低扬程泵站过渡过程计算及通气管设置研究
2022-08-16邹凯宁
邹凯宁
（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司 合肥 230088）
1 概述
一般低扬程泵站设计净扬程7m 以下，常用作低洼地区的排涝泵站或距离较短的输水泵站。此类型泵站在安徽、江苏等地数量众多，虽然净扬程较低，但停机后仍会产生剧烈撞击，甚至发生拍门、混凝土震碎震裂、外河倒灌的事故。由于实际机组停机后条件十分复杂，停机后箱涵还受到水流扰动、空气腔等因素影响。低扬程泵站出于开机排气的需要，汇水箱常会设有口径较大的通气管。通气管是一种进、出口等径的特殊空气阀，产生的压力波动是不容忽视的。本文以不同长度的箱涵模拟仿真水泵事故断电瞬变工况，研究不同口径通气管对泵站停机产生的影响，为工程设计和运行管理提供参考。
2 计算软件与原理
2.1 计算软件
传统的图解法简便直观易于掌握，但受到计算手段和假设条件的限制，计算精度不高。目前算法上有特征线法、有限元法、波特征法等，其中特征线法计算精度高，特别是非常容易实现电算，从而成为水锤计算最普遍的方法。本文采用Bentley 公司的HAMMER 对泵站停机进行仿真计算。
2.2 基本方程
对有压管道而言，不论在何种情况下都应满足水流的运动方程及连续方程：
将管道材料及水体当作弹性体考虑，其连续方程为：
式中：H—压力水头；
V—管道中的流速，向下游为正；
a—水击波传播速度；
f—水流摩擦阻力系数；
D—管道直径；
x—距离，其正方向与流速取为一致；
t—时间。
水击计算的特征线法，特征线方法就是选择两个不同的实数特征值λ，当特征值λ 分别取正值和负值时，得到两组方程，分别用C+和C-来命名，即：
2.3 空气阀
空气阀的进排气过程十分复杂，涉及气液两相流问题，是一个复杂的动态过程。目前空气阀在数值模拟上使用Wylie 和Streeter 等人提出的数学模型。空气流过空气阀的质量流量取决于管外绝对温度Ta、大气的绝对压力pa、以及管内的绝对温度T 和绝对压力p，空气可以分为如下几种情况：
2.3.1 以亚音速流进
式中：Ma—空气质量流量；
Cin—空气阀进气时的流量系数；
Ain—空气阀进气时的流通面积；
ρa—大气密度；
R—气体常数。
2.3.2 以临界流速流进
2.3.3 以亚音速流速流出
式中：Cout—空气阀排气时的流量系数；
Aout—空气阀排气时阀的流通面积。
2.3.4 以临界流速流出
2.4 波速计算
目前HAMMER 执行瞬变分析，具有校正的弹性模型公式，考虑使用管线的弹性，具体如下：
式中：
E—管材的杨氏弹性模量；
Ev—材料的体积弹性模量；
φ—与管道的支撑特性和泊松比相关的系数。
该公式适用于薄壁管（D/e ＞60），修正如下：
（1）当管道固定无轴向运动：φ= 1-µ2，µ为泊松比；
（2）当各管道之间全部用膨胀节链接：φ= 1；
2 工程应用
2.1 基本概况
安徽地区规划建设的某中型泵站设计净扬程3.7m，设计流量为17m³/s。设计选型采用3 台立式轴流泵，配置3 台500kW 高压异步电机。机组采用喇叭口进水，经过伸缩节、直管、混凝土段和拍门出水。3 台机组出水管经汇水箱后进入压力箱涵，站后出水采用压力箱涵输水的型式。箱涵采用现浇钢筋混凝土箱涵结构型式，双孔断面尺寸均为3.0m×2.5m（宽×高）。
2.2 泵站计算参数
机组基本参数见表1、表2。
表1 机组运行特征参数表
表2 水泵运行参数表
2.3 模型建立
首先模拟在汇水箱涵段内不设置通气管或任何真空破坏装置的情形，泵站输水的压力箱涵的长度分别取100m、300m、1000m，汇总模拟条件如表3所示。
表3 模型条件表
2.4 计算结果
计算模拟3 台机稳态运行5s 后，突然3 台机组突然断电，受水流回水影响，拍门在回水后5s关闭，各100m、300m、1000m 箱涵三个条件的压力包络线见图1、图2、图3。经水力模拟后可得图中4条曲线：①代表管道/箱涵水锤最大水力坡度线；②代表管道/箱涵稳态时水力坡度线；③代表管道/箱涵高程；④代表管道/箱涵水锤最低水力坡度线。
图1 100m 输水箱涵压力包络线图
图2 300m 输水箱涵压力包络线图
图3 1000m 输水箱涵压力包络线图
计算结果显示100m 以内的箱涵压力波动范围较小。随着箱涵长度的增加计算的最大压力值逐渐增加，且条件二、条件三的最低真空性均达到-10m。从图4 可以看到，汇水箱内不设置任何真空破坏装置会在停机后形成真空，继而引起水柱分离及弥合水锤，产生过高的压力和过低的真空对泵站造成不利的影响。
图4 1000m 输水箱涵拍门外侧压力变化线图
3 通气管模拟
3.1 模型设置
计算模型在每台机组拍门后设置1 根200mm 的通气管（下简称方案一）。作为对比同时模拟拍门后设置1 台200mm 防水锤型空气阀（下简称方案二）。
3.2 条件一模拟
100m 箱涵的泵站增设通气管、增设防水锤型空气阀停机后的模拟结果见图5、图6。
图5 增设通气管后输水箱涵包络线图
图6 增设防水锤型空气阀后输水箱涵压力包络线图
与之前对比发现，方案二在输水箱涵上设置的防水锤型空气阀，由于吸入口径较大、排出口气量较小，避免水柱分离及弥合水锤，因此能有效降低波动。方案一使用通气管没有产生过高的压力值，但最低真空值为-5.5m，能基本满足管道和箱涵的负压的要求。
为进一步探究通气管的影响，将通气管的管径增大至300mm、400mm，计算结果见图7、图8。
图7 通气管增大至300mm箱涵压力包络线图
图8 通气管增大至400mm箱涵压力包络线图
结果显示，在100m 箱涵设置的增加的通气管，对箱涵整体最大正压力几乎没有影响，但最低真空值降至-8m、-8.5m，所以设计上应谨慎使用过大的通气管。
3.3 条件二模拟
300m 箱涵的泵站通过方案一、方案二停机后的模拟结果见图9、图10。
图9 增设通气管后包络线图
图10 增设防水锤型空气阀后压力包络线图
计算结果显示，当输水长度300m 箱涵配置通气管，停机后产生了较大压力值和真空值。显然通气管的设置影响未能有效的保护箱涵，停机后形成了断流弥合水锤。而方案二防水锤型空气阀能效降低压力波动。
为进一步探究通气管的影响，降低通气管直径为100mm，压力包络线见图11。结果显示该条件下能降低水锤正压力，但无法有效消除真空。
图11 调整通气管后300m输水箱管包络线图
3.4 条件三模拟
1000m 箱涵的泵站通过方案一、方案二停机后计算模拟结果见图12、图13。
图12 增设防水锤型空气阀后1000m 输水箱管包络线图
图13 增设通气管后1000m输水箱管包络线图
由图14 可以看到，使用防水锤型空气阀依旧有效。而设置通气管进一步加剧了压力波动。由于通气管的出气口径过大，箱涵在断电后趋于稳定一段时间后会在某时间突然大量吸入空气后排出空气，形成断流弥合水锤。与条件二模拟相比，这种弥合又具有很大的突然性，压力值更高，危害性也更大。
图14 1000m 输水箱涵拍门外侧压力变化线图
4 结论
（1）通气管对出口距离短的泵站影响较小，但对于中长距离箱涵或调水工程影响较大。设计使用要十分小心，因为通气管并不具备限制排气的能力，很可能产生断流弥合水锤。
（2）箱涵泵站停机后产生的压力波动规律是不同的，较长距离箱涵产生的断流弥合水锤更具有突发性。
（3）箱涵上设置防水锤型空气阀是有效的水锤防护措施。由于该类型空气阀吸入口径较大、排出口径较小，因此可以避免停机后产生的真空弥合或断流弥合的发生，能有效降低停机后的压力波动。
泵站的断流方式除了拍门以外，还有阀门、快速门等方式，它们的关闭规律、关闭时长与拍门有所不同，因此还需要进一步研究■
