低揚程泵站側翻式拍門返水關閉計算分析及技術研究

鄒凱寧

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088)

我國南方大部分地區江河縱橫、湖泊遍布，汛期需要排水，遇旱需要灌溉，興建了大量低揚程泵站[1]。在多泵并聯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，拍門在機組啟動時拍門能夠迅速靠水流自行沖開。但當部分或全部機組事故停泵過程中，水流在重力作用會開始倒流，促使拍門快速關閉，產生劇烈的水錘壓力。

近些年側翻拍門推廣應用的較快[2- 6]，側翻拍門關閉過程其實較為復雜，不僅受到自身重力，還受到水阻力、門前擾流等多重因素影響。本文針對受擾流影響的停機，分析停機斷電后側翻拍門撞擊的過程，基于Hammer水錘計算軟件對拍門返水首次關閉進行仿真計算，分析比較關閉瞬間拍門的正反面壓力值，提出降低關閉撞擊的結論和建議，為設計人員和泵站管理提供參考。

1 撞擊分析

泵站的停機過程停泵水錘過程包括水泵工況、制動工況和水輪機工況。水泵在斷電后進入制動工況，壓力逐漸降低。此后，水體在重力作用下克服葉輪倒轉阻力開始倒流，隨即拍門關閉，此時水泵進入水輪機工況。管內壓力迅速降低并出現負壓，空氣和水的混合物在大氣壓力作用下從活門和門座縫隙進人管道。水泵端的水在大氣壓力和水泵倒轉阻力作用下倒流速度迅速減小，倒流速度復又加大，幾經反復，直至管內充滿空氣為止。實際泵站拍門還可能受到門前擾流影響[7]，拍門在倒流初期并未及時關閉，甚至開門角度并未變小。隨著反向水流速度加大，拍門突然加速關閉，產生的很大撞擊力，影響拍門座、出水管路和主機組的安全，

2 軟件介紹

Hammer是Bentley公司開發的水錘計算軟件，該軟件是基于特征線法求解非穩態條件下求解連續性方程及動量方程，用于分析復雜的系統從一個穩態過渡到另一穩態的瞬間變化，能夠解決泵站的過渡過程分析問題。

3 基本設置

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。采用喇叭口進水，直管、拍門出水，機組3根出水管并聯匯入壓力水箱排至外河。該站出水采用無緩沖側翻式拍門。該站規劃水位參數見表1，具體布置如圖1所示。水泵及電機參數見表2—3。

3.2 模擬條件設定

側翻式拍門在關閉時其重力相對于動水壓力要小得多[8- 9]，拍門的關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閉首次拍門的正、背面壓力。由于機組受到水流影響而延時關閉，首先計算水流理想條件和延時條件停泵拍門的關閉，具體時間-關閉度設置見表4。應當說明的是停機后拍門的返水關閉無法達到100%完全關閉。因為側翻類型拍門適用于壓力較低的情況，當內外過大的壓力條件下，拍門密封是自身會產生漏氣。

圖1 機組剖面安裝布置圖

設計參數進水池出水池特征水位/m最高水位14.616最高運行水位14.116設計水位12.014.5最低運行水位11.013.6特征揚程/m最高凈揚程5.0設計凈揚程2.5最低凈揚程0設計流量/(m3/s)14.2

表2 水泵運行特征曲線參數

表3 電機主要參數

通過增設緩沖裝置、通氣孔等防護措施，提出降低關閉撞擊的建議。計算采用最高凈揚程，即進水池最低水位11.0m、出水池最高水位16.0m。計算設置在5.0s機組開始關機，7.2s機組開始出現返水，拍門在此時進行關閉，關閉時間為1s，而延時為拍門全開延時1s，主要設置見表4。

表4 拍門的關閉控制參數

4 模擬及優化

4.1 擾流延時影響

假定出水拍門由于擾流的影響，無任何防護措施的條件下，拍門關閉起始時間延時1s后，對停機25s內進行計算，計算結果如圖2—3。

圖2 理想條件和延時條件拍門正面水力坡度隨時間變化圖

圖3 理想條件和延時條件拍門背面水力坡度隨時間變化圖

計算結果顯示受擾流條件影響的拍門正面水力坡度由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。由于受水流擾動流影響，側翻拍門在關閉的正面壓力明顯增強，背面負壓真空值進一步增大，此情況下拍門關閉的撞擊力明顯增強，危害性也更大。

4.2 緩沖裝置

由于單一的小拍門無法直接模擬，計算對拍門整體7.2s時的采用不同的關閉程時間，擬定5個方案，依次為拍1、5、10、15、20s的關閉時間，設置參數見表5。

表5 拍門的開啟控制參數

圖4 不同緩沖時間的拍門正、背面極限水力坡度

從計算結果可以看到，擾流延時條件下，隨著拍門關閉時間的增長，拍門正面壓力逐漸減少，背面真空值逐漸變小，拍門正、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返水拍門的沖擊。建議拍門關閉時間在15s以上。

4.3 通氣管

模擬計算對理想條件和延時條件分別進行模擬，通氣管采用5個方案，分別為不設通氣管(直徑為0)、設100、200、300、400mm通氣管，見表6，計算結果如圖5—6所示。

表6 通氣管設置參數

圖5 理想情況設置通氣管拍門正、背面水力坡度

圖6 擾流延時影響設置通氣管拍門正、背面水力坡度

從計算結果顯示，理想停機情況下隨著通氣管的增大，拍門關閉正、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，拍門關閉正、背面的壓力差由30.7m逐漸減少至16.9m。計算顯示，通氣管的截面積較小時對拍門防護作用甚小，只有達到一定的截面積才能達到降低拍門正背面壓力、減小撞擊的作用。側翻式門前通氣孔面積建議選擇系數0.03及以上。

4.4 組合方案

對于延時工況配置300mm通氣管和15s關閉緩沖裝置，計算結果如圖7所示。

圖7 設置通氣管、緩沖裝置后拍門正、背面水力坡度

受到擾流影響的情況下，拍門關閉水力坡度線正、背面值分別為20.1m、8.8m，內外壓差為11.3m。拍門在采取一定的措施后防護效果比較顯著。

5 結語

(1)側翻式拍門出口應盡量優化出水水力條件，避免停機關閉后受到擾流影響，危害拍門及泵站安全。

(2)緩沖裝置能夠有效減少側翻拍門停機過程的返水作用，降低拍門撞擊。但現實只有外徑大于1800mm拍門才設此類型裝置，建議在中小型拍門推廣應用。

(3)側翻式拍門增設通氣孔的能夠有效降低拍門關閉時正背面壓力，減輕拍門的撞擊，但應設置足夠大的通氣孔，建議選擇系數0.03及以上。