鄒凱寧

(安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230088)

我國南方大部分地區(qū)江河縱橫、湖泊遍布，汛期需要排水，遇旱需要灌溉，興建了大量低揚程泵站[1]。在多泵并聯(lián)出水管道帶壓力水箱的泵站中，為防止事故停泵后水流倒泄，一般在壓力水箱連接的出水管口裝有拍門，拍門在機組啟動時拍門能夠迅速靠水流自行沖開。但當(dāng)部分或全部機組事故停泵過程中，水流在重力作用會開始倒流，促使拍門快速關(guān)閉，產(chǎn)生劇烈的水錘壓力。

近些年側(cè)翻拍門推廣應(yīng)用的較快[2- 6]，側(cè)翻拍門關(guān)閉過程其實較為復(fù)雜，不僅受到自身重力，還受到水阻力、門前擾流等多重因素影響。本文針對受擾流影響的停機，分析停機斷電后側(cè)翻拍門撞擊的過程，基于Hammer水錘計算軟件對拍門返水首次關(guān)閉進行仿真計算，分析比較關(guān)閉瞬間拍門的正反面壓力值，提出降低關(guān)閉撞擊的結(jié)論和建議，為設(shè)計人員和泵站管理提供參考。

1 撞擊分析

泵站的停機過程停泵水錘過程包括水泵工況、制動工況和水輪機工況。水泵在斷電后進入制動工況，壓力逐漸降低。此后，水體在重力作用下克服葉輪倒轉(zhuǎn)阻力開始倒流，隨即拍門關(guān)閉，此時水泵進入水輪機工況。管內(nèi)壓力迅速降低并出現(xiàn)負(fù)壓，空氣和水的混合物在大氣壓力作用下從活門和門座縫隙進人管道。水泵端的水在大氣壓力和水泵倒轉(zhuǎn)阻力作用下倒流速度迅速減小，倒流速度復(fù)又加大，幾經(jīng)反復(fù)，直至管內(nèi)充滿空氣為止。實際泵站拍門還可能受到門前擾流影響[7]，拍門在倒流初期并未及時關(guān)閉，甚至開門角度并未變小。隨著反向水流速度加大，拍門突然加速關(guān)閉，產(chǎn)生的很大撞擊力，影響拍門座、出水管路和主機組的安全，

2 軟件介紹

Hammer是Bentley公司開發(fā)的水錘計算軟件，該軟件是基于特征線法求解非穩(wěn)態(tài)條件下求解連續(xù)性方程及動量方程，用于分析復(fù)雜的系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)過渡到另一穩(wěn)態(tài)的瞬間變化，能夠解決泵站的過渡過程分析問題。

3 基本設(shè)置

3.1 泵站情況

本次模擬以安徽某立式軸流站為例，泵站采用1400ZLB5- 5型立式軸流泵。采用喇叭口進水，直管、拍門出水，機組3根出水管并聯(lián)匯入壓力水箱排至外河。該站出水采用無緩沖側(cè)翻式拍門。該站規(guī)劃水位參數(shù)見表1，具體布置如圖1所示。水泵及電機參數(shù)見表2—3。

3.2 模擬條件設(shè)定

側(cè)翻式拍門在關(guān)閉時其重力相對于動水壓力要小得多[8- 9]，拍門的關(guān)閉主要來自水力條件影響。本次計算模擬泵站在單機組運行停機下拍門返水關(guān)閉首次拍門的正、背面壓力。由于機組受到水流影響而延時關(guān)閉，首先計算水流理想條件和延時條件停泵拍門的關(guān)閉，具體時間-關(guān)閉度設(shè)置見表4。應(yīng)當(dāng)說明的是停機后拍門的返水關(guān)閉無法達到100%完全關(guān)閉。因為側(cè)翻類型拍門適用于壓力較低的情況，當(dāng)內(nèi)外過大的壓力條件下，拍門密封是自身會產(chǎn)生漏氣。

圖1 機組剖面安裝布置圖

設(shè)計參數(shù)進水池出水池特征水位/m最高水位14.616最高運行水位14.116設(shè)計水位12.014.5最低運行水位11.013.6特征揚程/m最高凈揚程5.0設(shè)計凈揚程2.5最低凈揚程0設(shè)計流量/(m3/s)14.2

表2 水泵運行特征曲線參數(shù)

表3 電機主要參數(shù)

通過增設(shè)緩沖裝置、通氣孔等防護措施，提出降低關(guān)閉撞擊的建議。計算采用最高凈揚程，即進水池最低水位11.0m、出水池最高水位16.0m。計算設(shè)置在5.0s機組開始關(guān)機，7.2s機組開始出現(xiàn)返水，拍門在此時進行關(guān)閉，關(guān)閉時間為1s，而延時為拍門全開延時1s，主要設(shè)置見表4。

表4 拍門的關(guān)閉控制參數(shù)

4 模擬及優(yōu)化

4.1 擾流延時影響

假定出水拍門由于擾流的影響，無任何防護措施的條件下，拍門關(guān)閉起始時間延時1s后，對停機25s內(nèi)進行計算，計算結(jié)果如圖2—3。

圖2 理想條件和延時條件拍門正面水力坡度隨時間變化圖

圖3 理想條件和延時條件拍門背面水力坡度隨時間變化圖

計算結(jié)果顯示受擾流條件影響的拍門正面水力坡度由21.0m增加到33.0m，背面8.0m降低到2.5m，正、背面壓差值由13m增加到30.5m，增加到原壓力2.5倍。由于受水流擾動流影響，側(cè)翻拍門在關(guān)閉的正面壓力明顯增強，背面負(fù)壓真空值進一步增大，此情況下拍門關(guān)閉的撞擊力明顯增強，危害性也更大。

4.2 緩沖裝置

由于單一的小拍門無法直接模擬，計算對拍門整體7.2s時的采用不同的關(guān)閉程時間，擬定5個方案，依次為拍1、5、10、15、20s的關(guān)閉時間，設(shè)置參數(shù)見表5。

表5 拍門的開啟控制參數(shù)

圖4 不同緩沖時間的拍門正、背面極限水力坡度

從計算結(jié)果可以看到，擾流延時條件下，隨著拍門關(guān)閉時間的增長，拍門正面壓力逐漸減少，背面真空值逐漸變小，拍門正、背面壓力值由30.7m減少到4.9m。增加緩沖裝置可以有效降低停機返水拍門的沖擊。建議拍門關(guān)閉時間在15s以上。

4.3 通氣管

模擬計算對理想條件和延時條件分別進行模擬，通氣管采用5個方案，分別為不設(shè)通氣管(直徑為0)、設(shè)100、200、300、400mm通氣管，見表6，計算結(jié)果如圖5—6所示。

表6 通氣管設(shè)置參數(shù)

圖5 理想情況設(shè)置通氣管拍門正、背面水力坡度

圖6 擾流延時影響設(shè)置通氣管拍門正、背面水力坡度

從計算結(jié)果顯示，理想停機情況下隨著通氣管的增大，拍門關(guān)閉正、背面的壓力差由13.7m逐漸減少至5.5m。受到擾流影響的情況下，拍門關(guān)閉正、背面的壓力差由30.7m逐漸減少至16.9m。計算顯示，通氣管的截面積較小時對拍門防護作用甚小，只有達到一定的截面積才能達到降低拍門正背面壓力、減小撞擊的作用。側(cè)翻式門前通氣孔面積建議選擇系數(shù)0.03及以上。

4.4 組合方案

對于延時工況配置300mm通氣管和15s關(guān)閉緩沖裝置，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 設(shè)置通氣管、緩沖裝置后拍門正、背面水力坡度

受到擾流影響的情況下，拍門關(guān)閉水力坡度線正、背面值分別為20.1m、8.8m，內(nèi)外壓差為11.3m。拍門在采取一定的措施后防護效果比較顯著。

5 結(jié)語

(1)側(cè)翻式拍門出口應(yīng)盡量優(yōu)化出水水力條件，避免停機關(guān)閉后受到擾流影響，危害拍門及泵站安全。

(2)緩沖裝置能夠有效減少側(cè)翻拍門停機過程的返水作用，降低拍門撞擊。但現(xiàn)實只有外徑大于1800mm拍門才設(shè)此類型裝置，建議在中小型拍門推廣應(yīng)用。

(3)側(cè)翻式拍門增設(shè)通氣孔的能夠有效降低拍門關(guān)閉時正背面壓力，減輕拍門的撞擊，但應(yīng)設(shè)置足夠大的通氣孔，建議選擇系數(shù)0.03及以上。