混流泵站抬機過程仿真分析及研究

鄒凱寧

(安徽省水利水電勘測設計院，安徽 合肥 230088)

我國南方地區興建的大量泵站,出水應設置可靠關閉形式,否則容易出現不良后果。如某混流式機組的排灌泵站,泵站建成后投入運行后,運行一段時間后拍門止水損壞嚴重,機組停機后倒流,進而引發反轉和抬機,嚴重影響機組的安全穩定運行。經現場查證,本站拍門未安裝無限位裝置,拍門沖開后開啟角超過90°,停機后水泵回水量極大,由于長期運行拍門橡膠圈變形脫落,門座亦有不同程度的變形。

1 過程分析

1.1 停機過程

一般泵站的停機過程包括水泵工況、制動工況和水輪機工況。水泵在斷電后進入制動工況,壓力逐漸降壓。此后,水體在重力作用下克服葉輪倒轉阻力巳經開始倒流,隨即拍門關閉,此時水泵進入水輪機工況。

1.2 抬機現象分析

出水流道內的水回流會在拍門內側的產生局部真空,大氣壓力的作用形成壓力差,使得水泵形成一個向上的推力。

水泵葉輪受回流液體的作用,出現葉輪反轉,形成水輪機工況,水泵本體將受到流道內液體一個向上的推力。

如果水泵自重小于向上的2個力的合力,水泵將會產生向上的抬機現象，同時,還會發生反轉現象。

2 過程仿真計算

2.1 基本方程

對有壓管道而言,不論在何種情況下都應滿足水流的運動方程及連續方程滿足

(1)

將管道材料及水體當作彈性體考慮,其連續方程為:

(2)

其中,H為壓力水頭;V為管道中的流速,向下游為正;a為水擊波傳播速度;f為 水流摩擦阻力系數;D為管道直徑;x為距離,其正方向與流速取為一致;t為時間。

水擊計算的特征線法,特征線方法就是選擇2個不同的實數特征值λ,當特征值λ分別取正值和負值時,得到2組方程,分別用C+和C-來命名,即:

(3)

(4)

2.2 計算參數

泵站規劃水位參數進水池水位為18.5m,出水池水位為27.0m。該站設計采用900HD-9型立式混流泵,配套315kW立式異步電機,站內現有的通氣管為150mm。水泵流量2.72m3/s,揚程10.2m,轉速為585rpm,計算得ns=169rpm,本計算根據已知ns=169rpm水泵全特性近似計算。電機轉速為585r/min,電機轉動慣量45kgm2。

2.3 模擬條件設定

模擬對單機組停機拍門關閉進行仿真計算,分別對拍門關閉的理想工況和延時工況進行研究。計算時機組先運行穩態運行5s,在第5s開始停機,設置理想工況為第6.2s開始關閉拍門,延時工況為7.2s開始關閉拍門,拍門的關閉持續時間均為1s。

3 計算結果

3.1 理想工況和延時工況

機組停機的理想工況和延時工況機組停機后40s轉速變化情況如圖1所示,理想和延時工況的拍門的背面水力坡度壓力如圖2所示。

圖1 理想工況和延時工況機組轉速變化圖

圖2 理想工況和延時工況拍門背面水力坡度隨時間變化圖

根據計算成果,可以發現仿真模擬計算基本符合泵站停機過程。開始階段為水泵的穩態運行區間,轉速恒定為585r/min,在第5s開始停機。1.2s后,水泵轉速轉速降為0,隨后機組開始反轉,在8.2s處達到最大。結合圖2計算成果發現,在理想工況下拍門的背面的負壓幾乎不存在,而延時1s后關閉條件下,在第8.5s拍門關閉瞬間出口段出現真空度,負真空度達到-9m,此時150mm的通氣管幾乎沒起到作用,伴隨發生拍門撞擊、機組抬機,接下來機組一直處于倒轉狀態。

3.2 通氣管

由于直徑為150mm的通氣管幾乎起不到作用,因此下一步模擬進一步取大通氣管直徑,分別為200mm、250mm、300mm通氣管,計算結果如表1所列。

表1 拍門的關閉瞬間背面真空度

計算結果顯示,隨著通氣管的增大,拍門背面的壓力坡度開始并未發生明顯改觀,通氣管直徑為200mm,停機負壓值仍處于較高,當通氣管增大到250mm拍門背側負壓才明顯減小,通氣管直徑直到300mm真空才接近消除。

3.3 緩沖裝置

現有緩沖裝置分為兩類,一是采用彈性墊圈的形式,該類緩沖裝置是針對門座沖擊力過大設計,相當于門座有個緩沖,但起不到對延長關閉時間。還有一類是采用液壓缸式,在拍門即將關閉前觸發液壓裝置緩慢關閉,解決了快速關閉引起拍門內側真空問題,對門座的沖擊作用則需要設置觸發關閉時的拍門開度。

仿真采用對液壓缸式緩閉裝置,計算對拍門整體7.2s時的采用不同的關閉程時間,擬定4個方案,依次為拍5s、10s、15s、20s的關閉時間,計算成果圖3所示。

圖3 拍門的緩沖關閉真空值圖

從計算結果可以看到,緩沖裝置可以有效降低停機拍門內側真空值。隨著拍門關閉時間的增長,拍門背面真空值逐漸變小。合理的緩沖關閉時間既可以的控制停機真空影響,機組反轉的轉速亦可以控制在規定的范圍內。

4 結束語

本文通過仿真計算研究模擬了混流式機組關閉后機組轉速和拍門內側壓力變化情況,結果顯示在拍門延時關閉的情況,拍門背面出現較大真空值。此時雖設有通氣管,但因口徑過小對負真空作用甚微,所會仍發生機組抬機現象。根據計算建議選擇緩沖型式的拍門,同時設置限位裝置。雖然加大通氣孔是可以去除真空,但泵站建成后改造通氣孔增大難度非常大,因此今后設計階段應充分重視考慮此問題。

同時建議拍門應選用可靠性的形式,盡量優化出水水力條件,避免拍門開度過大,出現關閉延時等問題,產生抬機或者較大關閉撞擊,危害拍門及泵站安全。