混流泵站抬機(jī)過程仿真分析及研究

鄒凱寧

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230088)

我國(guó)南方地區(qū)興建的大量泵站,出水應(yīng)設(shè)置可靠關(guān)閉形式,否則容易出現(xiàn)不良后果。如某混流式機(jī)組的排灌泵站,泵站建成后投入運(yùn)行后,運(yùn)行一段時(shí)間后拍門止水損壞嚴(yán)重,機(jī)組停機(jī)后倒流,進(jìn)而引發(fā)反轉(zhuǎn)和抬機(jī),嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查證,本站拍門未安裝無(wú)限位裝置,拍門沖開后開啟角超過90°,停機(jī)后水泵回水量極大,由于長(zhǎng)期運(yùn)行拍門橡膠圈變形脫落,門座亦有不同程度的變形。

1 過程分析

1.1 停機(jī)過程

一般泵站的停機(jī)過程包括水泵工況、制動(dòng)工況和水輪機(jī)工況。水泵在斷電后進(jìn)入制動(dòng)工況,壓力逐漸降壓。此后,水體在重力作用下克服葉輪倒轉(zhuǎn)阻力巳經(jīng)開始倒流,隨即拍門關(guān)閉,此時(shí)水泵進(jìn)入水輪機(jī)工況。

1.2 抬機(jī)現(xiàn)象分析

出水流道內(nèi)的水回流會(huì)在拍門內(nèi)側(cè)的產(chǎn)生局部真空,大氣壓力的作用形成壓力差,使得水泵形成一個(gè)向上的推力。

水泵葉輪受回流液體的作用,出現(xiàn)葉輪反轉(zhuǎn),形成水輪機(jī)工況,水泵本體將受到流道內(nèi)液體一個(gè)向上的推力。

如果水泵自重小于向上的2個(gè)力的合力,水泵將會(huì)產(chǎn)生向上的抬機(jī)現(xiàn)象，同時(shí),還會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2 過程仿真計(jì)算

2.1 基本方程

對(duì)有壓管道而言,不論在何種情況下都應(yīng)滿足水流的運(yùn)動(dòng)方程及連續(xù)方程滿足

(1)

將管道材料及水體當(dāng)作彈性體考慮,其連續(xù)方程為:

(2)

其中,H為壓力水頭;V為管道中的流速,向下游為正;a為水擊波傳播速度;f為 水流摩擦阻力系數(shù);D為管道直徑;x為距離,其正方向與流速取為一致;t為時(shí)間。

水擊計(jì)算的特征線法,特征線方法就是選擇2個(gè)不同的實(shí)數(shù)特征值λ,當(dāng)特征值λ分別取正值和負(fù)值時(shí),得到2組方程,分別用C+和C-來命名,即:

(3)

(4)

2.2 計(jì)算參數(shù)

泵站規(guī)劃水位參數(shù)進(jìn)水池水位為18.5m,出水池水位為27.0m。該站設(shè)計(jì)采用900HD-9型立式混流泵,配套315kW立式異步電機(jī),站內(nèi)現(xiàn)有的通氣管為150mm。水泵流量2.72m3/s,揚(yáng)程10.2m,轉(zhuǎn)速為585rpm,計(jì)算得ns=169rpm,本計(jì)算根據(jù)已知ns=169rpm水泵全特性近似計(jì)算。電機(jī)轉(zhuǎn)速為585r/min,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量45kgm2。

2.3 模擬條件設(shè)定

模擬對(duì)單機(jī)組停機(jī)拍門關(guān)閉進(jìn)行仿真計(jì)算,分別對(duì)拍門關(guān)閉的理想工況和延時(shí)工況進(jìn)行研究。計(jì)算時(shí)機(jī)組先運(yùn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行5s,在第5s開始停機(jī),設(shè)置理想工況為第6.2s開始關(guān)閉拍門,延時(shí)工況為7.2s開始關(guān)閉拍門,拍門的關(guān)閉持續(xù)時(shí)間均為1s。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 理想工況和延時(shí)工況

機(jī)組停機(jī)的理想工況和延時(shí)工況機(jī)組停機(jī)后40s轉(zhuǎn)速變化情況如圖1所示,理想和延時(shí)工況的拍門的背面水力坡度壓力如圖2所示。

圖1 理想工況和延時(shí)工況機(jī)組轉(zhuǎn)速變化圖

圖2 理想工況和延時(shí)工況拍門背面水力坡度隨時(shí)間變化圖

根據(jù)計(jì)算成果,可以發(fā)現(xiàn)仿真模擬計(jì)算基本符合泵站停機(jī)過程。開始階段為水泵的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行區(qū)間,轉(zhuǎn)速恒定為585r/min,在第5s開始停機(jī)。1.2s后,水泵轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速降為0,隨后機(jī)組開始反轉(zhuǎn),在8.2s處達(dá)到最大。結(jié)合圖2計(jì)算成果發(fā)現(xiàn),在理想工況下拍門的背面的負(fù)壓幾乎不存在,而延時(shí)1s后關(guān)閉條件下,在第8.5s拍門關(guān)閉瞬間出口段出現(xiàn)真空度,負(fù)真空度達(dá)到-9m,此時(shí)150mm的通氣管幾乎沒起到作用,伴隨發(fā)生拍門撞擊、機(jī)組抬機(jī),接下來機(jī)組一直處于倒轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.2 通氣管

由于直徑為150mm的通氣管幾乎起不到作用,因此下一步模擬進(jìn)一步取大通氣管直徑,分別為200mm、250mm、300mm通氣管,計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 拍門的關(guān)閉瞬間背面真空度

計(jì)算結(jié)果顯示,隨著通氣管的增大,拍門背面的壓力坡度開始并未發(fā)生明顯改觀,通氣管直徑為200mm,停機(jī)負(fù)壓值仍處于較高,當(dāng)通氣管增大到250mm拍門背側(cè)負(fù)壓才明顯減小,通氣管直徑直到300mm真空才接近消除。

3.3 緩沖裝置

現(xiàn)有緩沖裝置分為兩類,一是采用彈性墊圈的形式,該類緩沖裝置是針對(duì)門座沖擊力過大設(shè)計(jì),相當(dāng)于門座有個(gè)緩沖,但起不到對(duì)延長(zhǎng)關(guān)閉時(shí)間。還有一類是采用液壓缸式,在拍門即將關(guān)閉前觸發(fā)液壓裝置緩慢關(guān)閉,解決了快速關(guān)閉引起拍門內(nèi)側(cè)真空問題,對(duì)門座的沖擊作用則需要設(shè)置觸發(fā)關(guān)閉時(shí)的拍門開度。

仿真采用對(duì)液壓缸式緩閉裝置,計(jì)算對(duì)拍門整體7.2s時(shí)的采用不同的關(guān)閉程時(shí)間,擬定4個(gè)方案,依次為拍5s、10s、15s、20s的關(guān)閉時(shí)間,計(jì)算成果圖3所示。

圖3 拍門的緩沖關(guān)閉真空值圖

從計(jì)算結(jié)果可以看到,緩沖裝置可以有效降低停機(jī)拍門內(nèi)側(cè)真空值。隨著拍門關(guān)閉時(shí)間的增長(zhǎng),拍門背面真空值逐漸變小。合理的緩沖關(guān)閉時(shí)間既可以的控制停機(jī)真空影響,機(jī)組反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速亦可以控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過仿真計(jì)算研究模擬了混流式機(jī)組關(guān)閉后機(jī)組轉(zhuǎn)速和拍門內(nèi)側(cè)壓力變化情況,結(jié)果顯示在拍門延時(shí)關(guān)閉的情況,拍門背面出現(xiàn)較大真空值。此時(shí)雖設(shè)有通氣管,但因口徑過小對(duì)負(fù)真空作用甚微,所會(huì)仍發(fā)生機(jī)組抬機(jī)現(xiàn)象。根據(jù)計(jì)算建議選擇緩沖型式的拍門,同時(shí)設(shè)置限位裝置。雖然加大通氣孔是可以去除真空,但泵站建成后改造通氣孔增大難度非常大,因此今后設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分重視考慮此問題。

同時(shí)建議拍門應(yīng)選用可靠性的形式,盡量?jī)?yōu)化出水水力條件,避免拍門開度過大,出現(xiàn)關(guān)閉延時(shí)等問題,產(chǎn)生抬機(jī)或者較大關(guān)閉撞擊,危害拍門及泵站安全。