低扬程泵站侧翻式拍门返水关闭计算分析及技术研究

邹凯宁

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088)

我国南方大部分地区江河纵横、湖泊遍布，汛期需要排水，遇旱需要灌溉，兴建了大量低扬程泵站[1]。在多泵并联出水管道带压力水箱的泵站中，为防止事故停泵后水流倒泄，一般在压力水箱连接的出水管口装有拍门，拍门在机组启动时拍门能够迅速靠水流自行冲开。但当部分或全部机组事故停泵过程中，水流在重力作用会开始倒流，促使拍门快速关闭，产生剧烈的水锤压力。

近些年侧翻拍门推广应用的较快[2- 6]，侧翻拍门关闭过程其实较为复杂，不仅受到自身重力，还受到水阻力、门前扰流等多重因素影响。本文针对受扰流影响的停机，分析停机断电后侧翻拍门撞击的过程，基于Hammer水锤计算软件对拍门返水首次关闭进行仿真计算，分析比较关闭瞬间拍门的正反面压力值，提出降低关闭撞击的结论和建议，为设计人员和泵站管理提供参考。

1 撞击分析

泵站的停机过程停泵水锤过程包括水泵工况、制动工况和水轮机工况。水泵在断电后进入制动工况，压力逐渐降低。此后，水体在重力作用下克服叶轮倒转阻力开始倒流，随即拍门关闭，此时水泵进入水轮机工况。管内压力迅速降低并出现负压，空气和水的混合物在大气压力作用下从活门和门座缝隙进人管道。水泵端的水在大气压力和水泵倒转阻力作用下倒流速度迅速减小，倒流速度复又加大，几经反复，直至管内充满空气为止。实际泵站拍门还可能受到门前扰流影响[7]，拍门在倒流初期并未及时关闭，甚至开门角度并未变小。随着反向水流速度加大，拍门突然加速关闭，产生的很大撞击力，影响拍门座、出水管路和主机组的安全，

2 软件介绍

Hammer是Bentley公司开发的水锤计算软件，该软件是基于特征线法求解非稳态条件下求解连续性方程及动量方程，用于分析复杂的系统从一个稳态过渡到另一稳态的瞬间变化，能够解决泵站的过渡过程分析问题。

3 基本设置

3.1 泵站情况

本次模拟以安徽某立式轴流站为例，泵站采用1400ZLB5- 5型立式轴流泵。采用喇叭口进水，直管、拍门出水，机组3根出水管并联汇入压力水箱排至外河。该站出水采用无缓冲侧翻式拍门。该站规划水位参数见表1，具体布置如图1所示。水泵及电机参数见表2—3。

3.2 模拟条件设定

侧翻式拍门在关闭时其重力相对于动水压力要小得多[8- 9]，拍门的关闭主要来自水力条件影响。本次计算模拟泵站在单机组运行停机下拍门返水关闭首次拍门的正、背面压力。由于机组受到水流影响而延时关闭，首先计算水流理想条件和延时条件停泵拍门的关闭，具体时间-关闭度设置见表4。应当说明的是停机后拍门的返水关闭无法达到100%完全关闭。因为侧翻类型拍门适用于压力较低的情况，当内外过大的压力条件下，拍门密封是自身会产生漏气。

图1 机组剖面安装布置图

设计参数进水池出水池特征水位/m最高水位14.616最高运行水位14.116设计水位12.014.5最低运行水位11.013.6特征扬程/m最高净扬程5.0设计净扬程2.5最低净扬程0设计流量/(m3/s)14.2

表2 水泵运行特征曲线参数

表3 电机主要参数

通过增设缓冲装置、通气孔等防护措施，提出降低关闭撞击的建议。计算采用最高净扬程，即进水池最低水位11.0m、出水池最高水位16.0m。计算设置在5.0s机组开始关机，7.2s机组开始出现返水，拍门在此时进行关闭，关闭时间为1s，而延时为拍门全开延时1s，主要设置见表4。

表4 拍门的关闭控制参数

4 模拟及优化

4.1 扰流延时影响

假定出水拍门由于扰流的影响，无任何防护措施的条件下，拍门关闭起始时间延时1s后，对停机25s内进行计算，计算结果如图2—3。

图2 理想条件和延时条件拍门正面水力坡度随时间变化图

图3 理想条件和延时条件拍门背面水力坡度随时间变化图

计算结果显示受扰流条件影响的拍门正面水力坡度由21.0m增加到33.0m，背面8.0m降低到2.5m，正、背面压差值由13m增加到30.5m，增加到原压力2.5倍。由于受水流扰动流影响，侧翻拍门在关闭的正面压力明显增强，背面负压真空值进一步增大，此情况下拍门关闭的撞击力明显增强，危害性也更大。

4.2 缓冲装置

由于单一的小拍门无法直接模拟，计算对拍门整体7.2s时的采用不同的关闭程时间，拟定5个方案，依次为拍1、5、10、15、20s的关闭时间，设置参数见表5。

表5 拍门的开启控制参数

图4 不同缓冲时间的拍门正、背面极限水力坡度

从计算结果可以看到，扰流延时条件下，随着拍门关闭时间的增长，拍门正面压力逐渐减少，背面真空值逐渐变小，拍门正、背面压力值由30.7m减少到4.9m。增加缓冲装置可以有效降低停机返水拍门的冲击。建议拍门关闭时间在15s以上。

4.3 通气管

模拟计算对理想条件和延时条件分别进行模拟，通气管采用5个方案，分别为不设通气管(直径为0)、设100、200、300、400mm通气管，见表6，计算结果如图5—6所示。

表6 通气管设置参数

图5 理想情况设置通气管拍门正、背面水力坡度

图6 扰流延时影响设置通气管拍门正、背面水力坡度

从计算结果显示，理想停机情况下随着通气管的增大，拍门关闭正、背面的压力差由13.7m逐渐减少至5.5m。受到扰流影响的情况下，拍门关闭正、背面的压力差由30.7m逐渐减少至16.9m。计算显示，通气管的截面积较小时对拍门防护作用甚小，只有达到一定的截面积才能达到降低拍门正背面压力、减小撞击的作用。侧翻式门前通气孔面积建议选择系数0.03及以上。

4.4 组合方案

对于延时工况配置300mm通气管和15s关闭缓冲装置，计算结果如图7所示。

图7 设置通气管、缓冲装置后拍门正、背面水力坡度

受到扰流影响的情况下，拍门关闭水力坡度线正、背面值分别为20.1m、8.8m，内外压差为11.3m。拍门在采取一定的措施后防护效果比较显著。

5 结语

(1)侧翻式拍门出口应尽量优化出水水力条件，避免停机关闭后受到扰流影响，危害拍门及泵站安全。

(2)缓冲装置能够有效减少侧翻拍门停机过程的返水作用，降低拍门撞击。但现实只有外径大于1800mm拍门才设此类型装置，建议在中小型拍门推广应用。

(3)侧翻式拍门增设通气孔的能够有效降低拍门关闭时正背面压力，减轻拍门的撞击，但应设置足够大的通气孔，建议选择系数0.03及以上。