2009 年 6 月 农 业 机 械 学 报 第 40 卷 第 6 期 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 的 主 要 影 响 参 数 分 析 及 优 化 刘 志 勇 刘 梅 清 ( 武 汉 大 学 动 力 与 机 械 学 院, 武 汉 430072) 摘 要 对 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 的 主 要 影 响 因 素 进 行 了 试 验 分 析 结 果 表 明 : 在 合 理 位 置 安 装 合 适 进 排 气 孔 口 径 的 空 气 阀 可 有 效 防 止 因 水 柱 分 离 再 弥 合 而 导 致 的 巨 大 水 锤 升 压, 但 空 气 阀 的 防 护 效 果 受 安 装 位 置 和 进 排 气 孔 口 径 的 影 响 较 大 ; 口 径 过 大, 在 排 气 过 程 中 会 产 生 较 大 的 水 锤 升 压, 口 径 过 小 则 可 能 因 进 气 量 和 进 气 速 度 不 够 而 达 不 到 水 锤 防 护 的 效 果, 实 际 应 用 中 应 对 进 排 气 孔 口 径 进 行 优 化 或 采 用 快 进 慢 出 的 结 构 形 式 ; 对 本 试 验 装 置, 空 气 阀 应 安 装 在 首 先 产 生 水 柱 分 离 的 位 置, 不 合 理 的 安 装 位 置 会 加 剧 管 道 中 的 水 锤 压 力 上 升 在 此 基 础 上, 建 立 了 空 气 阀 参 数 和 泵 出 口 阀 关 闭 程 序 的 优 化 模 型, 并 采 用 遗 传 算 法 进 行 求 解 将 上 述 优 化 方 法 应 用 到 实 际 供 水 工 程 的 水 锤 防 护, 提 出 了 适 宜 的 水 锤 防 护 措 施 关 键 词 : 空 气 阀 水 锤 防 护 影 响 因 素 优 化 中 图 分 类 号 : 犜 犝 991 39 文 献 标 识 码 : 犃 犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊 犪 狀 犱 犗 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀 狅 犳 犕 犪 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犵 犘 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊 犳 狅 狉 犠 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犿 犲 狉 犘 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狅 犳 犃 犻 狉 犞 犪 犾 狏 犲 狊 犔 犻 狌 犣 犺 犻 狔 狅 狀 犵 犔 犻 狌 犕 犲 犻 狇 犵 ( 犛 犮 犺 狅 狅 犾 狅 犳 犘 狅 狑 犲 狉 犪 狀 犱 犕 犲 犮 犺 犪 狀 犻 犮 犪 犾 犈 狀 犵 犲 狉 犵, 犠 狌 犺 犪 狀 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔, 犠 狌 犺 犪 狀 430072, 犆 犺 犪 ) 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 犜 犺 犲 犿 犪 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犵 狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 狉 狊 犳 狅 狉 狑 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犲 狉 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狅 犳 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 狊 犪 狉 犲 犪 狀 犪 犾 狔 狕 犲 犱 狋 犺 狉 狅 狌 犵 犺 犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋. 犜 犺 犲 狉 犲 狊 狌 犾 狋 犱 犻 犮 犪 狋 犲 狊 狋 犺 犪 狋 狋 犺 犲 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 狑 犻 狋 犺 狉 犲 犪 狊 狅 狀 犪 犫 犾 犲 狊 犻 狕 犲 犪 狀 犱 狊 狋 犪 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狆 狅 狊 犻 狋 狅 狀 犮 犪 狀 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犺 犻 犵 犺 狑 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犲 狉 狆 狉 犲 狊 狌 狉 犲 犮 犪 狌 狊 犲 犱 犫 狔 狑 犪 狋 犲 狉 犮 狅 犾 狌 犿 狀 狊 犲 狆 犪 狉 犪 狋 犻 狅 狀. 犎 狅 狑 犲 狏 犲 狉, 狋 犺 犲 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犲 犳 犲 犮 狋 犻 狊 犻 犿 狆 狉 犲 狊 犻 犫 犾 犲 狋 狅 狋 犺 犲 狊 犻 狕 犲 犪 狀 犱 狊 狋 犪 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狆 狅 狊 犻 狋 狅 狀 狅 犳 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 : 狋 狅 犾 犪 狉 犵 犲 狊 犻 狕 犲 狑 犻 犾 犮 犪 狌 狊 犲 犾 犪 狉 犵 犲 狆 狉 犲 狊 狌 狉 犲 犱 狌 狉 犵 狋 犺 犲 狏 犲 狀 狋 犵 狆 狉 狅 犮 犲 狊, 狑 犺 犻 犾 犲 狋 狅 犾 犻 狋 犾 犲 狊 犻 狕 犲 犮 犪 狀 狀 狅 狋 狅 犫 狋 犪 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犲 犳 犲 犮 狋 犳 狅 狉 狊 狌 犳 犻 犮 犲 狀 狋 犪 犻 狉 狇 狌 犪 狀 狋 犻 狔 犪 狀 犱 狊 犾 狅 狑 狋 犪 犽 犲 狊 狆 犲 犱. 犛 狅 狋 犺 犲 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 狊 犺 狅 狌 犾 犱 犺 犪 狏 犲 狉 犪 狆 犻 犱 狋 犪 犽 犲 狊 狆 犲 犱 犪 狀 犱 狊 犾 狅 狑 狏 犲 狀 狋 犵 狊 狆 犲 犱. 犉 狅 狉 狋 犺 犲 犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 狊 狔 狊 狋 犲 犿 狋 犺 犻 狊 狊 狋 狌 犱 狔, 狋 犺 犲 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 狊 犺 狅 狌 犾 犱 犫 犲 狊 狋 犪 犾 犲 犱 狋 犺 犲 狆 狅 狊 犻 狋 狅 狀 狑 犺 犲 狉 犲 狋 犺 犲 狑 犪 狋 犲 狉 犮 狅 犾 狌 犿 狀 狊 犲 狆 犪 狉 犪 狋 犻 狅 狀 狅 犮 狌 狉 狊 犳 犻 狉 狊 狋 犾 狔. 犅 犪 狊 犲 犱 狅 狀 狋 犺 犲 犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狉 犲 狊 狌 犾 狋, 狋 犺 犲 狅 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀 犿 狅 犱 犲 犾 犳 狅 狉 狋 犺 犲 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 狉 狊 犪 狀 犱 犮 犾 狅 狊 狌 狉 犲 狆 狉 狅 犮 犲 犱 狌 狉 犲 狅 犳 狆 狌 犿 狆 犾 犲 狋 狏 犪 犾 狏 犲 犻 狊 犲 狋 狌 狆 犪 狀 犱 狊 狅 犾 狏 犲 犱 犫 狔 狌 狊 犵 犵 犲 狀 犲 狋 犻 犮 犪 狉 犻 狋 犺 犿 犲 狋 犻 犮. 犐 狀 狋 犺 犲 犲 狀 犱, 狋 犺 犲 犪 犫 狅 狏 犲 狅 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀 犿 犲 狋 犺 狅 犱 犻 狊 狌 狊 犲 犱 犳 狅 狉 狋 犺 犲 狑 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犲 狉 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 狅 犳 犪 狆 狉 犪 犮 狋 犻 犮 犪 犾 狑 犪 狋 犲 狉 狊 狌 狆 犾 狔 狆 狉 狅 犼 犲 犮 狋 犪 狀 犱 狋 犺 犲 狊 狌 犵 犲 狊 狋 犻 狅 狀 狅 犳 狊 狌 犻 狋 犪 犫 犾 犲 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犿 犲 犪 狊 狌 狉 犲 犻 狊 狆 狉 狅 狆 狅 狊 犲 犱. 犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 犃 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 狊, 犠 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犿 犲 狉 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀, 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犵 狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊, 犗 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀 引 言 空 气 阀 是 一 种 用 于 防 止 停 泵 水 力 过 渡 过 程 中 产 生 负 压 的 特 殊 阀 门 当 管 道 内 压 力 低 于 大 气 压 时 吸 入 空 气, 而 当 管 道 中 压 力 上 升 高 于 大 气 压 时 排 出 空 气 由 于 空 气 阀 采 用 补 气 的 方 法 防 止 管 道 中 因 负 压 收 稿 日 期 :2008 07 07 修 回 日 期 :2008 10 23 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (50879062) 湖 北 省 流 体 机 械 与 动 力 工 程 装 备 技 术 重 点 实 验 室 开 放 基 金 资 助 项 目 (2006 犃 006) 和 武 汉 大 学 动 力 与 机 械 学 院 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 ( 犙 犖 2007007) 作 者 简 介 : 刘 志 勇, 讲 师, 博 士, 主 要 从 事 流 体 输 送 及 流 体 过 渡 过 程 方 面 的 研 究, 犈 犿 犪 犻 犾 : 犘 6107@163. 犮 狅 犿
86 农 业 机 械 学 报 2009 年 而 造 成 的 水 锤 事 故, 因 此 具 有 构 造 简 单 造 价 低 安 装 方 便 不 受 安 装 条 件 限 制 等 优 点 但 是, 由 于 进 气 和 排 气 时 气 液 两 相 流 过 渡 过 程 的 影 响 因 素 复 杂, 管 道 中 排 完 空 气 时, 可 能 出 现 水 柱 弥 合, 尽 管 这 种 水 柱 弥 合 与 管 道 中 因 压 力 低 于 汽 化 压 力 而 引 起 的 水 柱 分 离 及 其 再 弥 合 有 所 不 同, 但 由 此 引 起 的 压 力 升 高 也 应 给 予 足 够 的 重 视 并 加 以 分 析 工 程 实 际 中, 采 用 空 气 阀 进 行 水 锤 防 护 既 有 成 功 的 经 验 [1~2], 也 有 失 败 的 教 训 [3~4] 本 文 通 过 模 型 试 验, 对 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 影 响 因 素 进 行 分 析 ; 应 用 反 问 题 的 分 析 方 法, 建 立 空 气 阀 水 锤 防 护 参 数 优 化 模 型, 应 用 遗 传 算 法 求 解, 并 应 用 到 工 程 实 例 中 1 主 要 影 响 参 数 的 试 验 与 分 析 1 1 试 验 装 置 试 验 装 置 如 图 1 所 示, 由 上 游 高 位 水 箱 下 游 水 箱 上 游 快 关 阀 上 游 调 流 阀 下 游 调 流 阀 凸 起 段 电 磁 流 量 计 压 力 传 感 器 及 数 据 采 集 仪 组 成 通 过 调 节 上 游 调 流 阀 或 下 游 调 流 阀 的 开 度 可 以 控 制 系 统 中 的 初 始 流 量 ; 在 系 统 中 预 设 了 2 个 空 气 阀 的 安 装 位 置, 以 便 比 较 不 同 安 装 位 置 对 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 的 影 响 ; 通 过 安 装 不 同 口 径 的 空 气 阀, 比 较 空 气 阀 口 径 对 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 的 影 响 图 1 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 试 验 装 置 图 犉 犻 犵.1 犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犪 狆 犪 狉 狋 狌 狊 犳 狅 狉 狑 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犲 狉 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犮 犺 犪 狉 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狅 犳 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 狊 1. 上 游 水 箱 2. 上 游 调 流 阀 3. 上 游 快 关 阀 4. 空 气 阀 安 装 位 置 Ⅰ 5. 压 力 传 感 器 6. 空 气 阀 安 装 位 置 Ⅱ 7. 电 磁 流 量 计 8. 下 游 调 流 阀 9. 下 游 水 箱 10. 数 据 采 集 仪 11. 工 控 机 1 2 试 验 过 程 及 结 果 试 验 过 程 如 下 :1 调 节 下 游 调 流 阀 的 开 度, 将 系 统 流 量 调 节 至 设 定 流 量 2 在 无 空 气 阀 的 条 件 下, 关 闭 上 游 快 关 阀, 记 录 流 量 和 压 力 的 变 化 过 程 3 在 上 游 快 关 阀 后 设 置 犇 犖 50 空 气 阀, 关 闭 上 游 快 关 阀, 记 录 流 量 和 压 力 的 变 化 过 程 4 改 变 上 游 快 关 阀 后 的 空 气 阀 口 径, 关 闭 上 游 快 关 阀, 记 录 流 量 和 压 力 的 变 化 过 程 5 改 变 空 气 阀 的 安 装 位 置, 关 闭 上 游 快 关 阀, 记 录 流 量 和 压 力 的 变 化 过 程 各 试 验 工 况 如 表 1 所 示, 每 种 工 况 进 行 3 次 重 复 测 量 图 2 为 工 况 1~4 上 游 快 关 阀 后 点 压 力 的 变 化 过 程 表 1 空 气 阀 水 锤 防 护 试 验 工 况 犜 犪 犫.1 犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犮 狅 狀 犱 犻 狋 犻 狅 狀 狅 犳 狑 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犿 犲 狉 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 狅 犳 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 工 况 编 号 初 始 流 量 / 犿 3-1 犺 调 流 阀 位 置 快 关 阀 关 闭 时 间 狊 / 空 气 阀 安 装 位 置 空 气 阀 进 排 气 孔 口 径 / 犿 快 关 阀 后 点 最 大 水 锤 压 力 水 头 / 犿 快 关 阀 后 点 最 小 水 锤 压 力 水 头 / 犿 1 30 下 游 0 2 65 44 汽 化 2 30 下 游 0 2 快 关 阀 后 15 15 41-5 09 3 30 下 游 0 2 凸 起 段 15 90 87 汽 化 4 30 下 游 0 2 快 关 阀 后 50 15 41-0 39 图 2 快 关 阀 后 点 压 力 变 化 过 程 犉 犻 犵.2 犘 狉 犲 狊 狌 狉 犲 犮 犺 犪 狀 犵 犲 狆 狉 狅 犮 犲 狊 狅 犳 狋 犺 犲 狆 狅 狊 犻 狋 狅 狀 犫 犲 犺 犱 狋 犺 犲 犳 犪 狊 狋 犮 犾 狅 狊 狌 狉 犲 狏 犪 犾 狏 犲 1 3 试 验 结 果 分 析 1 3 1 空 气 阀 不 同 进 排 气 孔 口 径 的 水 锤 防 护 比 较 从 图 2 可 以 看 到, 在 上 游 快 关 阀 后 点 设 置 空 气 阀 后, 与 无 空 气 阀 的 情 况 相 比, 管 线 中 无 汽 化 压 力 和 水 柱 分 离 现 象 出 现, 最 大 水 锤 压 力 大 大 降 低, 但 不 同 进 排 气 孔 口 径 的 水 锤 防 护 效 果 并 不 相 同 对 比 工 况 2 和 工 况 4 可 以 发 现 : 当 空 气 阀 的 进 排 气 孔 口 径 为 15 犿 时, 快 关 阀 后 点 的 最 小 压 力 为 -5 09 犿, 最 大 压 力 为 15 41 犿, 与 初 始 恒 定 流 压 力 相 同 ; 当 空 气 阀 的 进 排 气 孔 口 径 为 50 犿 时, 快 关 阀 后 点 的 最 小 压 力 为 -0 39 犿, 最 大 压 力 与 工 况 2 相 同, 但 其 关 阀 后 的 第 1 个 波 峰 的 压 力 高 于 工 况 2 说 明 当 空 气 阀 的 进 排 气 孔 口 径 较 大 时, 在 开 始 的 降 压 过 程 中, 空 气 阀 的 进 气 速 度 较 快, 进 气 量 也 较 大, 因 而 对 负 压 的 改 善 效 果 比 较 明 显 ; 但 在 随 后 的 升 压 过 程 中, 由 于 空 气 迅 速 从 空 气 阀 排 出, 导 致 空 气 阀 前
第 6 期 刘 志 勇 等 : 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 的 主 要 影 响 参 数 分 析 及 优 化 87 后 的 两 股 水 柱 发 生 碰 撞, 尽 管 这 种 碰 撞 产 生 的 升 压 比 因 水 柱 分 离 再 弥 合 产 生 的 压 力 要 小 得 多, 但 仍 应 引 起 足 够 的 重 视 反 之, 若 空 气 阀 的 进 排 气 孔 口 径 过 小, 则 在 降 压 过 程 中, 由 于 进 气 速 度 和 进 气 量 达 不 到 要 求, 可 能 起 不 到 破 坏 水 柱 分 离 和 水 锤 防 护 效 果 从 以 上 分 析 可 知, 采 用 空 气 阀 作 为 水 锤 防 护 措 施 时, 应 尽 量 做 到 降 压 过 程 快 速 进 气, 升 压 过 程 慢 速 排 气 对 于 单 口 空 气 阀, 并 非 空 气 阀 的 口 径 越 大 越 好, 而 是 存 在 一 个 最 优 的 进 排 气 孔 口 径 ; 对 于 复 合 式 空 气 阀, 则 通 过 增 加 微 量 排 气 孔 实 现 排 气 过 程 的 分 级 排 气 1 3 2 空 气 阀 不 同 安 装 位 置 的 水 锤 防 护 比 较 从 图 2 可 以 看 到 : 在 无 空 气 阀 的 条 件 下, 快 速 关 闭 上 游 快 关 阀 时, 快 关 阀 后 点 的 最 低 压 力 降 至 水 的 汽 化 压 力 并 持 续 一 定 时 间, 最 大 水 锤 压 力 65 44 犿 ; 若 在 上 游 快 关 阀 后 设 置 一 个 进 排 气 孔 口 径 为 15 犿 的 空 气 阀, 则 其 最 大 最 小 水 锤 压 力 分 别 为 15 41 犿 和 -5 09 犿, 起 到 了 较 好 的 水 锤 防 护 作 用 ; 若 将 相 同 进 排 气 孔 口 径 的 空 气 阀 安 装 在 管 线 中 的 凸 起 部 位, 上 游 快 关 阀 后 点 的 最 小 压 力 仍 然 降 至 汽 化 压 力 并 有 水 柱 分 离 现 象 发 生, 最 大 水 锤 压 力 达 到 90 87 犿, 超 过 无 空 气 阀 时 的 最 大 水 锤 压 力, 起 到 了 相 反 的 作 用 上 述 分 析 表 明, 空 气 阀 的 安 装 位 置 对 空 气 阀 的 水 锤 防 护 效 果 影 响 很 大 当 空 气 阀 安 装 在 快 关 阀 后 点 时, 在 关 阀 降 压 过 程 中, 空 气 阀 及 时 补 气, 有 效 防 止 了 快 关 阀 后 点 水 柱 分 离 现 象 的 发 生 ; 当 空 气 阀 安 装 在 凸 起 点 时, 在 上 游 快 关 阀 快 速 关 闭 的 降 压 过 程 中, 由 于 空 气 阀 离 快 关 阀 距 离 较 远, 仅 能 起 到 防 止 凸 起 点 处 发 生 汽 化 的 作 用, 对 快 关 阀 后 点 的 压 力 下 降 无 能 为 力, 因 此 该 点 的 压 力 仍 然 降 低 到 水 的 汽 化 压 力 并 持 续 一 定 时 间 ; 在 随 后 升 压 过 程 中, 由 于 凸 起 点 的 高 程 高 出 下 游 水 池 的 水 位 3 9 犿, 而 从 空 气 阀 进 入 的 空 气 将 水 流 从 凸 起 点 切 断, 相 当 于 增 加 了 倒 流 过 程 中 的 水 头, 使 快 关 阀 后 点 的 水 柱 碰 撞 更 加 剧 烈, 因 而 加 剧 了 该 处 水 锤 压 力 的 上 升 2 参 数 的 优 化 方 法 长 距 离 管 道 输 送 系 统 的 水 泵 出 口, 一 般 安 装 有 两 阶 段 关 闭 液 控 蝶 阀, 其 关 闭 程 序 对 管 系 中 的 水 锤 也 有 较 大 的 影 响 本 文 采 用 反 问 题 的 分 析 方 法, 对 空 气 阀 的 水 锤 防 护 参 数 和 泵 出 口 阀 关 闭 程 序 同 时 进 行 优 化 2 1 优 化 模 型 2 1 1 决 策 变 量 如 前 所 述, 在 采 用 空 气 阀 进 行 水 锤 防 护 时, 影 响 其 防 护 效 果 的 参 数 主 要 有 3 个 : 进 气 孔 面 积 与 流 量 系 数 的 乘 积 ( 犆 ω) 排 气 孔 面 积 与 流 量 系 数 的 乘 积 ( 犆 ω) 和 空 气 阀 安 装 位 置 实 际 应 用 中, 一 般 将 空 气 阀 布 置 在 易 发 生 汽 化 和 水 柱 分 离 的 部 位 ( 可 根 据 地 形 确 定 ), 对 于 长 水 平 管 道, 则 间 隔 一 定 距 离 均 匀 布 置 因 此, 选 取 ( 犆 ω) 和 ( 犆 ω) 及 泵 出 口 阀 关 阀 程 序 参 数 ( 快 关 时 间 犜 1 快 关 角 度 θ 1 慢 关 时 间 犜 2 慢 关 角 度 θ 2 ) 共 6 个 为 决 策 变 量 2 1 2 目 标 函 数 当 采 用 空 气 阀 作 为 水 锤 防 护 措 施 时, 总 是 希 望 管 线 中 的 最 大 水 锤 压 力 越 小 越 好, 因 此 目 标 函 数 可 表 示 为 犿 犉 (( 犆 ω),( 犆 ω), 犜 1, θ 1, 犜 2, θ 2 )= 犖 狊 [ 犎 犿 犪 狓 ( 犻 )-[ 犎 犿 犪 狓 ]( 犻 )] 犻 =1 式 中 犻 节 点 编 号 犎 犿 犪 狓 ( 犻 ) 各 节 点 出 现 的 最 大 水 锤 压 力 [ 犎 犿 犪 狓 ]( 犻 ) 各 节 点 的 管 道 允 许 最 大 压 力 2 1 3 约 束 条 件 空 气 阀 优 化 的 约 束 条 件 包 括 系 统 约 束 水 泵 倒 转 转 速 和 倒 转 时 间 约 束 关 阀 时 间 约 束 决 策 变 量 上 下 限 约 束 和 压 力 上 下 限 约 束 (1) 系 统 约 束 : 瞬 变 流 的 基 本 方 程 [5] 系 统 上 游 边 界 条 件 阀 门 的 边 界 条 件 系 统 下 游 边 界 条 件 液 [6] 柱 分 离 模 型 空 气 阀 的 边 界 条 件 等 (2) 水 泵 倒 转 转 速 和 倒 转 时 间 约 束 : 满 足 泵 站 设 计 规 范 [ 7] 要 求 的 离 心 泵 最 高 反 转 速 度 不 应 超 过 额 定 转 速 的 1 2 倍, 超 过 额 定 转 速 的 持 续 时 间 不 应 超 过 2 犿 (3) 关 阀 时 间 约 束 : 关 阀 总 时 间 不 应 超 过 允 许 的 最 长 时 间, 快 关 速 度 应 大 于 慢 关 速 度 (4) 决 策 变 量 上 下 限 约 束 : 各 决 策 变 量 的 取 值 必 须 在 规 定 的 范 围 内 (5) 压 力 上 下 限 约 束 : 要 求 管 道 系 统 各 点 的 最 大 最 小 水 锤 压 力 在 允 许 范 围 内 2 2 求 解 方 法 采 用 罚 函 数 法 对 隐 式 不 等 式 约 束 进 行 处 理, 采 [8] 用 改 进 遗 传 算 法 求 解 前 述 优 化 模 型, 具 体 求 解 步 骤 为 :1 根 据 各 个 决 策 变 量 的 取 值 范 围 和 精 度 需 要, 采 用 二 进 制 编 码, 进 行 种 群 初 始 化 2 对 各 个 体 解 码, 处 理 约 束 条 件, 计 算 各 个 个 体 的 适 应 度 值 3 进 行 最 优 保 存 策 略 的 选 择 自 适 应 的 交 叉 和 变 异 操 作, 产 生 新 一 代 种 群 4 判 断 是 否 满 足 收 敛 条 件, 若 满 足, 输 出 结 果 ; 若 不 满 足, 转 向 2, 重 新 进 行 遗 传 优 化 计 算 直 到 满 足 收 敛 条 件
8 农 业 机 械 学 报 2009 年 3 工 程 应 用 实 例 3 1 工 程 概 况 某 供 水 工 程 从 黄 河 取 水, 设 计 取 水 流 量 为 3 36 犿 3 狊 /, 进 水 池 设 计 水 位 982 8 犿, 出 水 池 设 计 水 位 1070 1 犿, 共 安 装 4 台 水 泵 机 组, 其 中 1 台 为 备 用 机 组, 水 泵 型 号 为 犞 犈 犖 犝 犛 1 500 800 犆, 额 定 流 量 1 23 犿 3 狊 /, 额 定 扬 程 93 犿, 额 定 转 速 995 狉 / 犿, 额 定 效 率 92%, 配 套 电 动 机 功 率 1600 犽 犠, 机 组 转 动 惯 量 805 6 犽 犵 犿 2, 机 组 的 全 性 能 曲 线 见 图 3, 其 中, 犠 犎 ( 狓 )= 犺 /(α 2 + 狏 2 ), 犠 犅 ( 狓 )=β /( α 2 + 狏 2 ), 狓 =π+ 犪 狉 犮 狋 犪 狀 ( 狏 /α), 犺 狏 α β 分 别 为 水 泵 的 无 量 纲 扬 程 流 量 转 速 和 转 矩 输 水 管 道 直 径 1600 犿, 全 长 2731 犿, 管 线 纵 向 从 泵 站 至 出 水 池 呈 拱 背 形, 如 图 4 所 示 ( 犣 为 管 轴 线 高 程, 犔 为 水 平 距 离 ), 存 在 明 显 的 凸 部, 是 一 个 地 形 相 对 复 杂 的 输 水 管 道 系 统, 这 类 系 统 在 停 泵 水 力 过 渡 过 程 中, 在 管 道 凸 部 容 易 产 生 水 柱 分 离 及 其 再 弥 合 的 现 象, 从 而 产 生 巨 大 的 水 锤 压 力 图 3 水 泵 的 全 性 能 曲 线 ( 狀 狊 =95) 犉 犻 犵.3 犆 狅 犿 狆 犾 犲 狋 犲 犮 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 犮 狌 狉 狏 犲 狅 犳 狆 狌 犿 狆 ( 狀 狊 =95) 图 4 供 水 装 置 纵 剖 面 图 犉 犻 犵.4 犔 狅 狀 犵 犻 狋 狌 犱 犪 犾 狆 狉 狅 犳 犻 犾 犲 犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 狅 犳 狑 犪 狋 犲 狉 狊 狌 狆 狆 犾 狔 狊 狔 狊 狋 犲 犿 3 2 无 防 护 措 施 时 停 泵 水 锤 分 析 [6] 根 据 水 锤 基 本 理 论, 采 用 特 征 线 法 对 上 述 供 水 系 统 进 行 水 锤 分 析 以 最 不 利 的 运 行 工 况, 即 三 泵 并 联 运 行, 同 时 意 外 停 泵 的 工 况 进 行 分 析 图 5 图 6 分 别 为 发 生 意 外 停 泵 泵 出 口 阀 拒 动 条 件 下 的 水 泵 特 征 量 变 化 过 程 和 管 线 压 力 包 络 线, 犎 犿 犪 狓 犎 犿 犎 犌 犔 分 别 为 最 大 水 锤 压 力 水 头 最 小 水 锤 压 力 水 头 初 始 恒 定 流 压 力 水 头 从 图 5 可 以 看 到 : 在 发 生 事 故 停 泵 后 的 3 5 狊, 水 泵 开 始 倒 流, 最 大 倒 泄 流 量 为 额 定 流 量 的 1 42 倍 ; 在 发 生 事 故 停 泵 后 的 6 5 狊, 水 泵 开 始 倒 转, 水 泵 的 最 大 倒 转 转 速 达 到 额 定 转 速 的 1 559 倍, 超 过 泵 站 设 计 规 范 要 求 的 1 2 倍, 因 此 必 须 确 保 停 泵 后 泵 出 口 阀 的 可 靠 关 闭 图 5 泵 出 口 阀 拒 动 时 的 水 泵 特 征 量 变 化 过 程 犉 犻 犵.5 犆 犺 犪 狀 犵 犲 狆 狉 狅 犮 犲 狊 狅 犳 犮 犺 犪 狉 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狆 犪 狉 犿 犲 狋 狉 狊 狅 犳 狆 狌 犿 狆 狌 狀 犱 犲 狉 狋 犺 犲 犮 狅 狀 犱 犻 狋 狅 狀 狅 犳 狀 狅 狀 犮 犾 狅 狊 狌 狉 犲 狅 犳 犾 犲 狋 狏 犪 犾 狏 犲 图 6 泵 出 口 阀 拒 动 时 的 沿 管 线 压 力 包 络 线 犉 犻 犵.6 犈 狀 狏 犲 犾 狅 狆 犲 犮 狌 狉 狏 犲 狅 犳 狆 狉 犲 狊 狌 狉 犲 犪 犾 狅 狀 犵 狆 犻 犲 犾 犲 狌 狀 犱 犲 狉 狋 犺 犲 犮 狅 狀 犱 犻 狋 狅 狀 狅 犳 狀 狅 狀 犮 犾 狅 狊 狌 狉 犲 狅 犳 犾 犲 狋 狏 犪 犾 狏 犲 从 图 6 可 以 看 到 : 停 泵 过 程 中, 管 线 中 有 液 柱 分 离 及 其 再 弥 合 现 象 发 生, 泵 出 口 阀 后 点 的 最 大 水 锤 压 力 达 到 206 35 犿, 为 初 始 恒 定 流 压 力 的 2 18 倍 由 于 停 泵 后, 泵 出 口 阀 的 关 闭 将 加 剧 初 始 阶 段 的 压 力 降 低 和 液 柱 分 离, 因 此, 仅 仅 依 靠 调 节 泵 出 口 阀 的 关 闭 程 序, 显 然 无 法 消 除 管 线 中 出 现 的 液 柱 分 离 及 其 再 弥 合 现 象, 必 须 设 置 防 止 水 柱 分 离 的 防 护 措 施 3 3 空 气 阀 水 锤 防 护 参 数 和 泵 出 口 阀 关 闭 程 序 优 化 根 据 供 水 装 置 纵 剖 面 图 和 系 统 启 动 过 程 中 排 气 的 需 要, 考 虑 在 管 线 中 设 置 5 处 空 气 阀 ( 分 别 为 桩 号 0+310 0+680 1+070 1+450 和 2+150) 以 下 根 据 前 述 优 化 模 型, 对 空 气 阀 的 水 锤 防 护 参 数 和 泵 出 口 阀 关 闭 程 序 进 行 优 化 计 算 图 7 为 遗 传 优 化 计 算 过 程 中 各 代 种 群 的 最 大 适 应 度 值 和 平 均 适 应 度 值, 可 以 看 出, 具 有 最 大 适 应 度 值 的 个 体 在 第 19 代 开 始 出 现, 优 化 得 到 的 空 气 阀 参 数 为 ( 犆 ω) =0 0101 犿 2,( 犆 ω) =0 0001 犿 2, 泵 出 口 阀 关 闭 程 序 参 数 为 : 快 关 3 9 狊 /62 9, 慢 关 49 3 狊 /27 1 由 于 优 化 计 算 得 到 的 空 气 阀 的 进 排 气 口 流 量 系 数 与 过 流 面 积 之 积 的 比 值 ( 犆 ω) /( 犆 ω) 达 到 100, 普 通 的 空 气 阀 很 难 达 到 上 述 要 求 ; 而 两 级 关 闭 型 复 合 式 空 气 阀 可 以 将 排 气 过 程 分 为 两 级 排 气, 在
第 6 期 刘 志 勇 等 : 空 气 阀 水 锤 防 护 特 性 的 主 要 影 响 参 数 分 析 及 优 化 89 图 7 适 应 度 随 遗 传 代 数 的 变 化 过 程 犉 犻 犵.7 犆 犺 犪 狀 犵 犲 狆 狉 狅 犮 犲 狊 狅 犳 犻 狋 狀 犲 狊 犪 犾 狅 狀 犵 狋 犺 犲 犵 犲 狀 犲 狋 犻 犮 犵 犲 狀 犲 狉 犪 狋 犻 狅 狀 慢 速 排 气 阶 段, 通 过 减 小 微 量 排 气 孔 的 孔 径, 增 大 排 气 阻 尼 系 数 来 达 到 上 述 要 求 因 此, 本 工 程 宜 选 用 两 级 关 闭 型 复 合 式 空 气 阀 3 4 空 气 阀 的 水 锤 防 护 效 果 预 测 图 8 图 9 分 别 为 采 用 犇 犖 200 两 级 关 闭 型 复 合 式 空 气 阀 泵 出 口 阀 按 上 述 优 化 程 序 两 阶 段 关 闭 条 件 下, 计 算 得 到 的 管 线 压 力 包 络 线 及 水 泵 特 征 量 变 图 9 设 空 气 阀 时 的 水 泵 特 征 量 变 化 过 程 犉 犻 犵.9 犆 犺 犪 狀 犵 犲 狆 狉 狅 犮 犲 狊 狅 犳 犮 犺 犪 狉 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狆 犪 狉 犿 犲 狋 狉 狊 狅 犳 狆 狌 犿 狆 狌 狀 犱 犲 狉 狋 犺 犲 犮 狅 狀 犱 犻 狋 狅 狀 狅 犳 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 化 过 程 从 图 8 可 以 看 出, 空 气 阀 的 设 置 改 善 了 管 线 中 的 水 柱 分 离 及 其 再 弥 合 现 象, 管 线 中 的 最 大 水 锤 压 力 降 低 至 110 60 犿, 满 足 泵 站 设 计 规 范 要 求 的 最 高 压 力 不 应 超 过 水 泵 出 口 额 定 压 力 的 1 3~1 5 倍 的 要 求 从 图 9 可 以 看 出, 由 于 泵 出 口 阀 的 关 闭, 水 泵 的 最 大 倒 转 转 速 为 额 定 转 速 的 1 15 倍, 倒 流 时 间 控 制 在 60 狊 以 内, 满 足 泵 站 设 计 规 范 的 要 求 4 结 束 语 对 空 气 阀 水 锤 防 护 的 主 要 影 响 参 数 及 其 优 化 方 法 进 行 了 研 究, 并 应 用 于 工 程 实 例 实 例 表 明, 由 于 图 8 设 空 气 阀 时 的 沿 管 线 压 力 包 络 线 犉 犻 犵.8 犈 狀 狏 犲 犾 狅 狆 犲 犮 狌 狉 狏 犲 狅 犳 狆 狉 犲 狊 狌 狉 犲 犪 犾 狅 狀 犵 狋 犺 犲 狆 犻 犲 犾 犲 狌 狀 犱 犲 狉 狋 犺 犲 犮 狅 狀 犱 犻 狋 狅 狀 狅 犳 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 空 气 阀 进 排 气 过 程 中 气 液 两 相 流 动 的 复 杂 性, 空 气 阀 流 动 模 拟 的 数 学 模 型 及 空 气 阀 结 构 的 优 化 仍 有 待 于 进 一 步 深 入 研 究 参 考 文 献 1 刘 梅 清, 孙 兰 凤, 周 龙 才, 等. 长 管 道 泵 系 统 中 空 气 阀 的 水 锤 防 护 特 性 模 拟 [ 犑 ]. 武 汉 大 学 学 报 : 工 学 版,2004,37(5):23~27. 犔 犻 狌 犕 犲 犻 狇 狀 犵, 犛 狌 狀 犔 犪 狀 犳 犲 狀 犵, 犣 犺 狅 狌 犔 狅 狀 犵 犮 犪 犻, 犲 狋 犪 犾. 犚 犲 狊 犪 狉 犮 犺 狅 狀 犮 犺 犪 狉 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊 狅 犳 狆 狉 狅 狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀 犪 犵 犪 狊 狋 狑 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犲 狉 狅 犳 犪 犻 狉 狏 犪 犾 狏 犲 犾 狅 狀 犵 狑 犪 狋 犲 狉 狊 狌 狆 犾 狔 狊 狔 狊 狋 犲 犿 狊 [ 犑 ]. 犈 狀 犵 犲 狉 犵 犑 狅 狌 狉 狀 犪 犾 狅 犳 犠 狌 犺 犪 狀 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,2004,37(5):23~27.( 犆 犺 犲 狊 ) 2 杨 开 林, 石 维 新. 南 水 北 调 北 京 段 输 水 系 统 水 力 瞬 变 的 控 制 [ 犑 ]. 水 利 学 报,2005,36(10):1176~1182. 犢 犪 狀 犵 犓 犪 犻 犾 狀, 犛 犺 犻 犠 犲 犻 狓 狀. 犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾 狅 犳 犺 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮 狋 狉 犪 狀 狊 犻 犲 狀 狋 狊 犅 犲 犻 犼 狀 犵 狊 犲 犮 狋 犻 狅 狀 狅 犳 狋 犺 犲 犿 犻 犱 犾 犲 狉 犲 狅 犳 犛 犺 狋 狅 犖 狅 狉 狋 犺 犠 犪 狋 犲 狉 犜 狉 犪 狀 狊 犳 犲 狉 犘 狉 狅 犼 犲 犮 狋 [ 犑 ]. 犑 狅 狌 狉 狀 犪 犾 狅 犳 犎 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮 犈 狀 犵 犲 狉 犵,2005,36(10):1176~1182.( 犆 犺 犲 狊 ) 3 刘 梅 清, 冯 卫 民, 刘 志 勇, 等. 江 西 省 九 江 市 第 三 水 厂 水 源 泵 站 水 锤 计 算 分 析 及 防 护 技 术 研 究 [ 犚 ]. 武 汉 : 武 汉 大 学, 2000. 犔 犻 狌 犕 犲 犻 狇 狀 犵, 犉 犲 狀 犵 犠 犲 犻 犿, 犔 犻 狌 犣 犺 犻 狔 狅 狀 犵, 犲 狋 犪 犾. 犚 犲 狊 犪 狉 犮 犺 狉 犲 狆 狅 狉 狋 狅 犳 狑 犪 狋 犲 狉 犺 犪 犿 犲 狉 犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 犪 狀 犱 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犿 犲 犪 狊 狌 狉 犲 狅 犳 狑 犪 狋 犲 狉 狊 狅 狌 狉 犮 犲 狊 狆 狌 犿 狆 犵 狊 狋 犪 犻 狅 狀 狅 犳 狋 犲 狉 狋 犻 犪 狉 狔 狑 犪 狋 犲 狉 狑 狅 狉 犽 狊 犑 犻 狌 犼 犻 犪 狀 犵 犮 犻 狋 狔 狅 犳 犑 犻 犪 狀 犵 狓 犻 犘 狉 狅 狏 犮 犲 [ 犚 ]. 犠 狌 犺 犪 狀 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,2000. ( 犆 犺 犲 狊 ) 4 刘 志 勇, 熊 晓 明, 王 晶, 等. 内 蒙 古 达 拉 特 电 厂 供 水 系 统 加 压 泵 站 输 水 管 线 爆 管 事 故 分 析 及 防 护 措 施 研 究 报 告 [ 犚 ]. 武 汉 : 武 汉 大 学,2005. 犔 犻 狌 犣 犺 犻 狔 狅 狀 犵, 犡 犻 狅 狀 犵 犡 犻 犪 狅 犿 犵, 犠 犪 狀 犵 犑 犵, 犲 狋 犪 犾. 犚 犲 狊 犪 狉 犮 犺 狉 犲 狆 狅 狉 狋 狅 犳 狆 犻 犲 犾 犲 犫 狌 狉 狊 狋 狉 犲 犪 狊 狅 狀 犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 犪 狀 犱 狆 狉 犲 狏 犲 狀 狋 犻 狅 狀 犿 犲 犪 狊 狌 狉 犲 狅 犳 狑 犪 狋 犲 狉 狊 狌 狆 犾 狔 狊 狔 狊 狋 犲 犿 犇 犪 犾 狋 犲 狆 狅 狑 犲 狉 狆 犾 犪 狀 狋 犐 狀 犲 狉 犕 狅 狀 犵 狅 犾 犻 犪 [ 犚 ]. 犠 狌 犺 犪 狀 : 犠 狌 犺 犪 狀 犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,2005.( 犆 犺 犲 狊 ) 5 犠 狔 犾 犻 犲 犈 犅, 犛 狋 狉 犲 狋 犲 狉 犞 犔, 犛 狌 狅 犔 犻 狊 犲 狀 犵. 犉 犾 狌 犻 犱 狋 狉 犪 狀 狊 犻 犲 狀 狋 狊 狔 狊 狋 犲 犿 狊 [ 犕 ]. 犈 狀 犵 犾 犲 狑 狅 犱 犆 犾 犻 犳 狊, 犖 犲 狑 犑 犲 狉 狊 犲 狔 : 犘 狉 犲 狀 狋 犻 犮 犲 犎 犪 犾,1993. 6 王 学 芳, 叶 宏 开, 汤 荣 铭, 等. 工 业 管 道 中 的 水 锤 [ 犕 ]. 北 京 : 科 学 出 版 社,1995. 7 犌 犅 / 犜 50265 97 泵 站 设 计 规 范 [ 犛 ]. 8 王 小 平, 曹 立 明. 遗 传 算 法 理 论 应 用 与 软 件 实 现 [ 犕 ]. 西 安 : 西 安 交 通 大 学 出 版 社,2002.