CN108733097B - 一种并联多排管供水管网水击压力控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并联多排管供水管网水击压力控制方法,解决现有水击压力控制方式为被动泄压方式时,存在介质溢出、调节阀门易损坏、管路流阻增加的问题以及采用增设调压室的方式时,工程造价较高,改造量大的问题,该方法包括:1)对并联多排管供水待测管网进行放水试验,确定待测管网的主管路的阻力系数及分支管路的阻力系数,确定额定压力下各阀门动作时间与对应分支管路内流速的关系;2)建立供水管网的水力模型;3)在建立的水力模型中,优化各阀门动作顺序;4)确定测管网各分支管路阀门动作的间隔时间△ti;5)确定各阀门动作时间δti;6)获得待测管网并联供水管网水击压力的控制方式。

Description

一种并联多排管供水管网水击压力控制方法
技术领域
本发明涉及管路压力控制领域,具体涉及一种并联多排管供水管网水击压力控制方法。
背景技术
管路是输送流体的关键部件,管路中的水击压力大小与流体速度的变化率有关,可分为直接水击压力和间接水击压力;现有的供水管路的水击压力控制方法主要包括以下几种:
一是通过优化闸门的关闭时间和关闭方式降低水击压力。例如:唐均、张洪明、王文全.长距离有压输水管道系统水锤分析[J].水电能源科学.2010.28(2):82-84,此种方式原理为通过调节单个阀门的动作时间及动作方式降低水击压力,但在实际工程中,由于执行机构能力的限制,该方法难以实现。
二是采用氮气式水击泄压阀泄放管路内水击压力,保证管内介质压力满足设计要求。例如:于京平、冯坤.水击泄压阀的应用及失效分析[J].油气储运.2016.35(2):173-175,该方法为一种被动的水击压力控制方法,多用于输油管等长输管路中,同时存在介质溢出、调节阀门易损坏、管路流阻增加等问题。
三是水电站在进行水击压力控制时,多采用增设调压室的方式。例如:董瑜、刘韩生、黄逸军.设置调压室水击过程的高精度数值模拟[J].水力发电学报.2015.34(3):170-175,此种方式由于调压室能够反射压力管道中的水击波,达到控制水击压力的目的,但这种方式造价较高,改造工程量大。
发明内容
本发明的目的是解决现有水击压力控制方式为被动泄压方式时,存在介质溢出、调节阀门易损坏、管路流阻增加的问题以及采用增设调压室的方式时,工程造价较高、改造量大的问题,提供一种并联多排管供水管网水击压力控制方法。
本发明的技术方案是:
一种并联多排管供水管网水击压力控制方法,包括以下步骤:
1)对并联多排管供水管网进行放水试验,确定待测管网的主管路阻力系数、分支管路阻力系数,确定额定压力下各阀门动作时间与对应分支管路内流速的关系;
1.1)确定待测管网的主管路阻力系数及分支管路阻力系数;
1.2)在待测管网的各分支管路上安装流量测量元件,关闭该分支管路阀门,记录阀门关闭的初始时间及完全关闭时间,获得各分支管路内介质流量与阀门关闭时间的对应关系,得到介质流速与阀门关闭时间的对应关系式;
2)建立供水管网的水力模型,水力模型包括模型主管路、多路并联的模型分支管路;
3)在建立的水力模型中,优化各阀门动作顺序;
4)通过步骤1.2)得到的介质流速与阀门关闭时间的对应关系式,利用特征线法计算待测管网各分支管路阀门关闭过程中,主管路内压力波衰减至管路设计压力以下的时间△Ti,取安全系数b,确定待测管网各分支管路阀门动作的间隔时间△ti=b△Ti;
5)通过步骤1.2)得到的介质流速与阀门关闭时间的对应关系式,利用特征线法计算阀门关闭过程中,对应待测管网分支管路内产生的间接水击压力,以间接水击压力小于管路设计压力为目标,确定各阀门动作时间δti;
6)依据步骤4)获得的△ti、步骤3)获得的阀门动作顺序、步骤5)获得的δti,得到待测管网并联供水管网水击压力的控制方式。
进一步地,步骤1.1)具体为放水试验时,打开待测管网主管路阀门及所有分支管路阀门,测量主管路进口压力P、出口压力P0及主管路内介质流速v0,分支管路出口压力P1及各分支管路内流速vn,利用式(1)确定主管路阻力系数λ0;利用式(2)确定分支管路阻力系数λn
对于主管路有:
Figure GDA0002818649350000031
对于分支管路有:
Figure GDA0002818649350000032
进一步地,步骤3具体为:设水力模型共有n路分支管路,则各分支管路在其阀门打开的情况下,总管内压力与流速的关系为:
Figure GDA0002818649350000033
推导得:
Figure GDA0002818649350000034
推导得:
Figure GDA0002818649350000035
式中:λ为管路总阻力系数;λ0为待测管网主管路阻力系数;λn为待测管网分支管路阻力系数;ρ为流体密度,kg/m3;v为流体速度,m/s;g为重力加速度,9.8m/s2;P为主管路进口压力,Pa;P1为分支管路出口压力,Pa;Δv为流体速度变化值,m/s;
比较单独关闭各路阀门前后,主管路内液体介质流速的变化率,当关闭第i路阀门时,主管路流速变化率△v/v最大,则将该阀门作为优先关闭的阀门;该阀门关闭后,再次比较剩余的n-1路阀门的关闭对主管路内液体介质流速变化率的影响程度,关闭对其影响最大一路阀门,依次类推,直至各分支管路内所有阀门均完全关闭,主管路流量为零,最终确定各阀门关闭顺序。
进一步地,步骤4)中的安全系数b=1.1-3。
进一步地,步骤4)中的安全系数b=1.5。
进一步地,步骤2)中,模型主管路包含的参数有:主管路直径、壁厚、长度、弹性模量、阻力系数、管入口标高、管入口压力、管出口标高、管出口压力;模型分支管路包含的参数有:各分支管路直径、壁厚、长度、弹性模量、阻力系数、管入口标高、管入口压力、管出口标高、管出口压力。
进一步地,步骤2)中利用flowmaster软件建立管网的水力特性模型。
本发明的优点为:
1.本发明无需改变管路的固有属性,不增加调压室等设备,减少了设备购置成本、维护成本。
2.本发明为一种主动的水击压力控制方式,不需要采用水击压力泄放装置进行被动泄压。
3.本发明主要通过优化控制手段,控制并联管网阀门组中各阀门的间接水击压力,保证该压力满足管路使用要求。
附图说明
图1为本发明方法流程图;
图2为本发明方法并联多排管供水管网结构示意图;
图3为本发明实施例试验台冷却水供应系统原理图;
图4为本发明实施例两种控制策略下的水击压力变化情况示意图;
图5为本发明介质流速与阀门关闭时间的对应关系示意图;
图6为本发明主管路内压力波的变化情况示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提出了一种应用于并联多排管供水管网水击压力控制方法,该方法根据各分支管路流阻特性,通过合理控制并联多排管各支路阀门的动作时间、动作间隔、动作顺序,达到降低供水管网在供水、断水时管路水击压力的目的;针对并联多排管流体介质供应系统,在不改变原有系统结构的基础上,利用优化控制策略,对管路内的水击压力进行控制,适用于并联多排管介质供应系统,各管路内的介质流速应基本一致(相差不超过1m/s);通过对并联多排管上供水阀门的合理控制,减小并联多排管供水管网主管路内介质的流速变化率,进而减少主管路内的水击压力。
本发明方法优化控制策略中的关键参数包括:
1.不同口径阀门的动作时序;
2.电动、气动阀门执行机构的动作时间;
3.各支路阀门的动作间隔时间。
如图1所示,一种并联多排管供水管网水击压力控制方法,包括以下步骤:
1)对并联多排管供水管网进行放水试验,确定待测管网的主管路阻力系数及分支管路阻力系数,确定额定压力下各阀门动作时间与对应分支管路内流速的关系;
1.1)确定待测管网的主管路的阻力系数及分支管路的阻力系数;
放水试验时,打开待测管网主管路阀门及所用分支管路阀门,测量主管路进口压力P、出口压力P0及主管路内介质流速v0,各分支管路出口压力P1及各分支管路内流速vn,利用式(1)确定主管路阻力系数λ0;利用式(2)确定分支管路阻力系数λn
对于主管路有:
Figure GDA0002818649350000051
对于分支管路有:
Figure GDA0002818649350000061
1.2)利用试验确定额定压力下各阀门动作时间与对应支管内流速的关系v=f(t);
试验时,在各分支管路上安装流量测量元件,关闭该分支管路阀门,记录阀门关闭的初始时间及完全关闭用时,获得各分支管路内介质流量与时间的对应关系,推导出介质流速与阀门关闭时间的对应关系,如图5所示;该曲线通过试验测量,当阀门进口压力不同时,其初始流速v0可能不同,但流速随时间的变化率相同;
2)建立供水管网的水力模型,其结构形式如图2所示,水力模型包括模型主管路、多路并联的模型分支管路;模型主管路包含的参数有:供水主管路直径、壁厚、长度、弹性模量、阻力系数、管入口标高、管入口压力、管出口标高、管出口压力;模型分支管路包含的参数有:各分支管路直径、壁厚、长度、弹性模量、阻力系数、管入口标高、管入口压力、管出口标高、管出口压力;
3)在建立的水力模型中,优化各阀门动作顺序;以主管路内介质流速变化率最小为控制目标,对各支路阀门动作顺序进行优化,其优化过程如下:
设水力模型共有n路分支管路,则各支管在其阀门打开的情况下,总管内压力与流速的关系为:
Figure GDA0002818649350000062
推导可得:
Figure GDA0002818649350000071
推导可得:
Figure GDA0002818649350000072
式中:λ为管路总阻力系数;λ0为待测管网主管路阻力系数;λn为待测管网分支管路阻力系数;ρ为流体密度,kg/m3;v为流体速度,m/s;g为重力加速度,9.8m/s2;P为主管路进口压力,Pa;P1为分支管路出口压力,Pa;Δv为流体速度变化值,m/s;
根据步骤1)的放水试验,可得到λ0至λn的大小,比较单独关闭各路阀门前后,主管路内液体介质流速的变化率,当关闭第i路阀门时,主管路流速变化率△v/v最大,则将该阀门作为优先关闭的阀门;该阀门关闭后,再次比较剩余的n-1路阀门的关闭对主管路内液体介质流速变化率的影响程度,关闭对其影响最大一路阀门,依次类推,直至各分支管路内所有阀门均完全关闭,主管路流量为零,最终确定各阀门关闭顺序;当关闭两阀门对主管路流速变化率的影响相同时,则可以任意关闭其中的一个阀门;
试验数据显示,优先关闭对主管路流速变化率影响较大的分支管路阀门时,由于其他分支管路阀门仍处于打开状态,所产生的水击压力衰减较快,对于水击压力的控制非常有利;
4)如图6所示,通过步骤1.2)得到的介质流速与阀门关闭时间的对应关系式,利用特征线法计算各支路阀门关闭过程中,主管路内压力波衰减至管路设计压力以下的时间△Ti,并取安全系数b=1.5,确定△ti=1.5△Ti,作为各阀门动作的间隔时间;
利用特征线法可计算出支路阀门关闭过程中,主管路内压力波的变化情况如图6所示,根据管路设计压力的大小,可以利用反向推导的方式,推导出压力波衰减至管路设计压力以下的时间△Ti;
5)通过步骤1.2)得到的介质流速与阀门关闭时间的对应关系式,利用特征线法计算阀门关闭过程中,对应分支管路内产生的间接水击压力,以间接水击压力小于管路设计压力为目标,确定各阀门动作时间δti;
6)依据试验及计算获得的阀门动作顺序及△ti、δti,获得待测管网并联供水管网水击压力的控制方式。
本发明借助特征线法,利用flowmaster软件建立管网的水力特性模型,然后进行放液试验,对模型中各参数进行修正,计算水击压力的表达式,并拟合出各系数,结合现有供水系统的实际情况对其进行寻优,确定控制策略及步骤;计算有效的阀门间隔时间,控制最终阀门关闭的时间大小,以此来控制水击压力。
某冷却水供水系统的原理图如图3所示,该系统在原有阀门控制策略下,存在切断冷却水供应时,系统内水击压力过高的问题,采用本发明给出的水击压力控制方法,优化阀门L3、L4的控制策略,有效减少了切断冷却水供应时的水击压力。
如图4所示,可以发现两种不同的阀门控制策略下管路内的水击压力变化情况完全不同,利用本发明给出的阀门控制方法后,可以得到大口径阀门L4优先关闭,阀门动作时间5s,阀门动作间隔时间6s时,系统内的水击压力大小满足管路设计压力要求。

Claims (7)

1.一种并联多排管供水管网水击压力控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)对并联多排管供水管网进行放水试验,确定待测管网的主管路阻力系数、分支管路阻力系数;确定额定压力下各阀门动作时间与对应分支管路内流速的关系;
1.1)确定待测管网的主管路阻力系数及分支管路阻力系数;
1.2)在待测管网的各分支管路上安装流量测量元件,关闭该分支管路阀门,记录阀门关闭的初始时间及完全关闭时间,获得各分支管路内介质流量与阀门关闭时间的对应关系,得到介质流速与阀门关闭时间的对应关系式;
2)建立供水管网的水力模型,水力模型包括模型主管路、多路并联的模型分支管路;
3)在建立的水力模型中,优化各阀门动作顺序;
4)通过步骤1.2)得到的介质流速与阀门关闭时间的对应关系式,利用特征线法计算待测管网各分支管路阀门关闭过程中,主管路内压力波衰减至管路设计压力以下的时间△Ti,取安全系数b,确定待测管网各分支管路阀门动作的间隔时间△ti=b△Ti;
5)通过步骤1.2)得到的介质流速与阀门关闭时间的对应关系式,利用特征线法计算阀门关闭过程中,对应待测管网分支管路内产生的间接水击压力,以间接水击压力小于管路设计压力为目标,确定各阀门动作时间δti;
6)依据步骤4)的△ti、步骤3)的阀门动作顺序、步骤5)的δti,获得待测管网并联供水管网水击压力的控制方式。
2.根据权利要求1所述的并联多排管供水管网水击压力控制方法,其特征在于,步骤1.1)具体为:
放水试验时,打开待测管网主管路阀门及所有分支管路阀门,测量主管路进口压力P、出口压力P0及主管路内介质流速v0,分支管路出口压力P1及各分支管路内流速vn,利用式(1)确定主管路阻力系数λ0;利用式(2)确定分支管路阻力系数λn
对于主管路有:
Figure FDA0002818649340000021
对于分支管路有:
Figure FDA0002818649340000022
3.根据权利要求1或2所述的并联多排管供水管网水击压力控制方法,其特征在于,步骤3)具体为:
设水力模型共有n路分支管路,则各分支管路在其阀门打开时,管内压力与流速的关系为:
Figure FDA0002818649340000023
推导得:
Figure FDA0002818649340000024
推导得:
Figure FDA0002818649340000025
式中:λ为管路总阻力系数;λ0为待测管网主管路阻力系数;λn为待测管网分支管路阻力系数;ρ为流体密度,kg/m3;v为流体速度,m/s;g为重力加速度,9.8m/s2;P为主管路进口压力,Pa;P1为分支管路出口压力,Pa;Δv为流体速度变化值,m/s;
比较单独关闭各路阀门前后,主管路内液体介质流速的变化率,当关闭第i路阀门时,主管路流速变化率△v/v最大,则将该阀门作为优先关闭的阀门;该阀门关闭后,再次比较剩余的n-1路阀门的关闭对主管路内液体介质流速变化率的影响,关闭对其影响最大一路阀门,依次类推,直至各分支管路内所有阀门均完全关闭,主管路流量为零,最终确定各阀门关闭顺序。
4.根据权利要求3所述的并联多排管供水管网水击压力控制方法,其特征在于:步骤4)中的安全系数b=1.1-3。
5.根据权利要求4所述的并联多排管供水管网水击压力控制方法,其特征在于:步骤4)中的安全系数b=1.5。
6.根据权利要求5所述的并联多排管供水管网水击压力控制方法,其特征在于:步骤2)中模型主管路包含的参数有:主管路直径、壁厚、长度、弹性模量、阻力系数、管入口标高、管入口压力、管出口标高、管出口压力;模型分支管路包含的参数有:各分支管路直径、壁厚、长度、弹性模量、阻力系数、管入口标高、管入口压力、管出口标高、管出口压力。
7.根据权利要求6所述的并联多排管供水管网水击压力控制方法,其特征在于:步骤2)中利用flowmaster软件建立管网的水力特性模型。
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