超駝峰工況下軸流泵事故停泵特性分析

2019-12-27 07:27:32吳遠為劉志勇劉梅清

中國農村水利水電 2019年12期

吳遠為，梁興，劉志勇，劉梅清

(1.流體機械與動力工程裝備技術湖北省重點實驗室，武漢 430072；2.南昌工程學院，南昌 330099)

0 引言

帶虹吸式出水流道的軸流泵站在正常水位下發生事故停泵時，駝峰頂部的真空破壞閥就自動打開阻斷水流，減弱水錘破壞保護管道安全。但是，當此類泵站處于超駝峰工況運行時，利用流道虹吸結構及真空破壞閥是無法達到斷流目的，須在流道出口設置快速閘門及時切斷水流，該閘門的啟閉規律直接影響到水錘防護效果，向來是研究和運行人員關注的重點之一[1]。在閘門、閥門關閉規律方面研究較多，譬如劉亞萌等[2]通過多目標粒子群算法迭代計算確定了閥門關閉規律。薛宏林等[3]建立了泵出口閥兩階段關閉程序的優化模型.以降低最大水錘壓力為目標函數，對兩階段關閥進行初步尋優。顧赟等[4]采用ALE有限元方法,研究了關閥時間、隧道距離等對水錘現象的影響和規律。呂歲菊等[5]對輸水系統事故停泵引起的水錘問題進行水力過渡分析和計算，合理控制快慢關時間及角度能有效降低水擊壓力、機組倒轉和倒泄流量。陸偉剛等[6]從機組停泵動態過渡過程著手,結合閘門自身運動特點，建立快速閘門下落運動的數學模型。

本文在建立帶虹吸式出水流道的軸流泵事故停泵數學模型的基礎上，快速閘門關閉速度、快速閘門預關開度以及靜揚程等對事故停泵的影響，為超駝峰工況下軸流泵防水錘措施優化提供理論支持。

1 事故停泵過渡過程基本方程

1.1 瞬變流基本微分方程

通常在求解管道中的瞬變流問題時，是把流動看作一維非恒定流動。根據流體流動的動量定理和連續性原理，可以建立瞬變流基本微分方程，該方程由動量方程和連續性方程組成，通常利用特征線方法對此微分方程進行數值求解[7,8]。

(1)瞬變流運動方程：

(1)

(2)瞬變流連續性方程：

(2)

式中：H為測壓管水頭；V為管道流速；a為水錘波速；g為重力加速度；D為管道直徑；f為管道摩阻系數；x為計算斷面在管道中的位置；t為計算時刻；α為管道傾角。

1.2 水泵端邊界條件

(1)閘閥的邊界條件。閘門的壓力水頭損失可表示為：

(3)

式中：Hf0為閘全開流量為QR時的壓力水頭損失；τ為閘的無量綱開度；v為無量綱流量。

(2)水泵端邊界條件的求解。由水頭平衡方程和水泵機組慣性方程可得到事故停泵水錘的水泵端邊界條件：

(4)

式中：Els為進水池水位；Cm為負特征線系數；QR為水泵額定流量；v為無量綱流量；α為無量綱轉速；β為無量綱轉矩，下標i對應的離散插值點；A0、A1為全特性曲線的WH插值系數；C0、C1為全特性曲線的WB插值系數。

F1和F2是一組包括α和v兩個未知量的非線性方程組，可采用Newton迭代方法求解。

1.3 真空破壞閥邊界條件

水泵正常運行時真空破壞閥始終處于關閉狀態，當駝峰頂部出現真空時，真空破壞閥將打開。通過真空破壞閥流出的空氣質量流量取決于流道外大氣的絕對壓力Pa、絕對溫度Ta以及流道內空氣的絕對壓力P和絕對溫度T。分下述兩種情況。

(1)空氣以亞音速流出：

(5)

其中：Pr=P/Pa。

(2)空氣以臨界速度流出：

(6)

2 實例背景及試驗方案

針對湖北省金口泵站開展虹吸式流道事故停泵防護措施分析，金口泵站進水池起排水位是19 m，出水池設計高水位27.65 m，最高水位30.92 m。金口泵站上下游水位差最大時可認為是最危險工況。為此，先設定上游水位為19 m，下游水位為29 m，開展事故停泵分析快速閘門關閉速度、快速閘門預關開度以及靜揚程等對事故停泵的影響，最后校核計算最危險工況下，事故停泵過渡過程特性。具體方案如表1。

表1 金口泵站事故停泵仿真實驗設計表Tab.1 Simulation experiment design of accident stopped pump in Jinkou pump station

3 事故停泵過渡過程特性分析

3.1 閘門關閉時間對過渡過程的影響

當下游水位29 m，上游水位19 m時，超駝峰運行時發生事故停泵，閘門不同關閉時間計算結果對比如表2所示。

表2 閘門不同關閉時間計算結果對比表Tab.2 Comparison of calculation results of different closing times of gate

分析表2及圖1可知，隨著關閘時間的增加，水泵最大水錘壓力，倒流流量及倒轉轉速都逐漸增加，在不預關閘門的情況下，超駝峰工況下事故停泵，倒轉轉速超標，將對水泵的安全穩定會帶來一定威脅。當閘門關閉時間較長(120～300 s)時，閘門關閉時間對最大倒流量、倒轉轉速影響較弱，這兩者的倒流、倒轉最大值均發生在事故停泵初期。

分析圖1可知，不同方案下事故停泵過渡過程壓力、流量、轉速、轉矩的變化曲線相似。事故停泵發生后，流量快速減小，并變為負值，隨著閘門逐步關閉，倒流流量逐步減小直至為零；泵出口壓力先降低后增大再降低；轉矩逐步減小，轉速變化和流量變化類似。

圖1 閘門不同關閉時間條件下水力過渡過程計算結果Fig.1 Calculation results of hydraulic transition process under different closing time of gate

3.2 預關閘門角度對過渡過程的影響

分析表3可知，當超駝峰下停泵時，預關閘門的程度越大，則水錘最大壓力越小，最大倒流流量和最大倒轉轉速值也越小。計算結果表明，水泵靜揚程10 m時，預關閘門50%以上，倒轉轉速未超標，倒轉轉速超過額定轉速的持續時間未超過2 min，系統處于安全狀態。

表3 閘門不同預關開度下水錘計算結果對比表Tab.3 Comparison of calculation results of water hammer with different pre-closing ratio of gate

3.3 靜揚程對過渡過程的影響

分析表4可知，當超駝峰下停泵時，靜揚程越大，則水錘最大壓力越大，最大倒流流量和最大倒轉轉速值也越大。計算結果表明，水泵在下游水位31 m以下(上游水位19 m，靜揚程12 m，超駝峰3.3 m)時，預關閘門70%以上，倒轉轉速未超標，但預關閘門50%以上時，較大靜揚程下，水泵倒轉轉速超標(譬如方案9)。因此，考慮到出水池最高水位設置為30.92 m及水泵駝峰區域影響，建議超駝峰運行停泵時，水泵運行在下游水位30.92 m以下，預關閘門70%，閘門關閉時間120 s。