低揚(yáng)程泵站側(cè)翻式拍門(mén)返水關(guān)閉計(jì)算分析及技術(shù)研究

鄒凱寧

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230088)

我國(guó)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(yáng)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(mén)，拍門(mén)在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)拍門(mén)能夠迅速靠水流自行沖開(kāi)。但當(dāng)部分或全部機(jī)組事故停泵過(guò)程中，水流在重力作用會(huì)開(kāi)始倒流，促使拍門(mén)快速關(guān)閉，產(chǎn)生劇烈的水錘壓力。

近些年側(cè)翻拍門(mén)推廣應(yīng)用的較快[2- 6]，側(cè)翻拍門(mén)關(guān)閉過(guò)程其實(shí)較為復(fù)雜，不僅受到自身重力，還受到水阻力、門(mén)前擾流等多重因素影響。本文針對(duì)受擾流影響的停機(jī)，分析停機(jī)斷電后側(cè)翻拍門(mén)撞擊的過(guò)程，基于Hammer水錘計(jì)算軟件對(duì)拍門(mén)返水首次關(guān)閉進(jìn)行仿真計(jì)算，分析比較關(guān)閉瞬間拍門(mén)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(jì)人員和泵站管理提供參考。

1 撞擊分析

泵站的停機(jī)過(guò)程停泵水錘過(guò)程包括水泵工況、制動(dòng)工況和水輪機(jī)工況。水泵在斷電后進(jìn)入制動(dòng)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(kāi)始倒流，隨即拍門(mén)關(guān)閉，此時(shí)水泵進(jìn)入水輪機(jī)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(mén)和門(mén)座縫隙進(jìn)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(shí)際泵站拍門(mén)還可能受到門(mén)前擾流影響[7]，拍門(mén)在倒流初期并未及時(shí)關(guān)閉，甚至開(kāi)門(mén)角度并未變小。隨著反向水流速度加大，拍門(mén)突然加速關(guān)閉，產(chǎn)生的很大撞擊力，影響拍門(mén)座、出水管路和主機(jī)組的安全，

2 軟件介紹

Hammer是Bentley公司開(kāi)發(fā)的水錘計(jì)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(dòng)量方程，用于分析復(fù)雜的系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另一穩(wěn)態(tài)的瞬間變化，能夠解決泵站的過(guò)渡過(guò)程分析問(wèn)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(jìn)水，直管、拍門(mén)出水，機(jī)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(wú)緩沖側(cè)翻式拍門(mén)。該站規(guī)劃水位參數(shù)見(jiàn)表1，具體布置如圖1所示。水泵及電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表2—3。

3.2 模擬條件設(shè)定

側(cè)翻式拍門(mén)在關(guān)閉時(shí)其重力相對(duì)于動(dòng)水壓力要小得多[8- 9]，拍門(mén)的關(guān)閉主要來(lái)自水力條件影響。本次計(jì)算模擬泵站在單機(jī)組運(yùn)行停機(jī)下拍門(mén)返水關(guān)閉首次拍門(mén)的正、背面壓力。由于機(jī)組受到水流影響而延時(shí)關(guān)閉，首先計(jì)算水流理想條件和延時(shí)條件停泵拍門(mén)的關(guān)閉，具體時(shí)間-關(guān)閉度設(shè)置見(jiàn)表4。應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是停機(jī)后拍門(mén)的返水關(guān)閉無(wú)法達(dá)到100%完全關(guān)閉。因?yàn)閭?cè)翻類型拍門(mén)適用于壓力較低的情況，當(dāng)內(nèi)外過(guò)大的壓力條件下，拍門(mén)密封是自身會(huì)產(chǎn)生漏氣。

圖1 機(jī)組剖面安裝布置圖

設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)水池出水池特征水位/m最高水位14.616最高運(yùn)行水位14.116設(shè)計(jì)水位12.014.5最低運(yùn)行水位11.013.6特征揚(yáng)程/m最高凈揚(yáng)程5.0設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.5最低凈揚(yáng)程0設(shè)計(jì)流量/(m3/s)14.2

表2 水泵運(yùn)行特征曲線參數(shù)

表3 電機(jī)主要參數(shù)

通過(guò)增設(shè)緩沖裝置、通氣孔等防護(hù)措施，提出降低關(guān)閉撞擊的建議。計(jì)算采用最高凈揚(yáng)程，即進(jìn)水池最低水位11.0m、出水池最高水位16.0m。計(jì)算設(shè)置在5.0s機(jī)組開(kāi)始關(guān)機(jī)，7.2s機(jī)組開(kāi)始出現(xiàn)返水，拍門(mén)在此時(shí)進(jìn)行關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間為1s，而延時(shí)為拍門(mén)全開(kāi)延時(shí)1s，主要設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 拍門(mén)的關(guān)閉控制參數(shù)

4 模擬及優(yōu)化

4.1 擾流延時(shí)影響

假定出水拍門(mén)由于擾流的影響，無(wú)任何防護(hù)措施的條件下，拍門(mén)關(guān)閉起始時(shí)間延時(shí)1s后，對(duì)停機(jī)25s內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2—3。

圖2 理想條件和延時(shí)條件拍門(mén)正面水力坡度隨時(shí)間變化圖

圖3 理想條件和延時(shí)條件拍門(mén)背面水力坡度隨時(shí)間變化圖

計(jì)算結(jié)果顯示受擾流條件影響的拍門(mén)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(dòng)流影響，側(cè)翻拍門(mén)在關(guān)閉的正面壓力明顯增強(qiáng)，背面負(fù)壓真空值進(jìn)一步增大，此情況下拍門(mén)關(guān)閉的撞擊力明顯增強(qiáng)，危害性也更大。

4.2 緩沖裝置

由于單一的小拍門(mén)無(wú)法直接模擬，計(jì)算對(duì)拍門(mén)整體7.2s時(shí)的采用不同的關(guān)閉程時(shí)間，擬定5個(gè)方案，依次為拍1、5、10、15、20s的關(guān)閉時(shí)間，設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 拍門(mén)的開(kāi)啟控制參數(shù)

圖4 不同緩沖時(shí)間的拍門(mén)正、背面極限水力坡度

從計(jì)算結(jié)果可以看到，擾流延時(shí)條件下，隨著拍門(mén)關(guān)閉時(shí)間的增長(zhǎng)，拍門(mén)正面壓力逐漸減少，背面真空值逐漸變小，拍門(mén)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(jī)返水拍門(mén)的沖擊。建議拍門(mén)關(guān)閉時(shí)間在15s以上。

4.3 通氣管

模擬計(jì)算對(duì)理想條件和延時(shí)條件分別進(jìn)行模擬，通氣管采用5個(gè)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(jiàn)表6，計(jì)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(mén)正、背面水力坡度

圖6 擾流延時(shí)影響設(shè)置通氣管拍門(mén)正、背面水力坡度

從計(jì)算結(jié)果顯示，理想停機(jī)情況下隨著通氣管的增大，拍門(mén)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(mén)關(guān)閉正、背面的壓力差由30.7m逐漸減少至16.9m。計(jì)算顯示，通氣管的截面積較小時(shí)對(duì)拍門(mén)防護(hù)作用甚小，只有達(dá)到一定的截面積才能達(dá)到降低拍門(mén)正背面壓力、減小撞擊的作用。側(cè)翻式門(mén)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(duì)于延時(shí)工況配置300mm通氣管和15s關(guān)閉緩沖裝置，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 設(shè)置通氣管、緩沖裝置后拍門(mén)正、背面水力坡度

受到擾流影響的情況下，拍門(mén)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(mén)在采取一定的措施后防護(hù)效果比較顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

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

(2)緩沖裝置能夠有效減少側(cè)翻拍門(mén)停機(jī)過(guò)程的返水作用，降低拍門(mén)撞擊。但現(xiàn)實(shí)只有外徑大于1800mm拍門(mén)才設(shè)此類型裝置，建議在中小型拍門(mén)推廣應(yīng)用。

(3)側(cè)翻式拍門(mén)增設(shè)通氣孔的能夠有效降低拍門(mén)關(guān)閉時(shí)正背面壓力，減輕拍門(mén)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。