叢 華, 胡際萬(wàn), 江鵬程, 馮輔周
(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系, 北京 100072)
當(dāng)壓力管道中的流體因某些原因而導(dǎo)致流速的急劇變化時(shí),在流體的慣性作用下,流體內(nèi)部壓力產(chǎn)生迅速交替升降,這種交替升降的壓力作用在管壁、閥門(mén)或其他管路元件上猶如錘擊,這種現(xiàn)象稱為水錘效應(yīng)或流體瞬變過(guò)程[1]。通常情況下水錘壓力可達(dá)到正常運(yùn)行值的數(shù)倍甚至更高,輕者導(dǎo)致管道震動(dòng),重者引起管道爆裂,造成重大經(jīng)濟(jì)損失和事故。美國(guó)土星V液氧加注系統(tǒng)[2]曾發(fā)生過(guò)水錘事故,俄羅斯也曾因嚴(yán)重水擊而發(fā)生管路、閥門(mén)損壞的事故[3]。
我國(guó)某靶場(chǎng)加注系統(tǒng)在燃料加注過(guò)程中,由于泵和閥門(mén)的頻繁開(kāi)關(guān)或者閥門(mén)的控制不當(dāng),導(dǎo)致加注系統(tǒng)發(fā)生水擊,并造成管道法蘭連接處漏液,對(duì)系統(tǒng)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。為解決上述問(wèn)題,筆者將引入一維流體仿真軟件Flowmaster對(duì)該加注管道進(jìn)行仿真建模,重點(diǎn)分析比較各閥門(mén)的不同控制方案對(duì)管道水錘特性的影響,從而得到最優(yōu)的控制方案,這將對(duì)確保加注系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
就本質(zhì)而言,水錘就是管道瞬變流動(dòng)中的一種壓力波,其產(chǎn)生是由于管道中某一截面內(nèi)的流速發(fā)生突然改變,從而使該處的壓力產(chǎn)生一個(gè)突然的躍升或下跌,這個(gè)壓力的瞬變波就稱為水錘[4-5]。
燃料加注系統(tǒng)在上塔前后2個(gè)狀態(tài)切換過(guò)程中會(huì)發(fā)生水錘效應(yīng),在此過(guò)程中125閥開(kāi)啟、124閥關(guān)閉和134閥關(guān)閉的時(shí)機(jī)會(huì)導(dǎo)致水錘現(xiàn)象的發(fā)生,如圖1所示。因此,需要通過(guò)對(duì)水錘效應(yīng)發(fā)生階段進(jìn)行建模,模擬仿真液體流動(dòng)狀態(tài),以消除水錘效應(yīng)。
圖1 水錘效應(yīng)發(fā)生流程
加注過(guò)程的系統(tǒng)模型的建立是利用Flowmaster軟件完成的。該軟件多用于分析一維流體管路系統(tǒng),適合對(duì)流體管路系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。考慮到加注系統(tǒng)的復(fù)雜性和Flowmaster計(jì)算條件的限制,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到其加注原理的簡(jiǎn)化模型,如圖2所示。介質(zhì)上塔前,134分流閥和124回流閥為開(kāi)啟狀態(tài),125閥為關(guān)閉狀態(tài),此時(shí)管路中液體為回流狀態(tài);介質(zhì)上塔后,134分流閥和124回流閥為關(guān)閉狀態(tài),125閥為開(kāi)啟狀態(tài),此時(shí)為加注狀態(tài)。泵后形成的壓力和管路中的壓力共同作用于125閥附近管路,發(fā)生水錘效應(yīng)。
圖2 加注系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型
準(zhǔn)確計(jì)算波速對(duì)瞬態(tài)水力特性的計(jì)算非常重要,這是因?yàn)橄到y(tǒng)中壓力變化值與波速成正比,波的反射和疊加時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的瞬態(tài)特性具有重要影響。管路中壓力波傳播速度a為[6-7]
式中:ρ為液體密度;k為液體體積模量;d為管道內(nèi)徑;t為管道厚度;E為管道材料的楊氏模量;Φ為管道抑制因子。
在水錘瞬態(tài)特性計(jì)算中,時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算量、計(jì)算精確度以及計(jì)算結(jié)果的收斂性都有較大影響,合理給定時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)水錘計(jì)算至關(guān)重要。而時(shí)間步長(zhǎng)與管道波速和管路中所有彈性管段的長(zhǎng)度有關(guān),因此在建模過(guò)程中,除了計(jì)算管道波速外,還需要根據(jù)各彈性管道的長(zhǎng)度及其對(duì)管道網(wǎng)格數(shù)的限定來(lái)確定仿真的時(shí)間步長(zhǎng)。時(shí)間步長(zhǎng)Δt和彈性管道網(wǎng)格數(shù)S的關(guān)系為[8]
式中:L為管道長(zhǎng)度。其中要求網(wǎng)格數(shù)S必須在N±2,其中N為大于3的整數(shù)。為了保證系統(tǒng)中所有的彈性管道網(wǎng)格數(shù)均符合要求,經(jīng)計(jì)算設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s。
依據(jù)上述簡(jiǎn)化的管路系統(tǒng),在Flowmaster中直接構(gòu)建模型,如圖3所示[9-10]。圖中元件24、25、34為控制器,分別控制124、125、134閥的開(kāi)度。該仿真模型中除了閥門(mén)100(即DT1)為閘閥以外,其他均為球閥。Flowmaster中包含有各種閥門(mén)的內(nèi)徑-阻力系數(shù)曲線和阻力系數(shù)-開(kāi)度曲線,可供建模選擇參考。根據(jù)實(shí)際的工程需求,選擇相應(yīng)開(kāi)度曲線的閥門(mén),完成仿真參數(shù)的設(shè)定。
圖3 加注系統(tǒng)仿真模型
已知球閥關(guān)閉和開(kāi)啟的特征時(shí)間在1 s左右,因此假定125閥由全開(kāi)到全關(guān)和124、134閥門(mén)由全關(guān)到全開(kāi)均為1 s。燃料加注系統(tǒng)在上塔前后2個(gè)狀態(tài)切換過(guò)程中的開(kāi)關(guān)閥控制方案為:首先開(kāi)啟125閥,自其開(kāi)始開(kāi)啟瞬間經(jīng)過(guò)1 s后開(kāi)始關(guān)124閥,同時(shí)待125閥完全開(kāi)啟后開(kāi)始關(guān)134閥。由于閥門(mén)特征時(shí)間為1 s,所以124閥和134閥被認(rèn)為是同時(shí)關(guān)閉的。其開(kāi)關(guān)閥曲線如圖4所示。
圖4 目前閥門(mén)的啟閉時(shí)間
依據(jù)此開(kāi)關(guān)閥控制方案,計(jì)算得到的管路瞬態(tài)壓力波動(dòng)如圖5所示??梢钥闯?此時(shí)管路中發(fā)生較為嚴(yán)重的水錘效應(yīng),管路中瞬時(shí)壓力峰值達(dá)到穩(wěn)定壓力的3~4倍。顯然,如此大的壓力峰值對(duì)管路的安全運(yùn)行構(gòu)成了很大的威脅,因此需要通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)開(kāi)關(guān)閥控制方案進(jìn)行調(diào)整,以保證管路系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
圖5 管路動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)
由于閥門(mén)同時(shí)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的壓力波會(huì)相互疊加,因此要盡量避免125、124、134閥的同時(shí)動(dòng)作。這樣就有2種不同的開(kāi)關(guān)閥控制方案:方案1,先開(kāi)125閥,經(jīng)過(guò)1 s后至完全開(kāi)啟,然后再關(guān)閉124閥,經(jīng)過(guò)1 s后至完全關(guān)閉,最后再關(guān)閉134閥;方案2,先開(kāi)125閥,經(jīng)過(guò)1 s后至完全開(kāi)啟,然后再關(guān)閉134閥,經(jīng)過(guò)1 s后至完全關(guān)閉,最后再關(guān)閉124閥。這2種方案的關(guān)閥曲線分別如圖6、7所示。
圖6 方案1中閥門(mén)的啟閉時(shí)間
圖7 方案2中閥門(mén)的啟閉時(shí)間
依據(jù)這2種開(kāi)關(guān)閥控制方案和目前開(kāi)關(guān)閥控制方案,對(duì)計(jì)算得到的管路瞬態(tài)壓力波動(dòng)進(jìn)行比較,如圖8所示。顯然方案1較好,可以使壓力峰值由之前的3~4倍降到2倍左右;而方案2雖然避免了閥門(mén)的同時(shí)動(dòng)作,但是壓力峰值并沒(méi)有減小。
仿真得出上述結(jié)果,其原因是:134閥和124閥分別控制2條回流管路,在回流工況時(shí),計(jì)算結(jié)果顯示通過(guò)124閥控制的支路流量大于134閥控制的支路流量,也就是說(shuō)124閥控制的支路總的阻力小于134閥控制的支路。二級(jí)加注管路由于管路較長(zhǎng),而其高度落差較大,所以二級(jí)加注管路阻力最大。由此可見(jiàn):125閥開(kāi)啟-134關(guān)閉時(shí)124閥的回流量大于125閥開(kāi)啟-124關(guān)閉時(shí)通過(guò)134閥的回流量,在關(guān)閉最后一個(gè)閥時(shí),回流量大的壓力峰值達(dá)到最大。
圖8 3種方案的壓力波動(dòng)的比較
由以上分析可知:在關(guān)閉2條回流支路的閥門(mén)時(shí),要先關(guān)閉回流量較大的支路閥門(mén),然后再關(guān)閉回流量較小的閥門(mén)。由于124閥控制的支路流量大于134閥控制的支路流量,因此開(kāi)啟125閥后,先關(guān)閉124,再關(guān)134是最合理的關(guān)閥順序。由圖8可以看出:壓力峰值出現(xiàn)在134閥關(guān)閉時(shí)刻,即壓力峰值與134閥關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān),因此調(diào)整134閥為可控閥,以改善水錘效應(yīng)。
圖9反映的是134閥第2 s時(shí)開(kāi)始關(guān)閉,關(guān)閉特征時(shí)間分別為1、2、3、4 s時(shí),管路中瞬態(tài)壓力曲線。由圖9可見(jiàn):134閥關(guān)閉特征時(shí)間為4 s,即經(jīng)過(guò)6 s完全關(guān)閉時(shí),壓力峰值最小,且壓力變化很平緩。計(jì)算還發(fā)現(xiàn):再增加134閥關(guān)閉特征時(shí)間時(shí),其壓力峰值變化已經(jīng)不大。因此,最優(yōu)的134閥關(guān)閉特征時(shí)間為4 s。從而得到這個(gè)過(guò)程最優(yōu)的開(kāi)關(guān)閥方案為:將134閥改為可控閥,125閥開(kāi)啟(歷時(shí)1 s后)—124閥關(guān)閉(歷時(shí)1 s后)—134閥關(guān)閉(歷時(shí)4 s)。
圖9 閥134關(guān)閉特征時(shí)間對(duì)瞬態(tài)壓力影響
針對(duì)加注系統(tǒng)加注級(jí)間轉(zhuǎn)換過(guò)程中由于閥門(mén)操作不當(dāng)而出現(xiàn)的水錘效應(yīng)問(wèn)題,筆者建立了加注系統(tǒng)的Flowmaster數(shù)學(xué)模型,對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬、仿真分析,仿真結(jié)果表明:改變各閥門(mén)的開(kāi)閉順序及開(kāi)閉歷時(shí)可以有效地降低管道中的壓力峰值,避免因發(fā)生水錘效應(yīng)而導(dǎo)致的加注事故。然而筆者在計(jì)算過(guò)程中,加注系統(tǒng)的基本參數(shù)采用了軟件系統(tǒng)的默認(rèn)設(shè)置,雖然不會(huì)影響對(duì)控制過(guò)程的定性分析結(jié)果,但是要對(duì)加注系統(tǒng)提出更精確的控制方案,就需要進(jìn)一步對(duì)整個(gè)加注系統(tǒng)的各個(gè)組件參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。
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