西河泵站工程出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

付愛華

(1.南昌大學(xué)，江西 南昌 330031；(2.中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400)

進(jìn)、出水流道是低揚(yáng)程泵裝置的重要組成部分[1]。重要的大型泵站宜對(duì)泵裝置進(jìn)行三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算分析，并應(yīng)進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)證[2]。流道的水力性能對(duì)泵站的影響舉足輕重,其水力設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞不僅影響泵裝置效率,而且影響泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。陸林廣、湯方平等專家學(xué)者在泵裝置CFD水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究并取得了豐碩的成果，為我國泵裝置水力性能的提高和泵站技術(shù)的進(jìn)步做出了巨大的貢獻(xiàn)[4-9]。

為保證西河泵站工程泵裝置穩(wěn)定、可靠和高效運(yùn)行，在泵站進(jìn)、出水流道設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)所選泵型、工程經(jīng)驗(yàn)初擬進(jìn)、出水流道型式和尺寸，然后采用三維流動(dòng)數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)泵站進(jìn)、出水流道尺寸進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。在該工程的初步設(shè)計(jì)階段，建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位和揚(yáng)州大學(xué)進(jìn)行了進(jìn)、出水流道和泵裝置CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算研究工作，取得了較好的效果。本文介紹西河泵站工程雙向豎井貫流泵裝置出水流道(排澇時(shí)為出水流道，引水時(shí)為進(jìn)水流道，下同)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

西河泵站工程位于廣東省中山市中順大圍西干堤岐江河西出口的西河水閘西側(cè)，外臨西江磨刀門水道。工程的主要任務(wù)是排澇、防洪(潮)，兼顧反向應(yīng)急補(bǔ)水。泵站排澇設(shè)計(jì)流量400m3/s、引水設(shè)計(jì)流量145m3/s、泵站總裝機(jī)容量18400kW，工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型，屬特大流量特低揚(yáng)程泵站。泵站采用8臺(tái)前置豎井貫流泵裝置(其中4臺(tái)為單向泵、4臺(tái)為雙向泵)，單泵設(shè)計(jì)排澇流量為50.00m3/s、單泵設(shè)計(jì)引水流量為36.25m3/s，水泵葉輪直徑為3.90m，進(jìn)、出水流道均采用直管式流道[10]。泵站特征水位和凈揚(yáng)程見表1。西河泵站屬于特低揚(yáng)程泵站，為實(shí)現(xiàn)泵裝置的高效運(yùn)行，必須對(duì)流道進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表1 西河泵站特征水位和凈揚(yáng)程 單位：m

2 可研初擬的出水流道型式及其尺寸

設(shè)計(jì)單位在可研階段根據(jù)工程的特征參數(shù)以及已建類似泵站的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)工程類比和初步分析，初擬泵站的出水流道采用直管式流道，流道出口斷面至水泵葉輪中心的長度為26.50m，其中流道總長(導(dǎo)葉體出口到流道出口，含閘門段，下同)為23.873m，流道出口斷面的寬度和高度分別為10.00m和5.50m，流道內(nèi)不設(shè)中隔墩，流道平面擴(kuò)散角16.94°、當(dāng)量擴(kuò)散角11.77°，設(shè)計(jì)排澇流量50.00m3/s時(shí)流道出口斷面平均流速0.909m/s、設(shè)計(jì)引水流量36.25m3/s時(shí)流道進(jìn)口斷面平均流速0.659m/s?？裳谐鯏M的泵站出水流道單線圖見圖1。

圖1 可研初擬的出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

3 出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 水力優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)西河泵站出水流道進(jìn)行水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，以水頭損失為檢驗(yàn)指標(biāo)，要求達(dá)到以下目標(biāo)：?流道型線變化盡可能均勻，流道內(nèi)的水流轉(zhuǎn)向有序、擴(kuò)散平緩，以盡可能避免流道內(nèi)產(chǎn)生渦流及其他不良流態(tài)；?盡可能多地回收水流的動(dòng)能，最大限度地減少流道水頭損失；?流道控制尺寸取值合理，滿足水力設(shè)計(jì)允許的工程控制參數(shù)要求。同時(shí)，由于排澇工況的出水流道亦為引水工況的進(jìn)水流道，此時(shí)，還要求達(dá)到以下目標(biāo)：?流道內(nèi)水流收縮均勻，無渦流及其他不良流態(tài)；?流道出口斷面的流速分布盡可能均勻、水流方向盡可能垂直于出口斷面[11]。

3.2 水力優(yōu)化設(shè)計(jì)控制方程與計(jì)算軟件

出水流道內(nèi)的三維湍流流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算用連續(xù)方程和 Navier-Stokes方程進(jìn)行描述；考慮到湍流流動(dòng)的脈動(dòng)特性，采用時(shí)均法把湍流運(yùn)動(dòng)看作是時(shí)間平均流動(dòng)和瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)的疊加；為了使方程組封閉，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，引入反映湍動(dòng)能的k方程和反映湍動(dòng)能耗散率的ε方程。

隨著近年來計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，許多用于求解三維雷諾平均N-S方程和多種湍流模型方程組的專用軟件應(yīng)運(yùn)而生。本次對(duì)西河泵站工程出水流道三維湍流流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算采用的是目前國際上應(yīng)用廣泛的Fluent軟件，此軟件已被大量地用于模擬泵裝置進(jìn)、出水流道和水泵內(nèi)部的流動(dòng)，進(jìn)行泵裝置的性能預(yù)測(cè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及計(jì)算成果

流道優(yōu)化設(shè)計(jì)先按可研階段初擬的流道型線(編號(hào)為SC1)進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算，然后在該方案的基礎(chǔ)上對(duì)出水流道進(jìn)行型線優(yōu)化，提出優(yōu)化方案SC2～SC4，具體如下：

a.SC2方案。在SC1方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下調(diào)整：?對(duì)導(dǎo)葉體出口與混凝土流道之間的連接段進(jìn)行調(diào)整；?將出水流道斷面圓變方段的長度由 14.68m減短為8.80m，以增大流道斷面面積，同時(shí)便于施工。

b.SC3方案。在SC2方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下調(diào)整：?將出水流道頂板的仰角由3.12°調(diào)整為5.19°；?對(duì)出水流道型線進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

c.SC4方案。在SC3方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行以下調(diào)整：?出水流道出口斷面至水泵葉輪中心的長度由26.50m減短為25.50m；?在出水流道出口閘門段增設(shè)長度為9.55m、厚度為1.20m的中隔墩；?出水流道出口斷面寬度由10.00m增加至10.70m。

SC2～SC4方案的流道單線圖見圖2～圖4。

圖2 SC2方案出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

圖3 SC3方案出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

圖4 SC4方案出水流道單線圖(尺寸單位：mm，高程單位：m)

根據(jù)以上方案，采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，各方案計(jì)算結(jié)果匯總見表2，SC3、SC4方案流場(chǎng)見圖5～圖8。

表2 出水流道水力優(yōu)化計(jì)算結(jié)果匯總

圖5 SC3Z方案出水流道流場(chǎng)圖

3.4 水力優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析

由表2可以看出：可研階段初擬的出水流道(SC1方案)正、反向的水頭損失較??；反向運(yùn)行時(shí)流道內(nèi)流速分布較均勻、水流方向基本垂直流道出口斷面。出水流道優(yōu)化后，SC3方案較SC1方案和SC2方案水力條件總體有所改善，但效果不太明顯；在正向運(yùn)行工況時(shí)，水頭損失減小0.002m，減小率為1.96%；在反向運(yùn)行工況時(shí)，水頭損失減小0.0012m，減小率為1.95%。由圖5和圖6可以看出：SC3方案正向排澇工況受流道進(jìn)口環(huán)量的影響，水流呈螺旋狀進(jìn)入出水流道；出水流道內(nèi)水流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從流道進(jìn)口一直持續(xù)到流道出口，在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下流暢地完成擴(kuò)散過程；水流在整個(gè)流道內(nèi)的擴(kuò)散均勻平緩，在旋轉(zhuǎn)水流所具有的離心力作用下，流道斷面四周的流速大于中心的流速，流道內(nèi)未出現(xiàn)明顯的水流脫壁或旋渦等不良流態(tài)；SC3方案反向引水工況流道內(nèi)的流速由進(jìn)口至出口逐漸增大，整個(gè)進(jìn)水流道內(nèi)的水流收縮平緩、流速分布均勻、流線層次分明，無任何不良流態(tài)。說明可研階段擬定的出水流道方案基本合理。

圖6 SC3F方案進(jìn)水流道流場(chǎng)圖

由表2還可以看出：SC4方案較SC3方案和SC1方案水力條件稍差，但差距不大；在正向運(yùn)行工況時(shí)，水頭損失增加分別為0.0127m和0.0147m；在反向運(yùn)行工況時(shí)，水頭損失增加分別為0.0062m和0.0074m。由圖7和圖8可以看出：SC4方案正向排澇工況流道內(nèi)增設(shè)中隔墩后，在中隔墩附近雖存在小范圍低速區(qū)，但水流總體擴(kuò)散平緩，流道內(nèi)無不良旋渦；SC4方案反向引水工況進(jìn)水流道的水流收縮均勻，流道出口流速分布均勻，水流方向基本垂直于流道出口斷面。說明SC4方案從水力條件上講不如SC3方案和SC1方案，但其水頭損失和水力性能相差不大，流道水力性能仍屬優(yōu)異。

圖7 SC4Z方案出水流道流場(chǎng)圖

圖8 SC4F方案進(jìn)水流道流場(chǎng)圖

3.5 出水流道最終設(shè)計(jì)方案選擇

眾所周知，泵站進(jìn)、出水流道設(shè)計(jì)不但要考慮流道的水力性能，還要結(jié)合泵型、泵站運(yùn)行年利用小時(shí)數(shù)、泵房布置等因素經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

西河泵站是排澇泵站，兼顧反向應(yīng)急補(bǔ)水功能，與供水泵站和調(diào)水泵站相比，其年利用小時(shí)數(shù)很低。根據(jù)中山市類似泵站的運(yùn)行情況預(yù)測(cè)，其單泵年排澇開機(jī)在200h左右，雙向泵單泵年反向引水開機(jī)預(yù)計(jì)在400h以內(nèi)。以SC3方案為基準(zhǔn)，SC4方案因水力性能差距在項(xiàng)目全生命周期(50年)的增量電費(fèi)估算結(jié)果見表3。

表3 SC4方案增量電費(fèi)估算結(jié)果

由表3可見：若采用SC4方案的出水流道，比采用SC3方案預(yù)計(jì)在泵站全生命周期增加運(yùn)行電費(fèi)僅為31.72萬元。

由圖3和圖4可知：若采用SC4方案，泵房順?biāo)鞣较蜷L度將比SC3方案減短1.00m，有利于節(jié)省泵房鋼筋混凝土工程量。出水流道內(nèi)增設(shè)中隔墩后，為保持流道的凈寬，流道邊墻會(huì)隨之減??；與此同時(shí)，因出水流道底、頂板垂直水流方向跨度減小，也可適當(dāng)減薄出水流道底、頂板厚度，這都將減小泵房鋼筋混凝土工程量。另外，出水流道內(nèi)增設(shè)中隔墩，不但可減小泵站出水流道閘門跨度和工程量，而且還因出水流道的閘門變窄可采用單吊點(diǎn)啟閉機(jī)啟閉，也將有利于節(jié)約工程投資，還可提高閘門運(yùn)行的安全可靠性。

出水流道若采用SC4方案，與SC3方案相比，其工程造價(jià)降低額估算見表4。

表4 SC4方案降低工程造價(jià)估算

由表4可見：若采用SC4方案的出水流道,比采用SC3方案預(yù)計(jì)可降低工程造價(jià)1068.75萬元，從項(xiàng)目全生命周期的總投資來看，若采用SC4方案可節(jié)約成本1037萬元。

因此，綜合考慮流道水力性能、泵型、泵站運(yùn)行年利用小時(shí)數(shù)、泵房布置等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，西河泵站工程雙向豎井貫流泵裝置出水流道最終推薦采用SC4方案，即：采用直管式出水流道，流道出口斷面至水泵葉輪中心的長度為25.50m(其中出水流道總長為22.873m)，流道出口斷面的寬度和高度分別為10.70m和5.50m，流道設(shè)1.20m厚的中隔墩，流道平面擴(kuò)散角19.65°、當(dāng)量擴(kuò)散角11.75°，設(shè)計(jì)排澇流量50.00m3/s時(shí)出口斷面平均流速0.957m/s、設(shè)計(jì)引水流量36.25m3/s時(shí)進(jìn)口斷面平均流速0.694m/s。

4 結(jié) 語

a.在對(duì)西河泵站雙向豎井貫流泵裝置出水流道水力優(yōu)化分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合考慮流道水力性能、泵型、泵站運(yùn)行年利用小時(shí)數(shù)、泵房布置等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，推薦采用的西河泵站工程出水流道SC4方案水力性能優(yōu)異、項(xiàng)目全生命周期投資最省。

b.由于現(xiàn)行《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定出水流道當(dāng)量擴(kuò)散角宜取8°～12°，而推薦的西河泵站出水流道方案當(dāng)量擴(kuò)散角為11.75°，已接近規(guī)范推薦值的上限，雖經(jīng)CFD計(jì)算后所推薦的出水流道水頭損失仍較小，但因規(guī)范所限，未采用進(jìn)一步縮短出水流道的方案。建議以全生命周期的投資最省的原則，得出可能的更經(jīng)濟(jì)方案，為今后類似泵站的流道設(shè)計(jì)提供參考。

c.出水流道擴(kuò)散角對(duì)流道出水流態(tài)和水力性能的影響很大,是大型低揚(yáng)程泵站出水流道三維型體水力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一?，F(xiàn)行《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》以當(dāng)量擴(kuò)散角作為出水流道主要水力控制指標(biāo)，當(dāng)量擴(kuò)散角法實(shí)際上是將出水流道三維問題簡(jiǎn)化為二維問題來計(jì)算,完全不能反映流道中隔墩的影響，在很大程度上也不能反映流道內(nèi)水流的實(shí)際情況,更不能滿足現(xiàn)代大型低揚(yáng)程泵站建設(shè)的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求。隨著CFD理論和技術(shù)水平的不斷進(jìn)步,現(xiàn)已完全具備了采用三維計(jì)算方法對(duì)流道進(jìn)行水力優(yōu)化設(shè)計(jì)的條件。建議在現(xiàn)行《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》修編時(shí)，對(duì)大中型泵站應(yīng)要求進(jìn)行流道CFD水力計(jì)算，以水頭損失作為流道水力性能主要考核指標(biāo)；對(duì)供水、調(diào)水泵站以當(dāng)量擴(kuò)散角和平面擴(kuò)散角作為流道水力設(shè)計(jì)參考指標(biāo)，對(duì)排澇泵站可不考核流道擴(kuò)散角。