低揚(yáng)程泵站過渡過程計(jì)算及通氣管設(shè)置研究

鄒凱寧

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司 合肥 230088）

1 概述

一般低揚(yáng)程泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程7m 以下，常用作低洼地區(qū)的排澇泵站或距離較短的輸水泵站。此類型泵站在安徽、江蘇等地?cái)?shù)量眾多，雖然凈揚(yáng)程較低，但停機(jī)后仍會(huì)產(chǎn)生劇烈撞擊，甚至發(fā)生拍門、混凝土震碎震裂、外河倒灌的事故。由于實(shí)際機(jī)組停機(jī)后條件十分復(fù)雜，停機(jī)后箱涵還受到水流擾動(dòng)、空氣腔等因素影響。低揚(yáng)程泵站出于開機(jī)排氣的需要，匯水箱常會(huì)設(shè)有口徑較大的通氣管。通氣管是一種進(jìn)、出口等徑的特殊空氣閥，產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是不容忽視的。本文以不同長度的箱涵模擬仿真水泵事故斷電瞬變工況，研究不同口徑通氣管對泵站停機(jī)產(chǎn)生的影響，為工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供參考。

2 計(jì)算軟件與原理

2.1 計(jì)算軟件

傳統(tǒng)的圖解法簡便直觀易于掌握，但受到計(jì)算手段和假設(shè)條件的限制，計(jì)算精度不高。目前算法上有特征線法、有限元法、波特征法等，其中特征線法計(jì)算精度高，特別是非常容易實(shí)現(xiàn)電算，從而成為水錘計(jì)算最普遍的方法。本文采用Bentley 公司的HAMMER 對泵站停機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.2 基本方程

對有壓管道而言，不論在何種情況下都應(yīng)滿足水流的運(yùn)動(dòng)方程及連續(xù)方程：

將管道材料及水體當(dāng)作彈性體考慮，其連續(xù)方程為：

式中：H—壓力水頭；

V—管道中的流速，向下游為正；

a—水擊波傳播速度；

f—水流摩擦阻力系數(shù)；

D—管道直徑；

x—距離，其正方向與流速取為一致；

t—時(shí)間。

水擊計(jì)算的特征線法，特征線方法就是選擇兩個(gè)不同的實(shí)數(shù)特征值λ，當(dāng)特征值λ 分別取正值和負(fù)值時(shí)，得到兩組方程，分別用C+和C-來命名，即：

2.3 空氣閥

空氣閥的進(jìn)排氣過程十分復(fù)雜，涉及氣液兩相流問題，是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程。目前空氣閥在數(shù)值模擬上使用Wylie 和Streeter 等人提出的數(shù)學(xué)模型。空氣流過空氣閥的質(zhì)量流量取決于管外絕對溫度Ta、大氣的絕對壓力pa、以及管內(nèi)的絕對溫度T 和絕對壓力p，空氣可以分為如下幾種情況：

2.3.1 以亞音速流進(jìn)

式中：Ma—空氣質(zhì)量流量；

Cin—空氣閥進(jìn)氣時(shí)的流量系數(shù)；

Ain—空氣閥進(jìn)氣時(shí)的流通面積；

ρa(bǔ)—大氣密度；

R—?dú)怏w常數(shù)。

2.3.2 以臨界流速流進(jìn)

2.3.3 以亞音速流速流出

式中：Cout—空氣閥排氣時(shí)的流量系數(shù)；

Aout—空氣閥排氣時(shí)閥的流通面積。

2.3.4 以臨界流速流出

2.4 波速計(jì)算

目前HAMMER 執(zhí)行瞬變分析，具有校正的彈性模型公式，考慮使用管線的彈性，具體如下：

式中：

E—管材的楊氏彈性模量；

Ev—材料的體積彈性模量；

φ—與管道的支撐特性和泊松比相關(guān)的系數(shù)。

該公式適用于薄壁管（D/e ＞60），修正如下：

（1）當(dāng)管道固定無軸向運(yùn)動(dòng)：φ= 1-μ2，μ為泊松比；

（2）當(dāng)各管道之間全部用膨脹節(jié)鏈接：φ= 1；

2 工程應(yīng)用

2.1 基本概況

安徽地區(qū)規(guī)劃建設(shè)的某中型泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.7m，設(shè)計(jì)流量為17m3/s。設(shè)計(jì)選型采用3 臺(tái)立式軸流泵，配置3 臺(tái)500kW 高壓異步電機(jī)。機(jī)組采用喇叭口進(jìn)水，經(jīng)過伸縮節(jié)、直管、混凝土段和拍門出水。3 臺(tái)機(jī)組出水管經(jīng)匯水箱后進(jìn)入壓力箱涵，站后出水采用壓力箱涵輸水的型式。箱涵采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)型式，雙孔斷面尺寸均為3.0m×2.5m（寬×高）。

2.2 泵站計(jì)算參數(shù)

機(jī)組基本參數(shù)見表1、表2。

表1 機(jī)組運(yùn)行特征參數(shù)表

表2 水泵運(yùn)行參數(shù)表

2.3 模型建立

首先模擬在匯水箱涵段內(nèi)不設(shè)置通氣管或任何真空破壞裝置的情形，泵站輸水的壓力箱涵的長度分別取100m、300m、1000m，匯總模擬條件如表3所示。

表3 模型條件表

2.4 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算模擬3 臺(tái)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行5s 后，突然3 臺(tái)機(jī)組突然斷電，受水流回水影響，拍門在回水后5s關(guān)閉，各100m、300m、1000m 箱涵三個(gè)條件的壓力包絡(luò)線見圖1、圖2、圖3。經(jīng)水力模擬后可得圖中4條曲線：①代表管道/箱涵水錘最大水力坡度線；②代表管道/箱涵穩(wěn)態(tài)時(shí)水力坡度線；③代表管道/箱涵高程；④代表管道/箱涵水錘最低水力坡度線。

圖1 100m 輸水箱涵壓力包絡(luò)線圖

圖2 300m 輸水箱涵壓力包絡(luò)線圖

圖3 1000m 輸水箱涵壓力包絡(luò)線圖

計(jì)算結(jié)果顯示100m 以內(nèi)的箱涵壓力波動(dòng)范圍較小。隨著箱涵長度的增加計(jì)算的最大壓力值逐漸增加，且條件二、條件三的最低真空性均達(dá)到-10m。從圖4 可以看到，匯水箱內(nèi)不設(shè)置任何真空破壞裝置會(huì)在停機(jī)后形成真空，繼而引起水柱分離及彌合水錘，產(chǎn)生過高的壓力和過低的真空對泵站造成不利的影響。

圖4 1000m 輸水箱涵拍門外側(cè)壓力變化線圖

3 通氣管模擬

3.1 模型設(shè)置

計(jì)算模型在每臺(tái)機(jī)組拍門后設(shè)置1 根200mm 的通氣管（下簡稱方案一）。作為對比同時(shí)模擬拍門后設(shè)置1 臺(tái)200mm 防水錘型空氣閥（下簡稱方案二）。

3.2 條件一模擬

100m 箱涵的泵站增設(shè)通氣管、增設(shè)防水錘型空氣閥停機(jī)后的模擬結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 增設(shè)通氣管后輸水箱涵包絡(luò)線圖

圖6 增設(shè)防水錘型空氣閥后輸水箱涵壓力包絡(luò)線圖

與之前對比發(fā)現(xiàn)，方案二在輸水箱涵上設(shè)置的防水錘型空氣閥，由于吸入口徑較大、排出口氣量較小，避免水柱分離及彌合水錘，因此能有效降低波動(dòng)。方案一使用通氣管沒有產(chǎn)生過高的壓力值，但最低真空值為-5.5m，能基本滿足管道和箱涵的負(fù)壓的要求。

為進(jìn)一步探究通氣管的影響，將通氣管的管徑增大至300mm、400mm，計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 通氣管增大至300mm箱涵壓力包絡(luò)線圖

圖8 通氣管增大至400mm箱涵壓力包絡(luò)線圖

結(jié)果顯示，在100m 箱涵設(shè)置的增加的通氣管，對箱涵整體最大正壓力幾乎沒有影響，但最低真空值降至-8m、-8.5m，所以設(shè)計(jì)上應(yīng)謹(jǐn)慎使用過大的通氣管。

3.3 條件二模擬

300m 箱涵的泵站通過方案一、方案二停機(jī)后的模擬結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 增設(shè)通氣管后包絡(luò)線圖

圖10 增設(shè)防水錘型空氣閥后壓力包絡(luò)線圖

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)輸水長度300m 箱涵配置通氣管，停機(jī)后產(chǎn)生了較大壓力值和真空值。顯然通氣管的設(shè)置影響未能有效的保護(hù)箱涵，停機(jī)后形成了斷流彌合水錘。而方案二防水錘型空氣閥能效降低壓力波動(dòng)。

為進(jìn)一步探究通氣管的影響，降低通氣管直徑為100mm，壓力包絡(luò)線見圖11。結(jié)果顯示該條件下能降低水錘正壓力，但無法有效消除真空。

圖11 調(diào)整通氣管后300m輸水箱管包絡(luò)線圖

3.4 條件三模擬

1000m 箱涵的泵站通過方案一、方案二停機(jī)后計(jì)算模擬結(jié)果見圖12、圖13。

圖12 增設(shè)防水錘型空氣閥后1000m 輸水箱管包絡(luò)線圖

圖13 增設(shè)通氣管后1000m輸水箱管包絡(luò)線圖

由圖14 可以看到，使用防水錘型空氣閥依舊有效。而設(shè)置通氣管進(jìn)一步加劇了壓力波動(dòng)。由于通氣管的出氣口徑過大，箱涵在斷電后趨于穩(wěn)定一段時(shí)間后會(huì)在某時(shí)間突然大量吸入空氣后排出空氣，形成斷流彌合水錘。與條件二模擬相比，這種彌合又具有很大的突然性，壓力值更高，危害性也更大。

圖14 1000m 輸水箱涵拍門外側(cè)壓力變化線圖

4 結(jié)論

（1）通氣管對出口距離短的泵站影響較小，但對于中長距離箱涵或調(diào)水工程影響較大。設(shè)計(jì)使用要十分小心，因?yàn)橥夤懿⒉痪邆湎拗婆艢獾哪芰?，很可能產(chǎn)生斷流彌合水錘。

（2）箱涵泵站停機(jī)后產(chǎn)生的壓力波動(dòng)規(guī)律是不同的，較長距離箱涵產(chǎn)生的斷流彌合水錘更具有突發(fā)性。

（3）箱涵上設(shè)置防水錘型空氣閥是有效的水錘防護(hù)措施。由于該類型空氣閥吸入口徑較大、排出口徑較小，因此可以避免停機(jī)后產(chǎn)生的真空彌合或斷流彌合的發(fā)生，能有效降低停機(jī)后的壓力波動(dòng)。

泵站的斷流方式除了拍門以外，還有閥門、快速門等方式，它們的關(guān)閉規(guī)律、關(guān)閉時(shí)長與拍門有所不同，因此還需要進(jìn)一步研究■