工作区域、电动机的负荷情况、供水工程系统的流量、扬程和效率等。在此基础上，根据进出水池的不同水位变化情况，确定泵站稳态运行的特性，同时确定两阶段液控止回蝶阀的关闭时间及角度，即水锤防护设备的合理关闭规律，为工程安全高效运行提供科学依据。笔者试对漳泽泵站供水系统的水力计算数值模拟过程进行探讨，并对其结果进行分析。

1 工程概况

漳泽泵站是辛安泉供水改扩建工程中襄垣支线的取水工程，它向潞安、潞宝、王桥3个蓄水池供水，设计流量为1．65m3／s。泵站共布置4台机组，水泵型号均为DFSS400－9／4AT（单级双吸卧式离心泵），配套电机为YSPKK500－4，三工一备。单台泵设计流量为0．55m3／s。漳泽泵站至王桥调蓄池压力管线长为29126．27m，单管 DN1400PCCP／DN900DIP；漳泽泵站至潞宝调蓄池压力管线长为22383．23m，单管DN1400PCCP／DN900DIP／DN600DIP； 漳泽泵站至潞安调蓄池压力管线长为27454．8m，单管DN1400PCCP／DN900DIP／DN500DIP。

2 数学模型

2．1 单泵单管稳态运行数学模型

水泵运行的工作点是泵站的流量—需要扬程的关系曲线Q～H需与水泵的流量—扬程曲线Q～H的交点。水泵工作点求解图如图1所示。

图1 水泵工作点求解图Fig.1 Water pump working site solution

水泵的需要扬程等于水泵的净扬程加上管道的阻力损失。若计算出管道的阻力参数为S，则需要扬程可用式（1）计算。水泵的特性曲线可以根据厂家提供的实测数据，利用最小二乘法拟合得到，如式（2）所示。

由式（1）和式（2）可得到能量平衡方程，如式（3）所示。

利用式（3）可求得流量，通过拟合得到的性能曲线可求得扬程。同理，可拟合出效率曲线，求得效率［3］。

2．2 并联水泵稳态运行数学模型

n台同型号泵并联相当于水泵扬程H不变，流量扩大n倍，其需要扬程的计算式为式（4），扬程仍按式（2）计算。由此可得到能量平衡方程式（5）。

2．3 水力过渡过程数学模型

水锤方程包括运动方程和连续方程，其表达式分别为式（6）和式（7）。

3 数值计算分析

3．1稳态运行数值模拟

针对漳泽泵站可能出现的4种运行工况进行模拟，模拟结果如表1～表4所示。

由表1～表4可知：当漳泽泵站1台机组分别向王桥、潞安调蓄池供水时，在特定地形扬程工况下，水泵效率均较高，能够满足《泵站设计规范》中泵站效率不低于54．4%的要求。当1台机组向潞宝调蓄池供水及3台机组同时向潞安蓄水池供水时，在特定地形扬程工况下，水泵效率均较低，不能满足《泵站设计规范》中泵站效率不低于54．4%的要求。

3．2 水力过渡过程数值模拟

针对泵站可能出现的4种运行工况进行水力过渡过程数值模拟，结果如表5～表8所示。

表1 1台泵向王桥蓄水池供水时稳态运行模拟结果Tab.1 Steady operation simulation result of one pump to supply water to Wangqiao impounding reservoir

表2 1台泵向潞宝蓄水池供水时稳态运行模拟结果Tab.2 Steady operation simulation result of one pump to supply water to Lubao impounding reservoir

表3 1台泵向潞安蓄水池供水时稳态运行模拟结果Tab.3 Steady operation simulation result of one pump to supply water to Luan impounding reservoir

表4 3台泵向潞安蓄水池供水时稳态运行模拟结果Tab.4 Steady operation simulation result of three pumps to supply water to Luan impounding reservoir

表5 1台泵向王桥蓄水池供水时停泵水力过渡过程计算结果Tab.5 No-pump hydraulic transient process calculation of one pump to supply water to Wangqiao impounding reservoir

表6 1台泵向潞宝蓄水池供水时停泵水力过渡过程计算结果Tab.6 No-pump hydraulic transient process calculation of one pump to supply water to Lubao impounding reservoir

表7 1台泵向潞安蓄水池供水时停泵水力过渡过程计算结果Tab.7 No-pump hydraulic transient process calculation of one pump to supply water to Luan impounding reservoir

表8 3台泵向潞安蓄水池供水时停泵水力过渡过程计算结果Tab.8 No-pump hydraulic transient process calculation of three pumps to supply water to Luan impounding reservoir

由表5～表6可知：阀门拒动作时，在上述4种工况下，最大正压均可满足规范要求；最大负压均偏大，不满足规范要求；最大倒转转速除1台机组向潞宝蓄水池供水时超出规范要求外，其他均能满足规范要求。蝶阀防护时，在上述4种工况下的水泵最大正压、倒转转速均能满足规范要求；最大负压均有所改善，但仍然偏大，不满足规范要求。蝶阀加进、排气阀联合防护时，在大量对进、排气阀的安装位置及数量进行数值模拟后，未找到与系统匹配的合理位置和数量，在向王桥和潞宝方向供水时，水泵出口断面最大负压均为－7m，超出规范要求，管路其他负压均可满足规范要求；在向潞安方向供水过程中，当1台机组单独运行和3台机组联合运行时，水泵出口断面、桩号 X26＋539．64、桩号 X26＋768．43、桩号 X26＋997．22、桩号 X27＋226．01最大负压偏大，超出规范要求，管路其他负压均可满足规范要求。在4种工况运行下，管路最大正压、最大倒转转速均能满足规范要求。

4 结语

（1）在4种工况运行的条件下，泵站效率较低，不能满足规范要求。因此，在满足供水流量的前提下，水泵机组应采用变频运行方式，以此提高水泵及泵站效率。

（2）阀门拒动作时，最小压力、最大倒转转速超出规范要求。因此，需加设两阶段液控止回蝶阀防护设备，以保证管路的安全。

（3）在两阶段液控蝶阀防护下，压力管线压力分布明显改善，但由于压力管路距离长、流量小、管路起伏较大，个别管段负压较大，已经超出规范要求。因此，通过两阶段液控止回蝶阀进行防护，需要与进、排气阀结合运行，以改善压力管线的压力分布状况。

（4）针对水泵出口断面负压较大的情况，可以在水泵出口断面附近安装一台真空破坏阀。针对管路下游个别断面负压较大的情况 （主要指潞安供水段），可以在相应断面处安装真空破坏阀或适当降低下游管线高程。

［1］ 栾鸿儒．水泵及水泵站［M］．北京：水利水电出版社，1993：19－36．

［2］ 吴建华．供水泵站工程新技术［M］．北京：中国水利水电出版社，2002：6－20．

［3］ 吴建华，张小鹏，王栋．供水系统稳态运行计算数值模拟研究［J］．科学之友，2008（30）：127－128．

Study on Hydraulic Calculation Numerical Simulation of Zhangze Pumping Station Water System

Zhang Yuzhi
（Bureau of Zhanghe River Water Conservancy Project Construction in Shanxi Province，Taiyuan030002， Shanxi， China）

Pump system steady operation research is the prerequisite of water system economic and reasonable operation， it provides the initial value of water system hydraulic transient process calculation， the basis of optimal regulation，the interface of automatic control．The mathematical model of single pump with single tube steady operation and paralleling pump steady operation is established．By making numerical simulation of Zhangze pumping station water system steady operation under four working conditions and hydraulic transient process，it points out that this pumping station operation efficiency is low and needs optimal regulation．

Zhangze pumping station；water system；hydraulic calculation；numerical simulation

TV136.2

A

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．04．004

2017-07-14

张瑜芝（1987-），女，河南伊川人，助理工程师，硕士，主要从事水利水电工程施工工作。

[责任编辑 杨明庆]