望江县幸福河南站工程停泵水锤模拟试验研究

张玉程 董宸中

（1.山东外事职业大学 山东威海 264500；2.上海市政工程设计研究总院（集团）第六设计院有限公司 安徽合肥 230061）

1 项目概况

望江县合成圩位于望江县城东南部、华阳河出口上游处，东南侧临长江，西南隔华阳河与本县的四合圩相望，西北为宝塔河，东北隔老东隔堤与武昌湖流域六零圩相邻，总面积92.18 km2。新建幸福河南站位于同马大堤90+060 处，为大（2）型泵站，设计流量96.9m3/s，共选用6 台2200HLB 立式混流泵，配套TL2200-30 型同步电动机，单机功率2 200 kW，总装机功率13 200 kW。

经过方案比选，本站水泵型式采用立式半调节混流泵，配合采用肘形进水流道、直管式出水流道，电动机与水泵同轴，采用法兰直联。水泵叶轮直径2 200 mm、额定转速为200 r/min；水泵水力模型选用TJ11-HL-04。水泵肘形进水流道与前池相连，出口侧依次为直管式出水流道、事故快速闸门、侧翻式拍门、压力汇水箱、出水箱涵、防洪闸，后与外江相连。泵室纵剖面图如图1所示。

图1 泵室纵剖面图（单位：mm）

2 模拟试验设计

2.1 试验任务及要求

通过水锤模拟试验，研究拍门关闭时间与拍门内外压差的关系，提出建议的拍门关闭时间；对设计拟采用的通气孔水锤防护装置提供试验依据，并对其水锤防护效果进行论证，对通气孔水锤防护装置的设计尺寸提出合理化建议。

2.2 模型建立

模型的建立是实现水锤计算的关键环节，根据现场机组的实际布置形式，建立二维水力计算模型，真实反映进、出水流道，拍门及出水箱涵的空间位置关系，是准确计算水锤结果的前提。

本次模型建立，采用Hammer 水锤计算软件，该软件是基于特征线法求解非稳态条件下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，能够解决泵站水锤的过渡过程分析问题。模型建立如图2 所示。

图2 二维水锤计算模型

2.3 模拟条件设置

侧翻式拍门在关闭时其重力相对于动水压力要小得多，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。

1）水锤波速及水锤相

根据《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL140-2006）相关规定，相关参数取值：

水的弹性模量K=21.9×108N/m2；水的质量密度ρ=998 kg/m3；泊松比μ=0.28；出水流道杨氏模量E=20.5×1010N/m2；出水流道水锤波速设置为ν=1 200 m/s[1]。

假设水锤波从末端出水池处（位于出水箱涵158 m处）反射回泵站拍门处，故水锤相μ=2 L/ν=2×158/1 200=0.26 s。

实际上水锤相的数值会受其余因素影响，可能导致偏差。

2）静态参数设置

静态参数设置如表1 所示。

表1 静态参数表

3）稳态工况下泵站沿线参数设置

稳态工况下泵站沿线参数如表2 所示。

表2 稳态工况下泵站沿线参数表

3 模拟试验方案及成果

3.1 无防护措施情况下停泵水锤模拟试验

1）模拟试验方案

假定泵站出水流道至有压箱涵沿线未采取任何的水锤防护措施（水锤防护措施是指后保护装置，出水流道出口端拍门不属于后保护装置），在此状态下机组事故停机，且允许机组倒转[2]。

计算采用最高净扬程，即进水池最低水位8.20 m、出水池最高水位18.60 m。计算设置在10.0 s 机组开始关机，由于流道长度较短，假定此时机组开始出现返水，拍门关闭。由于单一的侧翻式拍门无法直接模拟，计算对拍门在10.0 s 时刻采用不同的关闭时间，模拟6 个方案，拍门关闭时间依次为10 s、15 s、20 s、30 s、40 s、50 s[3]。模拟方案设置参数见表3。

表3 模拟方案设置参数表

2）模拟试验成果

在各方案拟定的停机时间及拍门关闭时间条件下，通过模拟一定时间内泵站沿线水力坡度、流量及空气容积随时间变化情况[4]，分析拍门内、外侧压力峰值、出现的时间点及内外压差值等，模拟试验成果见表4。

表4 模拟试验成果表

由于各方案的模拟试验过程及成果类似，本次以方案3 为例，对其模拟试验成果进行详细介绍。方案3拍门关闭时间为20 s，模拟停泵50 s 内沿线水力坡度、流量及空气容积随时间变化情况[5]。事故停泵后，沿线发生很大的水力坡度继续下降，但是水力坡度下降趋势开始放缓，背面（内侧）压力在30.26 s 出现最大值94.76 m，正面（外侧）水力坡度在第30.71 s 出现最大值88.72 m。因此，在拍门关闭时间为20 s时，内外压差ΔP3=6.04 m，停机返水对拍门的冲击最小。水力坡度、流量及空气容积-时间曲线见图3。

图3 方案3 水力坡度、流量及空气容积—时间曲线

3）模拟试验成果分析

图4 为不同的拍门关闭时间下，拍门内、外侧极限水力坡度变化趋势图，图5 为不同拍门关闭时间下，拍门内外侧压差变化趋势图。随着拍门关闭持续时间的增加，拍门内、外侧极限水力坡度的差值先减小后逐步增加，并在40s 后趋于稳定[6]。拍门关闭持续时间为20 s 时，内外压差ΔPmin=6.04 m，停机返水拍门的冲击最小。在设定时间内水泵转速变化如图6 所示，规定时间段内水泵未发生倒转。在扰流延时条件下，随着拍门关闭时间的增长，拍门内外侧压力逐渐减少，压差趋于稳定。

图4 拍门内、外侧极限水力坡度随拍门关闭时间变化曲线

图5 拍门内、外侧压差随拍门关闭时间变化曲线

图6 水泵转速变化曲线

3.2 设置通气孔停泵水锤分析模拟试验

1）模拟试验方案

对综合比较之后最优的拍门关闭时间（20 s）进行模拟。如果通气孔直径参数设置不当，则可能导致管道内的原本存在的气囊被迅速排出，原本由气囊相间隔的两段水体在气囊被排出后迅速相撞，产生弥合水锤[7]。为了避免产生这种情况，需要减小排气阀的空气出流口直径，使得管道内的空气不能在水锤的过程中全部排出管道，起到类似“快进慢排气阀”的作用[8]。本设计的通气孔总共采用4 个方案，具体设置参数如表5 所示，其中不设置通气孔的计算结果参考3.1 无防护措施情况下停泵水锤模拟试验中方案3 成果。

表5 模拟方案设置参数表

2）模拟试验成果及分析

在各方案拟定的通气孔防护措施下，通过模拟一定时间内泵站沿线水力坡度、流量及空气容积随时间变化情况，分析拍门内、外侧压力峰值、出现的时间点及压差内外压差值等[7]，模拟试验成果见表6。

表6 模拟试验成果表

由于方案二、三、四的模拟试验过程及成果类似，本次以方案二为例，对其模拟试验成果进行详细介绍。

方案二拍门关闭时间为20 s，通气孔直径300 mm。图7 为目标区域安装通气孔后，停泵60 s 内沿线水力坡度、流量及空气容积随时间变化曲线。事故停泵后，受到扰流影响的情况下，拍门关闭水力坡度线内、外侧值分别为74.95 m、69.50 m，内外压差为ΔP300=5.45 m。与未加装水锤防护措施相比，通气孔吸入一定量的空气后，显著降低了沿线的水锤压力及内外压差[9]。

图7 方案二水力坡度、流量及空气容积—时间曲线

4 结论与建议

1）从无防护措施情况下停泵水锤模拟试验成果可知，扰流条件下，随着拍门关闭时间的增长，拍门外侧压力逐渐减少，内侧真空值逐渐变小，拍门内外侧压力值逐步减少。因此，适当增设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，建议拍门关闭时间在20 s 以上。

2）从设置通气孔停泵水锤分析模拟试验成果可知，侧翻式拍门增设通气孔能够有效降低拍门关闭时内外侧压力，减轻拍门的撞击。建议选择直径300 mm及以上的通气孔，能够显著降低泵站沿线的最大水锤压力[10]。

3）综合望江县幸福河南站工程停泵水锤模拟试验研究成果，不仅解决了本工程的停泵水锤防护问题，也可为同类泵站设计过程中的停泵水锤防护设计提供借鉴。此外，还应制定科学合理的泵站运行维护制度，确保工程安全稳定运行。