混流泵站抬机过程仿真分析及研究

邹凯宁

(安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230088)

我国南方地区兴建的大量泵站,出水应设置可靠关闭形式,否则容易出现不良后果。如某混流式机组的排灌泵站,泵站建成后投入运行后,运行一段时间后拍门止水损坏严重,机组停机后倒流,进而引发反转和抬机,严重影响机组的安全稳定运行。经现场查证,本站拍门未安装无限位装置,拍门冲开后开启角超过90°,停机后水泵回水量极大,由于长期运行拍门橡胶圈变形脱落,门座亦有不同程度的变形。

1 过程分析

1.1 停机过程

一般泵站的停机过程包括水泵工况、制动工况和水轮机工况。水泵在断电后进入制动工况,压力逐渐降压。此后,水体在重力作用下克服叶轮倒转阻力巳经开始倒流,随即拍门关闭,此时水泵进入水轮机工况。

1.2 抬机现象分析

出水流道内的水回流会在拍门内侧的产生局部真空,大气压力的作用形成压力差,使得水泵形成一个向上的推力。

水泵叶轮受回流液体的作用,出现叶轮反转,形成水轮机工况,水泵本体将受到流道内液体一个向上的推力。

如果水泵自重小于向上的2个力的合力,水泵将会产生向上的抬机现象，同时,还会发生反转现象。

2 过程仿真计算

2.1 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满足

(1)

将管道材料及水体当作弹性体考虑,其连续方程为:

(2)

其中,H为压力水头;V为管道中的流速,向下游为正;a为水击波传播速度;f为 水流摩擦阻力系数;D为管道直径;x为距离,其正方向与流速取为一致;t为时间。

水击计算的特征线法,特征线方法就是选择2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2组方程,分别用C+和C-来命名,即:

(3)

(4)

2.2 计算参数

泵站规划水位参数进水池水位为18.5m,出水池水位为27.0m。该站设计采用900HD-9型立式混流泵,配套315kW立式异步电机,站内现有的通气管为150mm。水泵流量2.72m3/s,扬程10.2m,转速为585rpm,计算得ns=169rpm,本计算根据已知ns=169rpm水泵全特性近似计算。电机转速为585r/min,电机转动惯量45kgm2。

2.3 模拟条件设定

模拟对单机组停机拍门关闭进行仿真计算,分别对拍门关闭的理想工况和延时工况进行研究。计算时机组先运行稳态运行5s,在第5s开始停机,设置理想工况为第6.2s开始关闭拍门,延时工况为7.2s开始关闭拍门,拍门的关闭持续时间均为1s。

3 计算结果

3.1 理想工况和延时工况

机组停机的理想工况和延时工况机组停机后40s转速变化情况如图1所示,理想和延时工况的拍门的背面水力坡度压力如图2所示。

图1 理想工况和延时工况机组转速变化图

图2 理想工况和延时工况拍门背面水力坡度随时间变化图

根据计算成果,可以发现仿真模拟计算基本符合泵站停机过程。开始阶段为水泵的稳态运行区间,转速恒定为585r/min,在第5s开始停机。1.2s后,水泵转速转速降为0,随后机组开始反转,在8.2s处达到最大。结合图2计算成果发现,在理想工况下拍门的背面的负压几乎不存在,而延时1s后关闭条件下,在第8.5s拍门关闭瞬间出口段出现真空度,负真空度达到-9m,此时150mm的通气管几乎没起到作用,伴随发生拍门撞击、机组抬机,接下来机组一直处于倒转状态。

3.2 通气管

由于直径为150mm的通气管几乎起不到作用,因此下一步模拟进一步取大通气管直径,分别为200mm、250mm、300mm通气管,计算结果如表1所列。

表1 拍门的关闭瞬间背面真空度

计算结果显示,随着通气管的增大,拍门背面的压力坡度开始并未发生明显改观,通气管直径为200mm,停机负压值仍处于较高,当通气管增大到250mm拍门背侧负压才明显减小,通气管直径直到300mm真空才接近消除。

3.3 缓冲装置

现有缓冲装置分为两类,一是采用弹性垫圈的形式,该类缓冲装置是针对门座冲击力过大设计,相当于门座有个缓冲,但起不到对延长关闭时间。还有一类是采用液压缸式,在拍门即将关闭前触发液压装置缓慢关闭,解决了快速关闭引起拍门内侧真空问题,对门座的冲击作用则需要设置触发关闭时的拍门开度。

仿真采用对液压缸式缓闭装置,计算对拍门整体7.2s时的采用不同的关闭程时间,拟定4个方案,依次为拍5s、10s、15s、20s的关闭时间,计算成果图3所示。

图3 拍门的缓冲关闭真空值图

从计算结果可以看到,缓冲装置可以有效降低停机拍门内侧真空值。随着拍门关闭时间的增长,拍门背面真空值逐渐变小。合理的缓冲关闭时间既可以的控制停机真空影响,机组反转的转速亦可以控制在规定的范围内。

4 结束语

本文通过仿真计算研究模拟了混流式机组关闭后机组转速和拍门内侧压力变化情况,结果显示在拍门延时关闭的情况,拍门背面出现较大真空值。此时虽设有通气管,但因口径过小对负真空作用甚微,所会仍发生机组抬机现象。根据计算建议选择缓冲型式的拍门,同时设置限位装置。虽然加大通气孔是可以去除真空,但泵站建成后改造通气孔增大难度非常大,因此今后设计阶段应充分重视考虑此问题。

同时建议拍门应选用可靠性的形式,尽量优化出水水力条件,避免拍门开度过大,出现关闭延时等问题,产生抬机或者较大关闭撞击,危害拍门及泵站安全。