低揚程泵站過渡過程計算及通氣管設置研究

鄒凱寧

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司 合肥 230088）

1 概述

一般低揚程泵站設計凈揚程7m 以下，常用作低洼地區的排澇泵站或距離較短的輸水泵站。此類型泵站在安徽、江蘇等地數量眾多，雖然凈揚程較低，但停機后仍會產生劇烈撞擊，甚至發生拍門、混凝土震碎震裂、外河倒灌的事故。由于實際機組停機后條件十分復雜，停機后箱涵還受到水流擾動、空氣腔等因素影響。低揚程泵站出于開機排氣的需要，匯水箱常會設有口徑較大的通氣管。通氣管是一種進、出口等徑的特殊空氣閥，產生的壓力波動是不容忽視的。本文以不同長度的箱涵模擬仿真水泵事故斷電瞬變工況，研究不同口徑通氣管對泵站停機產生的影響，為工程設計和運行管理提供參考。

2 計算軟件與原理

2.1 計算軟件

傳統的圖解法簡便直觀易于掌握，但受到計算手段和假設條件的限制，計算精度不高。目前算法上有特征線法、有限元法、波特征法等，其中特征線法計算精度高，特別是非常容易實現電算，從而成為水錘計算最普遍的方法。本文采用Bentley 公司的HAMMER 對泵站停機進行仿真計算。

2.2 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：

將管道材料及水體當作彈性體考慮，其連續方程為：

式中：H—壓力水頭；

V—管道中的流速，向下游為正；

a—水擊波傳播速度；

f—水流摩擦阻力系數；

D—管道直徑；

x—距離，其正方向與流速取為一致；

t—時間。

水擊計算的特征線法，特征線方法就是選擇兩個不同的實數特征值λ，當特征值λ 分別取正值和負值時，得到兩組方程，分別用C+和C-來命名，即：

2.3 空氣閥

空氣閥的進排氣過程十分復雜，涉及氣液兩相流問題，是一個復雜的動態過程。目前空氣閥在數值模擬上使用Wylie 和Streeter 等人提出的數學模型。空氣流過空氣閥的質量流量取決于管外絕對溫度Ta、大氣的絕對壓力pa、以及管內的絕對溫度T 和絕對壓力p，空氣可以分為如下幾種情況：

2.3.1 以亞音速流進

式中：Ma—空氣質量流量；

Cin—空氣閥進氣時的流量系數；

Ain—空氣閥進氣時的流通面積；

ρa—大氣密度；

R—氣體常數。

2.3.2 以臨界流速流進

2.3.3 以亞音速流速流出

式中：Cout—空氣閥排氣時的流量系數；

Aout—空氣閥排氣時閥的流通面積。

2.3.4 以臨界流速流出

2.4 波速計算

目前HAMMER 執行瞬變分析，具有校正的彈性模型公式，考慮使用管線的彈性，具體如下：

式中：

E—管材的楊氏彈性模量；

Ev—材料的體積彈性模量；

φ—與管道的支撐特性和泊松比相關的系數。

該公式適用于薄壁管（D/e ＞60），修正如下：

（1）當管道固定無軸向運動：φ= 1-μ2，μ為泊松比；

（2）當各管道之間全部用膨脹節鏈接：φ= 1；

2 工程應用

2.1 基本概況

安徽地區規劃建設的某中型泵站設計凈揚程3.7m，設計流量為17m3/s。設計選型采用3 臺立式軸流泵，配置3 臺500kW 高壓異步電機。機組采用喇叭口進水，經過伸縮節、直管、混凝土段和拍門出水。3 臺機組出水管經匯水箱后進入壓力箱涵，站后出水采用壓力箱涵輸水的型式。箱涵采用現澆鋼筋混凝土箱涵結構型式，雙孔斷面尺寸均為3.0m×2.5m（寬×高）。

2.2 泵站計算參數

機組基本參數見表1、表2。

表1 機組運行特征參數表

表2 水泵運行參數表

2.3 模型建立

首先模擬在匯水箱涵段內不設置通氣管或任何真空破壞裝置的情形，泵站輸水的壓力箱涵的長度分別取100m、300m、1000m，匯總模擬條件如表3所示。

表3 模型條件表

2.4 計算結果

計算模擬3 臺機穩態運行5s 后，突然3 臺機組突然斷電，受水流回水影響，拍門在回水后5s關閉，各100m、300m、1000m 箱涵三個條件的壓力包絡線見圖1、圖2、圖3。經水力模擬后可得圖中4條曲線：①代表管道/箱涵水錘最大水力坡度線；②代表管道/箱涵穩態時水力坡度線；③代表管道/箱涵高程；④代表管道/箱涵水錘最低水力坡度線。

圖1 100m 輸水箱涵壓力包絡線圖

圖2 300m 輸水箱涵壓力包絡線圖

圖3 1000m 輸水箱涵壓力包絡線圖

計算結果顯示100m 以內的箱涵壓力波動范圍較小。隨著箱涵長度的增加計算的最大壓力值逐漸增加，且條件二、條件三的最低真空性均達到-10m。從圖4 可以看到，匯水箱內不設置任何真空破壞裝置會在停機后形成真空，繼而引起水柱分離及彌合水錘，產生過高的壓力和過低的真空對泵站造成不利的影響。

圖4 1000m 輸水箱涵拍門外側壓力變化線圖

3 通氣管模擬

3.1 模型設置

計算模型在每臺機組拍門后設置1 根200mm 的通氣管（下簡稱方案一）。作為對比同時模擬拍門后設置1 臺200mm 防水錘型空氣閥（下簡稱方案二）。

3.2 條件一模擬

100m 箱涵的泵站增設通氣管、增設防水錘型空氣閥停機后的模擬結果見圖5、圖6。

圖5 增設通氣管后輸水箱涵包絡線圖

圖6 增設防水錘型空氣閥后輸水箱涵壓力包絡線圖

與之前對比發現，方案二在輸水箱涵上設置的防水錘型空氣閥，由于吸入口徑較大、排出口氣量較小，避免水柱分離及彌合水錘，因此能有效降低波動。方案一使用通氣管沒有產生過高的壓力值，但最低真空值為-5.5m，能基本滿足管道和箱涵的負壓的要求。

為進一步探究通氣管的影響，將通氣管的管徑增大至300mm、400mm，計算結果見圖7、圖8。

圖7 通氣管增大至300mm箱涵壓力包絡線圖

圖8 通氣管增大至400mm箱涵壓力包絡線圖

結果顯示，在100m 箱涵設置的增加的通氣管，對箱涵整體最大正壓力幾乎沒有影響，但最低真空值降至-8m、-8.5m，所以設計上應謹慎使用過大的通氣管。

3.3 條件二模擬

300m 箱涵的泵站通過方案一、方案二停機后的模擬結果見圖9、圖10。

圖9 增設通氣管后包絡線圖

圖10 增設防水錘型空氣閥后壓力包絡線圖

計算結果顯示，當輸水長度300m 箱涵配置通氣管，停機后產生了較大壓力值和真空值。顯然通氣管的設置影響未能有效的保護箱涵，停機后形成了斷流彌合水錘。而方案二防水錘型空氣閥能效降低壓力波動。

為進一步探究通氣管的影響，降低通氣管直徑為100mm，壓力包絡線見圖11。結果顯示該條件下能降低水錘正壓力，但無法有效消除真空。

圖11 調整通氣管后300m輸水箱管包絡線圖

3.4 條件三模擬

1000m 箱涵的泵站通過方案一、方案二停機后計算模擬結果見圖12、圖13。

圖12 增設防水錘型空氣閥后1000m 輸水箱管包絡線圖

圖13 增設通氣管后1000m輸水箱管包絡線圖

由圖14 可以看到，使用防水錘型空氣閥依舊有效。而設置通氣管進一步加劇了壓力波動。由于通氣管的出氣口徑過大，箱涵在斷電后趨于穩定一段時間后會在某時間突然大量吸入空氣后排出空氣，形成斷流彌合水錘。與條件二模擬相比，這種彌合又具有很大的突然性，壓力值更高，危害性也更大。

圖14 1000m 輸水箱涵拍門外側壓力變化線圖

4 結論

（1）通氣管對出口距離短的泵站影響較小，但對于中長距離箱涵或調水工程影響較大。設計使用要十分小心，因為通氣管并不具備限制排氣的能力，很可能產生斷流彌合水錘。

（2）箱涵泵站停機后產生的壓力波動規律是不同的，較長距離箱涵產生的斷流彌合水錘更具有突發性。

（3）箱涵上設置防水錘型空氣閥是有效的水錘防護措施。由于該類型空氣閥吸入口徑較大、排出口徑較小，因此可以避免停機后產生的真空彌合或斷流彌合的發生，能有效降低停機后的壓力波動。

泵站的斷流方式除了拍門以外，還有閥門、快速門等方式，它們的關閉規律、關閉時長與拍門有所不同，因此還需要進一步研究■