萬家寨引黃入晉南干線二級泵站進流布置方式探討

萬家寨引黃入晉南干線二級泵站進流布置方式探討

山西萬家寨黃金灘工程是一條集水區(qū)的大型引水工程，主要解決山西省的城市和工業(yè)用水問題，實現(xiàn)了95%的引水安全。此外，工程沿線的大多數(shù)泵站都是高流量、高流量和多臺機組。因此，根據(jù)不同的配置形式，水泵旁路系統(tǒng)形成了正、負(fù)柱配置模式。進水系統(tǒng)是關(guān)系到泵站布置及運行的關(guān)鍵,盡可能使進水池內(nèi)水流平順并減少進水管道的水力損失,以提高水泵效率及水能的利用率。南干線二級泵站是位于南干線上的一座地面泵站,引水流量25.8m3/s,共裝機6臺,其中4臺運行,2臺備用,單機流量6.45m3/s,裝機容量7.2萬kW,設(shè)計揚程140m。由于該機所處位置地形較狹窄,且來流為壓力埋管引水方式,因此成為引黃線路上進水池布置惟一成正向進流的泵站?？紤]到整個廠區(qū)地形及黃河水泥沙含量較大的特點,南干線二級泵站進水池平面上布置成窄長形,以保持池內(nèi)有一定的容積和流速;另外在進水池下游側(cè)水平向布置機組進水口。目前國內(nèi)對于該種正向進水矩形前池的進水系統(tǒng)還沒有工程實列。本文就引黃南干線二級泵站的進水形式,從方案比較、水流流態(tài)、進水管淹沒水深等方面進行設(shè)計及模型試驗的研究論證。1引進水流及引流能力該泵站水泵吸程較大,為-15m,因此前池與泵房間不是采用常規(guī)的直接連接方式,而是采用分離式進水池后接單機單管連接。由于進水建筑是泵站的重要組成部分,要求進水池有足夠的進水能力及有效容積,以便在任何工作水位時,都要保證按要求引進必要的流量,否則機組啟動過程中,池中水位下降,致使進水管淹沒深度不足,造成機組啟動困難及氣蝕等。除進水條件對進水池的流態(tài)有直接影響外,池中水流狀態(tài)又對水泵進水性能具有顯著影響,流態(tài)紊亂會造成機組裝置效率下降;機組進口如出現(xiàn)漩渦、吸氣等使水泵效率降低。因此要保證泵站進流條件,避免出現(xiàn)運行時池中水流紊亂及管路吸氣漩渦等。該站引水由垂直廠房布置的壓力埋涵,正向引水入池,故而形成了該站正向來流方式。因此根據(jù)泵站進水系統(tǒng)來流方向,先后對矩形進水池進行了多種方案的設(shè)計研究。1.1與下游進水管連接由于泵站單機流量較大,在設(shè)計初期進水系統(tǒng)布置成單機單池,即泵站各機組前均設(shè)一進水圓池,池上游為引水支管,下游與機組進水管連接,這樣泵站運行時一方面可使機組靈活開啟及檢修;另一方面清淤干擾小。由于該種布置機組啟動瞬間池內(nèi)水位跌落較大,相應(yīng)所需進水池、支管數(shù)量均為6個,工程量偏大,同時參考黃河上諸多泵站該種進水池布置多年運行結(jié)果,在多泥沙河流中由于池內(nèi)流速較小,泥沙淤積較嚴(yán)重,故而對該方案進行了修改。1.2確定水力學(xué)計算及主要水、水、水三環(huán)該種布置形式將上述方案的諸多單一圓池合并成一個大前池,但來流仍維持一機一管,意在增加進水池容積,使機組啟動時池中水流可相互補充,減少啟動瞬間池內(nèi)水位跌落;另外使來水與池后各機進水口相對應(yīng),確保來流平順。根據(jù)布置形式進行了多方案的水力學(xué)計算及水工模型試驗(見圖1)。經(jīng)試驗結(jié)果,該方案存在引水來流流態(tài)不穩(wěn)、水面波動、水頭損失較大等缺點,在此基礎(chǔ)上又進行了如下方案的比較研究。1.3進水池上游側(cè)多種引管方式分離該種方式是在多機一池方案的基礎(chǔ)上進行的修改補充,一方面解決水流流態(tài)問題,力求使來流入池后保持良好的水流流態(tài);同時力求減少由于管道分流運行在諸多分岔處所產(chǎn)生的水頭損失較大的問題。因此將進水池上游側(cè)諸多引水管減成2機、3機、6機一管方式。經(jīng)多方案的比選,在滿足水流流態(tài)良好、水頭損失較小的前提下,引水管最終為6機一管引水,來流在進水池上游側(cè)正向引水入池(見圖2)。2運行臺數(shù)及分岔對機組運行能量消耗的影響機組運行時,水流入池方式及邊界條件的改變均將對進水池流態(tài)產(chǎn)生不同程度的影響。圖1泵站進水采用6管引水,為使引水具有良好的流態(tài),將壓力埋涵在進水池上游分成一機一管,并在底部叉入進水池,形成多管分流。經(jīng)試驗由于進水主流位于池底部,進水沖擊池側(cè)壁,除了造成水面略有升高外,在機組進水管附近還產(chǎn)生回流和漩渦,因此在引水過程中由于水流的沖擊,形成了池底部水流不穩(wěn)而表層水流相對較穩(wěn)的狀態(tài)。另外由于機組運行臺數(shù)最多為4臺,造成各進水管流量不等且分岔較多,分岔處最大水頭損失系數(shù)約為1.82,水頭損失相對較大,增大了泵站運行時的能量消耗。在上述方案的基礎(chǔ)上,先后又進行了多方案的研究。將引水支管由6根改為2根八字形的干管直接引水入池,由于引水主流仍在進水池底部,機組運行時靠近池底部出水側(cè)仍存在較大的回流,故而影響進水管的水流流態(tài)。由此可見,進水池寬度較小,且引水管及各機進水管位于同一高程,那么機組運行時相互影響亦較大,機組進水水流條件就不會改善。來流只有從進水池上部進流,才能避免池底部水流紊亂現(xiàn)象。因此將進水壓力埋涵在池前呈龍?zhí)ь^明流形式至進水池上部,這樣在機組運行時引水主流位于池上部,且水流入池后向兩側(cè)擴散并轉(zhuǎn)向,故在池表面兩端產(chǎn)生一回流區(qū)。由此可見該布置基本上解決了進水由于分流引起的水頭損失較大及主流在池下部帶來的機組進口水流紊亂的問題,但仍存在池面回流現(xiàn)象。為解決池表面回流影響,最終將壓力埋涵以龍?zhí)ь^壓力流形式引水入池,這樣一方面可使來流仍在池上部;另一方面入池水流保持在水面下部,使其在一部分水重力的作用下減少回流影響,故而改善了進水池表面流態(tài)(見圖2)。3回收流和回流該站為壓力管正向引水。壓力管出口水流受進水池前墻的阻擋及機組引水的影響向兩側(cè)擴散,形成了正向進水,但兩側(cè)機組進水口仍為側(cè)向進流的狀態(tài)。故而靠近壓力管處流速大,且為正向進流,兩側(cè)就形成了回流,且流速逐漸遞減,形成進水池整體為回流趨勢。機組運行時,池內(nèi)表面靠近下游側(cè)流速較大,而兩側(cè)邊墻處流速較小,池內(nèi)垂直方向表層流速較下部流速大。另外該站存在機組全開運行時,機組對稱及非對稱開啟時流態(tài)的不同。機組對稱開啟,則池中流速分布較為理想,池中流態(tài)較好。非對稱開啟時,開機多的一側(cè)流態(tài)較差,另一側(cè)由于流速較小,故流態(tài)相對較好。因此為保證池內(nèi)具有良好水流狀態(tài),機組盡量對稱開啟運行。4水池開池口增裝設(shè)計機組啟動瞬間池內(nèi)水位要急劇下降,水位下降的多少將影響泵站進口水流流態(tài),因此池內(nèi)淹沒水深是一個極為重要的問題:淹沒度太大,相應(yīng)進水池較深,造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜;如淹沒度較小,將影響泵組安全運行。另外影響臨界淹沒水深hs的因素很復(fù)雜,它不僅和流速有關(guān)且進水池體形、進水管高度等都有影響。另一方面由于黃河水泥沙含量較多,為防泥沙淤積要求池內(nèi)有一定的流速,故進水池形式與一般泵站不同為矩形,進水管淹沒深度也較一般泵站有所差別。合理的淹沒度即在泵組運行時,進口不產(chǎn)生漩渦,以免吸入空氣,引起機組震動,降低出力。該泵站進水管位于池一側(cè)且平行池底板,目前該種布置形式還沒有專門的計算方法。主要參照電站及隧洞進水口設(shè)計。國內(nèi)外對淹沒深度曾進行過很多試驗研究,提出不同的確定臨界淹沒深度的方法,且各種方法hs值出入較大,因此必須根據(jù)工程實際情況確定hs值。本站各種計算公式比較如下:臨界淹沒深度近似估算:hs≥(0.6-1.8)D進(1)hs=CvD進1/2及hs=1.5D進(兩者取大值)(2)美國水力協(xié)會推薦:hs=2.5Q0.35(3)日本有關(guān)資料:hs=(0.5v進+1.3T/D進+0.4)D進(4)式中,C為系數(shù),取C=0.55～0.73;v進為進口流速;D進為孔口進口高度;Q為流量;T為進水管口與側(cè)墻間距。由于該站進水池前為壓力埋管,因此在機組運行時進水池水位直接影響到埋管進口水位,反之埋管進口水位又影響到進水池。故而該站池內(nèi)控制水位不僅由池中機組進水管流態(tài)為控制條件,埋管進口水位也是控制因素。試驗表明,進水池水位低于正常水位0.4m時,池內(nèi)水面稍有波動;當(dāng)池內(nèi)水位低于正常水位1.2m時,池中盡管水流波動較大,但機組進水口不進氣,此時埋管進口水位由于與進水池水位相連,故而已產(chǎn)生水躍并在埋管進口大量進氣,因此該工況池內(nèi)控制水位低于正常水位1.0m。近期2臺機運行時,池內(nèi)水位低于正常水位1.2m,埋管出口已成明流,進水池中移動漩渦增多,但無進氣漩渦,機組能正常運行。當(dāng)池內(nèi)水位低于正常水位2.1m時,埋管進口已產(chǎn)生水躍,并開始進氣,進水池中雖然水流波動較大,但仍可維持運行。經(jīng)設(shè)計計算及水工模型試驗進水池淹沒深度見表1。由表1可見該泵站進水管淹沒深度計算值與試驗值結(jié)果有所差別,這與各機平行進水管方式有關(guān)外還與進流條件及池中水流狀態(tài)有關(guān),最終該值由試驗結(jié)果確定約為進水管直徑的3倍左右。5進水池.運行工況泵站進水池的容積基本以機組啟動時的秒換水系數(shù)為準(zhǔn),當(dāng)機組啟動瞬間池內(nèi)水位要急劇下降,因此要求進水池有足夠的體積,才能保證池內(nèi)有足夠的補充水量。對于一般的泵站單機單池,相對流量較小秒換水系數(shù)K=25～30,對于多機一池的泵站來流較大該值也較大。該泵站引水渠分別與進水池相連,因此在機組運行時由于進水池已與部分引渠連成整體,相對泵站進水系統(tǒng)容積較大。進水池秒換水系數(shù)(K)見表2。進水池尺寸由V=KQ確定,式中:V為進水池的有效體積;K為秒換水系數(shù);Q為流量。由表2可見進水池秒換水系數(shù)在任何運行工況時均達到130以上。該值與一般泵站進水池所需值有較大差別,這與來流條件、進水池形式、進水口所處位置有關(guān)外,還需要在保證機組進口不產(chǎn)生氣蝕所需淹沒深度的前提下,綜合確定。6進水系統(tǒng)布置引黃南干線二級泵站進水系統(tǒng)雖為正向進流,但與一般常規(guī)泵站梯形進水池布置方式不同。圍繞著使進水水流平順,池內(nèi)水流流態(tài)良好,減少泵組進口漩渦,以及盡可能地減少水頭損失及泥沙淤積等,進行該站進水系統(tǒng)布置。在進水系統(tǒng)設(shè)計中,進水池及池前引渠流態(tài)的好壞將直接影響到池內(nèi)及各