低扬程大型泵站过渡过程特性研究

论文摘要

低扬程大型泵站主要用于提水排涝、灌溉工程及国家战略性调水工程中。21世纪,解决水资源问题是世界诸多国家头等重要的大事。就我国而言,一方面北方缺水是多年以来急切需要解决的突出问题;另一方面,南方特别是华东、中南各省（市）在雨季及时排涝也是关系到国民经济发展和人民生命财产安全的大事。如何使低扬程大型泵站安全、可靠地运行,掌握其起动和停机时的过渡过程特性是非常必要的。本文主要以带虹吸式出水流道的大型低扬程泵站为对象研究泵站的起动过渡过程特性。针对虹吸式出水流道分析机组起动开始到水流越过驼峰为止过渡过程的水动力特性。假设流道属刚性管系,不计水体压缩性,推导出了起动任意时刻泵扬程和力矩表达式。假设流道内气体未达虹吸驼峰顶处真空破坏阀排气压力前的起动过渡过程处于绝热压缩状态,运用能量方程结合动量方程和刚性水击理论,计算分析出了流道中的气体压力在起动过渡过程中的变化规律。运用前人提出的电动机起动过程中瞬态端电压的近似计算公式,首次提出起动过程计及电动机定子端电压变化影响的电磁力矩的近似实用表达式。在分析各力矩表达式的基础上,联合泵装置水动力特性和空气动力特性的表达式首次建立起表达泵系统起动动态特性数学模型。针对数学模型的具体形式,寻求求解的具体数值方法,并进行编程求解,揭示出大型低扬程泵站起动过渡过程的特性。在大型低扬程泵站中,当水力装置水头较低,管道较短时,发生水击的相数很高,无需考虑系统弹性的影响。因此在基于能量特性的低扬程大型泵站停泵过渡过程特性研究中,利用刚性水锤理论分析了大型低扬程泵站停泵过渡过程中泵机组动力特性、泵装置水动力特性及流体动力学有压非恒定管流运动特性等,推导出了低扬程泵装置停泵过渡过程力矩平衡方程,分别建立了停泵动态过程（正转正流、正转逆流、逆转逆流）中泵及泵装置诸工作参数随时间变化的数学模型。为适应工程实际的需要,针对大型低扬程泵站过渡过程的具体特点,把一维管流刚性水击基本方程与水泵全特性曲线苏特变换方程结合起来,对事故停泵时泵处的边界条件方程进行改进,首次提出大型低扬程泵站停泵过渡过程简易计算方法的数学模型,揭示了大型低扬程泵站停泵过渡过程中各种重要参数诸如转速、流量、扬程、转矩等随时间变化关系。在推导过程中首次提出了利用苏特全特性曲线求停泵过渡过程中水泵流量-扬程曲线的方法,建立了停泵过渡过程简易计算的力矩平衡方程式,利用水泵全特性曲线的矩形域最小二乘曲面拟合的数学模型和停泵动态特性计算联合求解的方法。本文所提出的停泵过渡过程理论解决了以往对低扬程大型泵站停泵过渡过程无法求解的难点,对泵站的合理设计和安全可靠运行具有重要的理论意义和实用价值。论文还结合淮阴一站、淮阴二站、樊口泵站和花兰窖泵站具体工程资料对本文所提出的起动和停泵过程几种计算模型的正确性进行了验证。实例验证表明,本文所建数学模型是正确的,可供泵站工程研究、设计、运行应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 大型低扬程泵及泵站的特性和作用
• 1.2 国内外大型调水工程简介
• 1.3 本文研究背景和国内外研究概况
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 电动机起动暂态过程特性研究
• 2.1 大泵机组对电动机起动特性要求
• 2.2 电动机电磁力矩
• 2.2.1 异步电动机功率传递
• 2.2.2 电磁力矩
• 2.2.3 起动过程计及定子端电压变化影响的电磁力矩表达式
• 第三章 大型低扬程泵站起动动态特性研究
• 3.1 泵机组特性
• 3.1.1 惯性力矩
• 3.1.2 水泵特性
• 3.2 流道中空气动力特性
• 3.3 泵装置合阻力矩
• 3.4 泵效率公式表达
• 3.5 泵系统起动动态特性数学模型
• 第四章 大型低扬程泵站停泵动态特性研究
• 4.1 停泵正转正流过渡过程理论分析
• 4.1.1 泵机组惯性方程
• 4.1.2 泵装置水力特性
• 4.1.3 停泵正转正流数学模型建立及求解
• 4.2 停泵正转逆流过渡过程理论分析和数学表达
• 4.2.1 泵与流道水力特性
• 4.2.2 停泵正转逆流数学模型建立及求解
• 4.3 停泵逆转逆流过渡过程理论分析和数学表达
• 4.3.1 泵与流道水力特性
• 4.3.2 停泵飞逸特性
• 4.3.3 停泵逆转逆流数学模型建立及求解
• 第五章 大型低扬程泵站停泵动态特性简易计算法
• 5.1 转速变动的力矩平衡方程式
• 5.2 水头平衡方程式
• 5.3 水泵全性能曲线的计算机仿真
• 5.4 数学模型建立及求解
• 第六章 数学模型验证
• 6.1 起动过渡过程数学模型验证
• 6.1.1 算例1
• 6.1.2 算例2
• 6.2 停泵过渡过程数学模型验证
• 6.2.1 算例1
• 6.2.2 算例2
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间取得的科研成果和发表的论文
• 致谢