长江低水位形势下高港泵站运行性能分析

吴鹏鹏 王宇凡 张楚楚

(江苏省泰州引江河管理处,江苏 泰州 225300)

本文以高港泵站为工程背景,对长江低水位形势下高港泵站运行效能进行分析,采用CFX软件,对高港泵站三种运行水位工况下的进水流态进行数值模拟研究,对比了各方案下的前池流线分布及速度、淤涡分布、进水池纵剖面轴向速度分布,并提出流态调整应对措施,为高港泵站安全高效运行提供技术支撑。

1 工程概况

高港枢纽泵站位于泰州市医药高新区,是泰州引江河高港枢纽工程的重要组成部分,主要作用是通过泰东河、通榆河等将长江水东引、北调,解决沿海垦区和苏北部分地区用水问题,并可抽排里下河地区涝水。工程建成于1999年9月,为大(1)型泵站,共安装9台套直径3m的立式开敞式轴流泵,配套2000kW同步电动机,单台设计流量34m3/s,总抽水流量300m3/s,总装机容量18000kW;有抽引、抽排以及利用下层流道自引等工况[1](见表1)。泵站采用堤身式双向箱型流道结构,立轴双层进出水流道,快速闸门断流。泵站站身上下共分4层,从下而上分别为进水流道层、出水流道层、联轴层、电机层。进、出水流道为双层矩形结构,上、下游上下层流道进出口各设一道钢质平面快速闸门,配卷扬式启闭机,每台机组共4扇。

表1 高港泵站抽排水水位组合和扬程

2 工程运行效率影响研究

2.1 高港泵站水泵装置性能曲线分析

从高港泵站水泵装置性能曲线图(见图1)中可以看出,抽引工况最高扬程3.0m:叶片安放角为-4°时,泵站水泵装置效率为70.1%,流量为27.5m3/s;叶片安放角为-2°时,泵站水泵装置效率为70.6%,流量为29.6m3/s;叶片安放角为0°时,泵站水泵装置效率为70%,流量为32.1m3/s;叶片安放角为2°时,泵站水泵装置效率为68.3%,流量为34.7m3/s;叶片安放角为4°时,泵站水泵装置效率为66%,流量为37.5m3/s。

图1 高港泵站水泵装置性能曲线

抽引工况设计扬程2.5m:叶片安放角为-4°时,泵站水泵装置效率为68.2%,流量为28.3m3/s;叶片安放角为-2°时,泵站水泵装置效率为68.1%,流量为29.6m3/s;叶片安放角为0°时,泵站水泵装置效率为67%,流量为33.4m3/s;叶片安放角为2°时,泵站水泵装置效率为65.1%,此时流量为35.8m3/s;叶片安放角为4°时,泵站水泵装置效率为63.6%,流量为38.6m3/s。

抽引工况最低扬程1.0m:泵站水泵装置性能曲线缺失。不难看出,在扬程一定(扬程小于4.0m)的情况下,随着叶片安放角度的调小,水泵装置的效率就越大,但是其过流能力(即流量)会减小[2]。

2.2 高港泵站历史运行效率分析

在抽引工况最低设计扬程下,高港泵站水泵装置性能曲线缺失,因此通过历史实测运行数据对缺失部分进行适当补充。

从2021年7月10日6号机组抽排工况运行参数图(见图2)中可以看出:当叶片安放角度为-2°时,水泵装置效率最高为58.48%,内河水位为1.39m,长江侧水位为5.01m,扬程为3.62m,流量为23.77m3/s;当叶片安放角度为0°时,水泵装置效率最高为59.62%,内河水位为1.95m,长江侧水位为5.16m,扬程为3.21m,流量为28.90m3/s。

图2 高港泵站6号机组性能曲线

从2021年2月17日2号机组抽引工况(叶片安放角度0°)运行参数图(见图3)中可以看出:当长江侧水位为0.28m,内河水位为2.78m,扬程为2.5m,流量为33.39m3/s时,水泵装置效率为64.13%;当长江侧水位为1.76m,内河水位为2.76m,扬程为1.0m,流量为36.65m3/s时,水泵装置效率为36.16%。

图3 高港泵站2号机组性能曲线

2.3 低潮位运行效率分析

从2021年3月19日3号机组抽引工况(叶片安放角度0°)运行参数图(见图4)中可以看出:当长江侧内河水位为2.1m,内河水位为2.8m,扬程为0.7m,流量为37.11m3/s时,水泵装置效率为28.56%;当长江侧水位为1.5m,内河水位为2.77m,扬程为1.27m,流量为36.65m3/s时,水泵装置效率为42.68%;当长江侧水位为1.18m,内河水位为2.77m,扬程为1.59m,流量为35.4m3/s时,水泵装置效率为50.07%;当长江侧水位为0.53m,内河水位为2.74m,扬程为2.21m,流量为34.06m3/s时,水泵装置效率为59.57%;当长江侧水位为0.02m(最低潮水位),内河水位为2.74m,扬程为2.72m,流量为32.87m3/s时,水泵装置效率为64.82%。

图4 高港泵站3号机组性能曲线

不难看出,对于高港泵站而言,长江侧低潮水位变化对其水泵装置表现出长江侧水位越低(内河水位基本均在2.8m左右浮动)水泵装置效率越高的趋势,但是,机组过流能力(即流量)表现出相反的趋势。

3 引调水能力影响研究

3.1 数值模拟理论

基于UG12.0软件,对泵站进水建筑物进行三维建模,计算域包括引渠、前池、进水池,见图5。引渠南北向总长140.2m,东西向总长395.3m。前池南北向总长90m,东西向总长20m。进水池长87.9m,宽10m。

图5 计算域

3.1.1 控制方程

泵站工程内的水流,遵守基本的物理守恒定律。因此,控制方程包括连续方程、动量方程和能量方程[3]。进行泵站前池及进水池流动分析时,一般不考虑热交换。对于不可压缩流体,其连续性方程为

动量方程又称N-S方程,可写为

式中:ui、uj分别为流速在i、j方向上的分量;xi、xj为坐标方量;p为压力;τij为应力张量;ρgi为重力项;Fi为外部源项。其中应力张量为

式中:uij为动力黏度;δij为克罗内克·德拉符号(当i=j时,δij=1;当i≠j时,δij=0)。

3.1.2 边界条件

将引渠的进口断面设置为进口,采用质量流量。将进水池的出口断面设置为出口,设置为自由出流,参考压力为1个大气压。自由液体表面与空气接触的表面设置为symmetry,其他壁面设置为wall,固体边界则采用无滑移的边界条件(No Slip)[4]。引渠和前池、前池和进水池的交界面设置为静静交界面。

三维定常数值计算主要参数设置见表2。

表2 三维定常数值计算主要参数设置

3.1.3 网格剖分及无关性分析

网格是流体控制方程空间离散化的基础,对于计算域而言,常用的网格有四面体网格和六面体网格等。

本文采用ANSYS MESH软件,对引渠和前池进行非结构化网格划分,对进水池进行结构化网格剖分[6]。通过网格无关性分析,发现网格数量超过180万时,计算域水力损失无明显变化。计算域见图6。

图6 计算域

3.1.4 研究方案

研究不同机组运行方案见表3。

表3 研究方案

3.2 流态分析

3.2.1 流线分析

从方案1、方案2前池流线分布及速度云图[7](见图7)中可以看出,当长江侧水位为0m时,由于节制闸的关闭,方案1下节制闸前存在一个大面积回流区并使前池内的主流受到明显的挤压。在前池导流隔墩附近,存在较大尺度的漩涡[8]。

方案2下前池内中层、底层流态与面层流态相差不大,闸门前端存在一个大面积回流区,挤压前池内的主流。与方案1相比(两台机组运行),三台机组运行,前池内的流态得到改善,长导流墩附近回流区的范围明显缩小。

从方案3、方案4前池的流线分布及速度云图(见图8)中可以看出,当长江侧水位为-0.43m时,方案3下前池内各层流态较差,存在多个大尺度回流区,泵站机组前端长隔墩处存在明显漩涡。与方案1(长江侧水位为0m)相比,前池内的流态更差。

方案4下前池内底层流态与面层、中层流态相差不大,闸门前面存在一个大面积回流区并挤压前池内的主流。与方案3(两台机组运行)相比,方案4前池内回流区的面积大约减少1/10,但是依旧挤压前池水流。

从方案5、方案6下前池的流线分布及速度云图(见图9)中可以看出,当长江侧水位为-1m时,方案5下前池内底层、中层及面层流态相差不大,均在闸门前端以及隔墩附近存在一个大面积回流区,并使得引渠内的主流明显受到挤压。与方案1(长江侧水位为0m)和方案3(长江侧水位为-0.43m)相比,前池内的进水流态更差。

方案6下前池内底层、中层流态与面层流态相差不大,闸门处存在一个大面积回流区并使得引渠内的主流受到明显的挤压。与方案5相比(两台机组运行),方案6(三台机组运行)进水流态有所改善。

综上,在机组运行台数不变的情况下,前池内的流态均较差;随着长江侧水位的降低,前池内的流态愈发紊乱。在长江侧水位不变的情况下,三台机组运行时前池内的流态明显优于两台机组运行时前池内的流态。

3.2.2 漩涡分析

从漩涡分布图(见图10)中可以看出,不同方案下,前池内均存在大尺度的立面涡,大尺度漩涡主要分布在隔墩及闸门附近,并从底层持续到面层。

从方案1、方案3、方案4中明显能看出:在机组运行台数不变的情况下,随着长江侧水位的降低,前池内的立面涡的尺度有逐渐增大的趋势。

从方案1、方案2中明显能看出,在长江侧水位不变的情况下,三台机组运行时前池内的漩涡尺度明显小于两台机组运行时前池内的漩涡尺度。

3.3 流动均匀特性分析

从各方案下进水池纵剖面轴向速度分布云图(见图11)中可以看出,各方案的进水池轴向流速分布不均匀,方案1、方案2和方案5都明显出现了负流速区。当机组运行时,其对应的进水池都出现了高流速区,随着长江侧水位的降低,进水池高流速区的面积也逐步增大。其中方案3、方案4和方案6的高流速区面积达90%以上,进水池特征断面轴向流速分布不对称,轴向速度分布极不均匀。水流流态分布不佳[9]。

图11 轴向速度分布云图

从两台机组运行时各方案下进水池出口断面的轴向流速分布均匀度、速度加权平均角表(见表4)中可以看出,对于进水池出口断面,三种情况下各进水池纵剖面流速均匀度最大为87.65%,最小为77.57%。长江侧水位为0m与-0.43m下,2号和3号进水池流速均匀性及平均性均较好。长江侧水位为-1m时,2号和3号进水池的轴向流速分布均匀度和速度加权平均角均略有降低,只有3号机组的流速均匀度有所提高。长江侧水位为0m时,各进水池纵剖面速度加权平均角均较好,最大为74.81°,最小为71.25°。

表4 进水池出口断面轴向流速均匀度和加权平均角(两台机组)

从三台机组运行时各方案下进水池出口断面的轴向流速分布均匀度、速度加权平均角表[10](见表5)中可以看出,长江侧水位为0m下,各进水池纵剖面流速均匀度之间相差不是很大,其中最大为87.37%,最小为86.41%。长江侧水位为-0.43m与0m相比,2号、3号和7号机组流速均匀性及平顺性整体并没有发生显著变化。 长江侧水位为-1m时,2号、3号机组进水池流速均匀性及平均性均较好。长江侧水位为0m时,各进水池纵剖面速度加权平均角均较好, 最大为74.64°,最小为73.195°。

表5 进水池出口断面轴向流速均匀度和加权平均角(三台机组)

3.4 出口流量特性分析

从各方案下机组过流能力柱状图(见图12)中可明显看出,在开两台机组的情况下2号机组和3号机组出水口流量分布不均匀,2号出水口与3号出水口相差近2m3/s,这是由于进水池流态紊乱,水流不平顺,影响出水效率。同样的情况也出现在开三台机组的情况。

图12 各方案下机组过流能力柱状图

4 应对措施

基于数值模拟对泵站多机组运行时进水前池及进水池的流态变化进行了分析,对比了各方案下的前池流线分布及速度、漩涡分布、进水池纵剖面轴向速度分布,给出了3种流态调整应对措施:一是针对高港泵站流道进水侧存在的漩涡,可考虑在进水流道隔墩上布置异形消涡板、消涡梁等消涡设施,破坏进入进水流道内的漩涡,改善流道内的水流流态;二是高港泵站机组运行时,可以明显观测到前池内流态较为紊乱,为改善前池内的流态,可考虑在长隔墩(泵站与闸门之间)上开孔、延长长隔墩长度、三道短隔墩中间布置翼形导流板、立柱、底坎等整流设施,使流线趋于均匀分布,流速分布也更加合理;三是高港泵站共有9台机组,可考虑不同开机组合以改善前池内水流流态,进而减少池内水力损失,提高泵站运行效率。

5 结 语

本文梳理分析了高港泵站在长江低水位不利工况条件下运行出现的实际问题和隐患,总结提出了可采取的有效处置措施与对策,确保泵站机组安全高效运行。下一步泵站管理单位将根据设备特点和不同工况运行要求、存在问题,有针对性地开展新技术、新设备、新泵型的研究与应用。积极探索进行大中型泵站全要素精密监测、智能化改造、智慧运行管理系统研发等,以先进科技提高泵站超设计工况运行能力、支撑泵站安全高效运行。