泵站流量衰減問題分析與進(jìn)水系統(tǒng)改造

白綿綿 肖若富 黨照 姚志峰 馮虎虎

：為解決某抽黃灌區(qū)樞紐泵站機(jī)組流量大幅衰減問題，采用計(jì)算流體動力學(xué)（ＣＦＤ）方法對其衰減原因進(jìn)行分析，提出進(jìn)水系統(tǒng)改造方案，并對改造前后的進(jìn)水系統(tǒng)流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬對比。結(jié)果表明：改造前，在箱涵進(jìn)口產(chǎn)生明顯吸入渦，大量氣體和雜質(zhì)經(jīng)箱涵高速進(jìn)入吸水池后，造成池內(nèi)水流上下翻滾，導(dǎo)致水泵吸水性能極差，運(yùn)行一段時(shí)間后流量迅速衰減；改造后，進(jìn)水系統(tǒng)流態(tài)得到有效改善，進(jìn)水池低速區(qū)變小，吸水池水流上下翻滾現(xiàn)象消失，水泵吸水性能提升較大，機(jī)組流量衰減現(xiàn)象得到明顯改善。通過實(shí)測改造前后泵站的運(yùn)行流量，驗(yàn)證了ＣＦＤ 用于泵站內(nèi)部流場模擬的可靠性；在后續(xù)對原有工程進(jìn)行改造時(shí)，可先采用ＣＦＤ 對原始系統(tǒng)進(jìn)行流場模擬，有針對性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。該泵站流道改造前后效果驗(yàn)證，進(jìn)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量保持各進(jìn)水建筑物壓力流或明流相同。

關(guān)鍵詞：進(jìn)水流道；吸水池；流量衰減；表面吸入渦

中圖分類號： ＴＶ２２２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．１０．０２３

引用格式：白綿綿，肖若富，黨照，等．泵站流量衰減問題分析與進(jìn)水系統(tǒng)改造［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（１０）：１２６－１３０．

０ 引言

我國大型灌區(qū)多建于２０ 世紀(jì)六七十年代［１］ ，受當(dāng)時(shí)條件限制，進(jìn)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)在很大程度上依賴規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，造成水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)吸水性能差、效率較低［２－３］ 。某大型抽黃灌區(qū)多座泵站就存在嚴(yán)重的流量衰減問題，即機(jī)組剛開機(jī)時(shí)各項(xiàng)參數(shù)正常，但運(yùn)行一段時(shí)間后（幾天甚至幾小時(shí)），水泵流量逐漸減小，配套電機(jī)電流隨之逐漸降低，之后穩(wěn)定在某個(gè)遠(yuǎn)小于開機(jī)流量值運(yùn)行，無法滿足灌溉高峰期用水要求，對灌區(qū)效益和社會穩(wěn)定造成一定影響［２］ 。

經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，引起流量衰減的原因?yàn)椋海保?進(jìn)氣。當(dāng)雙吸泵吸程為正時(shí)，進(jìn)氣在啟動很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，且不太可能通過關(guān)機(jī)重啟而消失。２）表面旋渦。表面旋渦與進(jìn)水池、吸水池、進(jìn)水管道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通常伴有明顯的振動和壓力脈動。３）汽蝕。汽蝕一般發(fā)生在機(jī)組選型或泵站設(shè)計(jì)不合理時(shí)，伴有異常高頻聲音，產(chǎn)生大量堵塞流道的氣泡，外觀常見明顯破壞。４）流道堵塞。流道堵塞分為管道堵塞和水泵堵塞兩類，前者流量衰減前后的工作點(diǎn)都在水泵特性曲線上，停機(jī)重啟不易恢復(fù)；后者流量衰減前后的工作點(diǎn)不在水泵特性曲線上，通過關(guān)機(jī)重啟可恢復(fù)。５）其他不確定的原因。

經(jīng)反復(fù)觀察，該抽黃灌區(qū)多座泵站機(jī)組出現(xiàn)流量衰減后，關(guān)機(jī)重啟就可恢復(fù)正常運(yùn)行流量，排除進(jìn)氣因素；葉輪運(yùn)行２０ 多ａ 無明顯磨損和汽蝕破壞，排除汽蝕因素；吸水池、流道等無堵塞雜物，排除流道堵塞因素；進(jìn)水池和吸水池內(nèi)旋渦、回流及翻滾現(xiàn)象嚴(yán)重，初步懷疑表面旋渦等進(jìn)水流場紊亂是引起該灌區(qū)機(jī)組流量衰減的主要原因。

表面旋渦分為自由表面旋渦和次表面旋渦兩種。表面吸入渦是自由表面旋渦６ 個(gè)階段中的最強(qiáng)階段［４－５］ ，旋渦從吸水池自由水面一直延伸到進(jìn)水喇叭口，形成連續(xù)的空氣吸入渦，夾帶大量氣體進(jìn)入水泵，會在一定程度上堵塞流道，同時(shí)，吸入渦的強(qiáng)旋轉(zhuǎn)特性導(dǎo)致水泵進(jìn)口流速變得極不均勻，造成水泵出水流量減小、運(yùn)行效率下降、壓力脈動和振動加劇。

資丹［６］ 采用耦合Ｌｅｖｅｌ－ｓｅｔ 和ＶＯＦ 方法對表面旋渦的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了研究，認(rèn)為主導(dǎo)渦量分量為垂直渦量，而流向速度沿展向的波動是垂直渦產(chǎn)生的原因；流向進(jìn)水管的主流將垂直渦輸送到進(jìn)水管附近，在進(jìn)水管上方區(qū)域的垂直渦被拉伸，其強(qiáng)度隨著拉伸而增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，空氣會被垂直渦吸入到水下或進(jìn)水管中。多位學(xué)者通過數(shù)值模擬，研究了進(jìn)水系統(tǒng)幾何形狀、參數(shù)與進(jìn)水流場的關(guān)系，并提出多種改善進(jìn)水流態(tài)的措施。賈君德等［７－１１］ 研究了箱形、簸箕形、開敞式等不同形式進(jìn)水部分的水力特性，通過對長度、寬度、高度、擴(kuò)散角、底坡等系列參數(shù)進(jìn)行分析，認(rèn)為各參數(shù)之間存在最優(yōu)比。朱紅耕等［１２－１６］ 對進(jìn)水部分進(jìn)行了整流優(yōu)化研究，提出設(shè)置底坎、導(dǎo)流墩、消渦板等多種控制渦流的措施和“八”字形導(dǎo)流墩＋“川”字形導(dǎo)流墩＋“十”字形消渦板的組合控渦方案。陸林廣等［１７］通過物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。針對情況更為惡劣的低水位工況，Ｍｏｌｌｅｒ 等［１８－２１］ 提出在吸水池設(shè)置導(dǎo)流臺＋水下消渦板＋Ｗ 形后墻導(dǎo)流墩的組合整流方案，并采用三維模擬和模型試驗(yàn)對整流效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該組合整流方案可以完全消除吸水池表面旋渦，吸水池內(nèi)水流流態(tài)和水泵進(jìn)口的軸向速度分布都得到了明顯改善。

然而，目前沒有對泵站流量衰減與進(jìn)水流場之間的具體相關(guān)性研究。筆者針對上述表面旋渦等進(jìn)水流場紊亂導(dǎo)致的流量衰減問題，結(jié)合某抽黃灌區(qū)樞紐泵站（以下簡稱某泵站），對進(jìn)水部分進(jìn)行計(jì)算流體動力學(xué)（ＣＦＤ）數(shù)值模擬，分析流場特點(diǎn)，研究造成流量衰減的原因，通過改造進(jìn)水流道來降低流量衰減率；并通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對ＣＦＤ 模擬結(jié)果和改造效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

１ 研究對象及存在問題

某泵站于１９９７ 建成運(yùn)行，安裝８ 臺１２００ ＬＷ－６０型立式離心泵，單泵設(shè)計(jì)流量４．０５ ｍ３ ／ ｓ、設(shè)計(jì)揚(yáng)程６０．３ ｍ。泵站進(jìn)水采用單機(jī)單池單流道形式，自上級渠道引水，水流先后通過進(jìn)水渠道、進(jìn)水池、壓力箱涵進(jìn)水流道、吸水池，進(jìn)入水泵吸入口（見圖１），其中壓力箱涵進(jìn)水流道相關(guān)參數(shù)為底寬Ｂ×高度Ｈ ＝ ２．５ ｍ×２．０ ｍ、長１８．７ ｍ、縱坡比１ ∶ ５．８６（壓力箱涵出口與橢圓形吸水池底部連接）。

測點(diǎn)設(shè)置在水泵出口與電動檢修閥之間，流量計(jì)型號ＡＤＭ６７２５，測量原理為時(shí)差相關(guān)原理，測量精度±０．５％，分辨率０．０２５ ｃｍ／ ｓ。

２．２ ＣＦＤ 模型及邊界條件

以７＃、８＃機(jī)組為例，考慮設(shè)計(jì)水位為３８２．５ ｍ 時(shí)雙機(jī)運(yùn)行工況，對其進(jìn)水系統(tǒng)進(jìn)行真實(shí)尺寸的數(shù)值模擬。原始流道計(jì)算模型包括進(jìn)水渠道、進(jìn)水池、壓力箱涵進(jìn)水流道、吸水池及進(jìn)水管路（見圖２）。

湍流模型采用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｋ－ε 湍流模型，有關(guān)研究表明該模型能較好地模擬表面旋渦和附壁渦，且預(yù)測的旋渦位置和強(qiáng)度與模型試驗(yàn)較為吻合，在進(jìn)水系統(tǒng)流動模擬中具有一定優(yōu)勢［５，１１，１７］ 。

對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，源項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用中心插分格式進(jìn)行離散，采用ＳＩＭＰＬＥＣ 算法進(jìn)行求解。邊界條件設(shè)置：１）進(jìn)口邊界為進(jìn)水池上游進(jìn)水渠道６０ ｍ 處斷面，給定流量；２）出口邊界為進(jìn)水管路出水?dāng)嗝妫o定壓力；３）進(jìn)水渠道和進(jìn)水池頂部采用鋼蓋假定；４）吸水池水面給定大氣壓力；５）其他壁面為無滑移壁面。

采用四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在各部位銜接處（進(jìn)水渠道與進(jìn)水池銜接處、進(jìn)水池與進(jìn)水流道銜接處、進(jìn)水流道與吸水池銜接處以及吸水池與進(jìn)水管路銜接處） 等流動變化劇烈的位置對網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最終選用網(wǎng)格單元數(shù)為５００ 萬個(gè)，其中進(jìn)水渠道１２４ 萬個(gè)、進(jìn)水池１７３ 萬個(gè)、進(jìn)水流道２４ 萬個(gè)、吸水池１６５ 萬個(gè)、進(jìn)水管路１４ 萬個(gè)。

３ 原進(jìn)水系統(tǒng)內(nèi)部流動分析

圖３ 為原始流道進(jìn)水系統(tǒng)流線圖。從圖３ 可以看出，以進(jìn)水池靠近箱涵進(jìn)口處為分界點(diǎn)，前后流場截然不同。分界點(diǎn)前的進(jìn)水渠道和進(jìn)水池前半段，流線整體較為平順，流速在進(jìn)入進(jìn)水池后平面擴(kuò)散逐漸減??；分界點(diǎn)后流線紊亂，尤其在進(jìn)水池靠近箱涵進(jìn)口處和吸水池內(nèi)流線更加混亂，壓力箱涵內(nèi)流速較吸水池高，水泵進(jìn)口處流速最高。４ 為原始流道進(jìn)水系統(tǒng)流場細(xì)節(jié)圖，進(jìn)水池內(nèi)流速均值為５．５ ｍ／ ｓ，流速在垂直方向從池底到水面自下而上逐漸提高，且底部流速梯度較大，最底部流速為０．１ ｍ／ ｓ；自上游至下游流速均勻部分占比越來越?。辉谀┒丝拷浜M(jìn)口處，形成了一個(gè)流速小于０．２ ｍ／ ｓ 的低速旋渦區(qū)，容易造成泥沙淤積；進(jìn)入箱涵后，流速迅速提高至９．３ ｍ／ ｓ，挾帶表面吸入渦的水流從箱涵進(jìn)水流道中高速流出，快速進(jìn)入吸水池。吸水池流場縱向明顯分為３ 部分，最底部小區(qū)域流速低，往上比箱涵高度較低處流速高，再往上流速又變低；由于下部為高速流動區(qū)、上部為低速流動區(qū)，因此大的流速差造成下部水流自內(nèi)圈流向上部，再在重力作用下自外圈向下流動，形成翻滾式流道，造成水泵吸水性能下降。

原始流道進(jìn)水池靠近箱涵進(jìn)口處出現(xiàn)典型的表面吸入渦［６］ ，水流在水面背離軸線（順?biāo)鞣较颍┳酝庀騼?nèi)旋轉(zhuǎn)，水平向隨旋轉(zhuǎn)半徑變小速度逐漸提高，豎直向整個(gè)旋渦自水面向下尺寸越來越小、速度越來越高，直至高速進(jìn)入壓力箱涵，隨水流一直延伸到進(jìn)水喇叭口。吸水池內(nèi)多處水流上下翻滾，水流在翻滾中心自下而上流動，又沿著翻滾外緣自上而下流動。實(shí)拍照片（見圖５）與ＣＦＤ 模擬結(jié)果一致，證實(shí)數(shù)值模擬可靠，可用來指導(dǎo)下一步進(jìn)水系統(tǒng)改造。

４ 流道改造及流動分析

４．１ 進(jìn)水流道改造

原始進(jìn)水流場特征表明，某泵站流場紊亂的源頭在進(jìn)水池靠近箱涵進(jìn)口處，即明流變壓力流處。本次改造擬將整個(gè)進(jìn)水系統(tǒng)流態(tài)統(tǒng)一變?yōu)槊髁骰驂毫α?。由于除進(jìn)水流道外其余進(jìn)水建筑物皆為明流，考慮投資最省，因此將原來的壓力箱涵進(jìn)水流道改造為明渠進(jìn)水流道，整個(gè)進(jìn)水系統(tǒng)變?yōu)槊髁鳎ㄒ妶D６）。改造后明渠橫斷面為矩形，底寬Ｂ 為１．２ ｍ，明渠之間采用塊石混凝土填筑，底坡維持１ ∶ ５．８６ 不變。

４．２ 流道改造后進(jìn)水系統(tǒng)內(nèi)部流動分析

為研究進(jìn)水流道改造前后流態(tài)差異，對７＃、８＃機(jī)組在設(shè)計(jì)水位雙機(jī)運(yùn)行工況下進(jìn)行模擬。由進(jìn)水系統(tǒng)流線圖（見圖７）看出，隨著進(jìn)水流道由壓力箱涵改為明渠，進(jìn)水池與流道銜接處流線也由紊亂變得極為平滑；從圖８ 可以看出，進(jìn)水流道、進(jìn)水池中水流速度較為均勻，與原始流道相比，改造后進(jìn)水池靠近流道進(jìn)口處底部的低速流動區(qū)域明顯縮小，不到改造前的１／７，泥沙淤積現(xiàn)象減輕。在進(jìn)水流道底部出現(xiàn)了一部分低速區(qū)，但此處淹沒深度較大，不會對進(jìn)水系統(tǒng)的整體流動產(chǎn)生較大影響。

由圖９、圖１０ 可知，流道改造后，吸水池沿縱向流速基本一致，上下翻滾式流動消失；然而，池內(nèi)仍存在較為明顯的吸入渦，原因可能是帶入空氣或者雜質(zhì)到進(jìn)水管路中，導(dǎo)致水泵吸水性能變差，流量衰減現(xiàn)象雖然有所改善，但沒有完全消除。

５ 流道改造前后試驗(yàn)對比

為進(jìn)一步研究流道改造效果，對流道改造前后的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性（見表２）。流道改造后，水泵開機(jī)流量增大，流量衰減速度變慢，運(yùn)行７ ｄ 后流量衰減率由改造前的３３％減小到２０％，衰減幅度變小，衰減率降低了３９％，衰減問題大幅改善。但是，由于吸水池內(nèi)還可能存在其他引起流場紊亂的因素，因此流量衰減并沒有完全消除。

６ 結(jié)論

針對已建泵站進(jìn)水系統(tǒng)流態(tài)紊亂引起的機(jī)組流量衰減問題，采用ＣＦＤ 模擬和試驗(yàn)測試相結(jié)合的方法，對某抽黃灌區(qū)樞紐泵站進(jìn)水系統(tǒng)流態(tài)進(jìn)行研究，提出將進(jìn)水流道由壓力箱涵改造成明渠的方案，從而將整個(gè)進(jìn)水系統(tǒng)流態(tài)統(tǒng)一變?yōu)槊髁?，降低流量衰減率。

１）改造前，在進(jìn)水池靠近箱涵進(jìn)口處出現(xiàn)明顯低速區(qū)，在明流變壓力流的箱涵進(jìn)口產(chǎn)生明顯的吸入渦，帶入大量氣體和雜質(zhì)隨著箱涵內(nèi)壓力流高速進(jìn)入吸水池，造成吸水池內(nèi)水流上下翻滾，降低水泵吸水性能，隨開機(jī)時(shí)間延長，流量衰減嚴(yán)重。

２）將進(jìn)水流道由壓力箱涵改為明渠后，進(jìn)水系統(tǒng)流場較改造前平穩(wěn)。進(jìn)水池低速區(qū)明顯變小，進(jìn)水流道底部出現(xiàn)一部分對整體流動影響較小的低速區(qū)。吸水池內(nèi)翻滾式流動消失，水泵吸水性能有明顯提高。

３）通過對流道改造前后開機(jī)流量和運(yùn)行７ ｄ 后流量實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。流道改造后，開機(jī)流量變大，流量波動幅度變小，流量衰減現(xiàn)象明顯改善，運(yùn)行７ ｄ 后流量衰減率由改造前的３３％降低到２０％，衰減率降低３９％。

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【責(zé)任編輯 簡 群】