望江縣幸福河南站工程停泵水錘模擬試驗研究

張玉程 董宸中

（1.山東外事職業(yè)大學(xué) 山東威海 264500；2.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）第六設(shè)計院有限公司 安徽合肥 230061）

1 項目概況

望江縣合成圩位于望江縣城東南部、華陽河出口上游處，東南側(cè)臨長江，西南隔華陽河與本縣的四合圩相望，西北為寶塔河，東北隔老東隔堤與武昌湖流域六零圩相鄰，總面積92.18 km2。新建幸福河南站位于同馬大堤90+060 處，為大（2）型泵站，設(shè)計流量96.9m3/s，共選用6 臺2200HLB 立式混流泵，配套TL2200-30 型同步電動機，單機功率2 200 kW，總裝機功率13 200 kW。

經(jīng)過方案比選，本站水泵型式采用立式半調(diào)節(jié)混流泵，配合采用肘形進水流道、直管式出水流道，電動機與水泵同軸，采用法蘭直聯(lián)。水泵葉輪直徑2 200 mm、額定轉(zhuǎn)速為200 r/min；水泵水力模型選用TJ11-HL-04。水泵肘形進水流道與前池相連，出口側(cè)依次為直管式出水流道、事故快速閘門、側(cè)翻式拍門、壓力匯水箱、出水箱涵、防洪閘，后與外江相連。泵室縱剖面圖如圖1所示。

圖1 泵室縱剖面圖（單位：mm）

2 模擬試驗設(shè)計

2.1 試驗任務(wù)及要求

通過水錘模擬試驗，研究拍門關(guān)閉時間與拍門內(nèi)外壓差的關(guān)系，提出建議的拍門關(guān)閉時間；對設(shè)計擬采用的通氣孔水錘防護裝置提供試驗依據(jù)，并對其水錘防護效果進行論證，對通氣孔水錘防護裝置的設(shè)計尺寸提出合理化建議。

2.2 模型建立

模型的建立是實現(xiàn)水錘計算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場機組的實際布置形式，建立二維水力計算模型，真實反映進、出水流道，拍門及出水箱涵的空間位置關(guān)系，是準確計算水錘結(jié)果的前提。

本次模型建立，采用Hammer 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，能夠解決泵站水錘的過渡過程分析問題。模型建立如圖2 所示。

圖2 二維水錘計算模型

2.3 模擬條件設(shè)置

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，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。

1）水錘波速及水錘相

根據(jù)《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》（SL140-2006）相關(guān)規(guī)定，相關(guān)參數(shù)取值：

水的彈性模量K=21.9×108N/m2；水的質(zhì)量密度ρ=998 kg/m3；泊松比μ=0.28；出水流道楊氏模量E=20.5×1010N/m2；出水流道水錘波速設(shè)置為ν=1 200 m/s[1]。

假設(shè)水錘波從末端出水池處（位于出水箱涵158 m處）反射回泵站拍門處，故水錘相μ=2 L/ν=2×158/1 200=0.26 s。

實際上水錘相的數(shù)值會受其余因素影響，可能導(dǎo)致偏差。

2）靜態(tài)參數(shù)設(shè)置

靜態(tài)參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 靜態(tài)參數(shù)表

3）穩(wěn)態(tài)工況下泵站沿線參數(shù)設(shè)置

穩(wěn)態(tài)工況下泵站沿線參數(shù)如表2 所示。

表2 穩(wěn)態(tài)工況下泵站沿線參數(shù)表

3 模擬試驗方案及成果

3.1 無防護措施情況下停泵水錘模擬試驗

1）模擬試驗方案

假定泵站出水流道至有壓箱涵沿線未采取任何的水錘防護措施（水錘防護措施是指后保護裝置，出水流道出口端拍門不屬于后保護裝置），在此狀態(tài)下機組事故停機，且允許機組倒轉(zhuǎn)[2]。

計算采用最高凈揚程，即進水池最低水位8.20 m、出水池最高水位18.60 m。計算設(shè)置在10.0 s 機組開始關(guān)機，由于流道長度較短，假定此時機組開始出現(xiàn)返水，拍門關(guān)閉。由于單一的側(cè)翻式拍門無法直接模擬，計算對拍門在10.0 s 時刻采用不同的關(guān)閉時間，模擬6 個方案，拍門關(guān)閉時間依次為10 s、15 s、20 s、30 s、40 s、50 s[3]。模擬方案設(shè)置參數(shù)見表3。

表3 模擬方案設(shè)置參數(shù)表

2）模擬試驗成果

在各方案擬定的停機時間及拍門關(guān)閉時間條件下，通過模擬一定時間內(nèi)泵站沿線水力坡度、流量及空氣容積隨時間變化情況[4]，分析拍門內(nèi)、外側(cè)壓力峰值、出現(xiàn)的時間點及內(nèi)外壓差值等，模擬試驗成果見表4。

表4 模擬試驗成果表

由于各方案的模擬試驗過程及成果類似，本次以方案3 為例，對其模擬試驗成果進行詳細介紹。方案3拍門關(guān)閉時間為20 s，模擬停泵50 s 內(nèi)沿線水力坡度、流量及空氣容積隨時間變化情況[5]。事故停泵后，沿線發(fā)生很大的水力坡度繼續(xù)下降，但是水力坡度下降趨勢開始放緩，背面（內(nèi)側(cè)）壓力在30.26 s 出現(xiàn)最大值94.76 m，正面（外側(cè)）水力坡度在第30.71 s 出現(xiàn)最大值88.72 m。因此，在拍門關(guān)閉時間為20 s時，內(nèi)外壓差ΔP3=6.04 m，停機返水對拍門的沖擊最小。水力坡度、流量及空氣容積-時間曲線見圖3。

圖3 方案3 水力坡度、流量及空氣容積—時間曲線

3）模擬試驗成果分析

圖4 為不同的拍門關(guān)閉時間下，拍門內(nèi)、外側(cè)極限水力坡度變化趨勢圖，圖5 為不同拍門關(guān)閉時間下，拍門內(nèi)外側(cè)壓差變化趨勢圖。隨著拍門關(guān)閉持續(xù)時間的增加，拍門內(nèi)、外側(cè)極限水力坡度的差值先減小后逐步增加，并在40s 后趨于穩(wěn)定[6]。拍門關(guān)閉持續(xù)時間為20 s 時，內(nèi)外壓差ΔPmin=6.04 m，停機返水拍門的沖擊最小。在設(shè)定時間內(nèi)水泵轉(zhuǎn)速變化如圖6 所示，規(guī)定時間段內(nèi)水泵未發(fā)生倒轉(zhuǎn)。在擾流延時條件下，隨著拍門關(guān)閉時間的增長，拍門內(nèi)外側(cè)壓力逐漸減少，壓差趨于穩(wěn)定。

圖4 拍門內(nèi)、外側(cè)極限水力坡度隨拍門關(guān)閉時間變化曲線

圖5 拍門內(nèi)、外側(cè)壓差隨拍門關(guān)閉時間變化曲線

圖6 水泵轉(zhuǎn)速變化曲線

3.2 設(shè)置通氣孔停泵水錘分析模擬試驗

1）模擬試驗方案

對綜合比較之后最優(yōu)的拍門關(guān)閉時間（20 s）進行模擬。如果通氣孔直徑參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，則可能導(dǎo)致管道內(nèi)的原本存在的氣囊被迅速排出，原本由氣囊相間隔的兩段水體在氣囊被排出后迅速相撞，產(chǎn)生彌合水錘[7]。為了避免產(chǎn)生這種情況，需要減小排氣閥的空氣出流口直徑，使得管道內(nèi)的空氣不能在水錘的過程中全部排出管道，起到類似“快進慢排氣閥”的作用[8]。本設(shè)計的通氣孔總共采用4 個方案，具體設(shè)置參數(shù)如表5 所示，其中不設(shè)置通氣孔的計算結(jié)果參考3.1 無防護措施情況下停泵水錘模擬試驗中方案3 成果。

表5 模擬方案設(shè)置參數(shù)表

2）模擬試驗成果及分析

在各方案擬定的通氣孔防護措施下，通過模擬一定時間內(nèi)泵站沿線水力坡度、流量及空氣容積隨時間變化情況，分析拍門內(nèi)、外側(cè)壓力峰值、出現(xiàn)的時間點及壓差內(nèi)外壓差值等[7]，模擬試驗成果見表6。

表6 模擬試驗成果表

由于方案二、三、四的模擬試驗過程及成果類似，本次以方案二為例，對其模擬試驗成果進行詳細介紹。

方案二拍門關(guān)閉時間為20 s，通氣孔直徑300 mm。圖7 為目標(biāo)區(qū)域安裝通氣孔后，停泵60 s 內(nèi)沿線水力坡度、流量及空氣容積隨時間變化曲線。事故停泵后，受到擾流影響的情況下，拍門關(guān)閉水力坡度線內(nèi)、外側(cè)值分別為74.95 m、69.50 m，內(nèi)外壓差為ΔP300=5.45 m。與未加裝水錘防護措施相比，通氣孔吸入一定量的空氣后，顯著降低了沿線的水錘壓力及內(nèi)外壓差[9]。

圖7 方案二水力坡度、流量及空氣容積—時間曲線

4 結(jié)論與建議

1）從無防護措施情況下停泵水錘模擬試驗成果可知，擾流條件下，隨著拍門關(guān)閉時間的增長，拍門外側(cè)壓力逐漸減少，內(nèi)側(cè)真空值逐漸變小，拍門內(nèi)外側(cè)壓力值逐步減少。因此，適當(dāng)增設(shè)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，建議拍門關(guān)閉時間在20 s 以上。

2）從設(shè)置通氣孔停泵水錘分析模擬試驗成果可知，側(cè)翻式拍門增設(shè)通氣孔能夠有效降低拍門關(guān)閉時內(nèi)外側(cè)壓力，減輕拍門的撞擊。建議選擇直徑300 mm及以上的通氣孔，能夠顯著降低泵站沿線的最大水錘壓力[10]。

3）綜合望江縣幸福河南站工程停泵水錘模擬試驗研究成果，不僅解決了本工程的停泵水錘防護問題，也可為同類泵站設(shè)計過程中的停泵水錘防護設(shè)計提供借鑒。此外，還應(yīng)制定科學(xué)合理的泵站運行維護制度，確保工程安全穩(wěn)定運行。