引江济淮工程派河口泵站水泵流道优化设计



打印】 【页面调色版  】 信息来源:《治淮》杂志 发布时间:2017-05-22


张 鹏

安徽省水利水电勘测设计院

 

【摘 要】通过引江济淮派河口泵站出水流道优化及仿真计算,选择最佳流道,并经模型装置试验验证说明流道经过优化,装置效率可以明显提高,经济效益也十分显著。因此对于大型低扬程泵站的流道优化和仿真计算是十分必要的。
【关键词】流道优化 仿真计算 装置效率

1 概述
    引江济淮工程为国家加快推进的172项重大水利工程之一,其作用是沟通长江、淮河两大水系、解决淮河以北以及河南省部分地区的缺水问题,具有保障供水、发展航运、改善环境等巨大综合效益,设计调水流量约300m3/s,从长江引水,通过数个梯级提水泵站输送至淮北地区,输水距离700多km。派河口泵站是该工程中二级提水泵站,工程位于肥西境内。该站提水扬程范围为1.4~5.3m,总设计流量为301.5m³/s,为低扬程大流量泵站。泵站设计装机9台(其中1台备用),单泵设计流量为37.7m³/s。该站采用立式全调节轴流泵,选用经天津南水北调同台测试的TJ04-ZL-06号水泵模型,水泵叶轮直径为3.1m,水泵转速为136.4r/min,配套电动机为TL3000-44/4250立式同步电机,单机功率3000kW,泵站总装机功率27000kW。该站进水流道为肘形进水流道,出水流道为直管式出水流道。大型灌溉泵站的设计在保证设备安全、可靠运行的同时还要追求装置的高效,因此在优选水泵和电机的同时,必须对进出、水流道不断地进行优化。该站进水流道采用比较成熟肘型流道,本文重点介绍借助CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真计算手段对拟定的出水流道进行分析比较,选择最佳流道方案。
2 泵站出水流道方案拟定
    派河口泵站采用直管式出水,根据泵站的具体布置确定流道长度为15.2m(4.90D1),按《泵站设计规范》中流道出口流速不大于1.5m/s以及流道扩散角的有关规定,定流道出口断面宽度和高度分别为8.0m(2.58D1)和3.6m(1.16D1)。在流道控制尺寸确定后,为了减少流道损失,提高泵站装置效率,必须对流道过流断面进行优化,从出水流态、流道施工难度、工程投资及节能效果等方面进行比选。
2.1方案一
    在拟定的直管式出水流道控制尺寸的基础上,调整出水流道立面方向弯曲段和平面方向的形线,形成直管式出水流道方案一,该方案的流道单线图示于图1,流道线型简单,土建施工方便。

图1 直管式出水流道方案一单线图

2.2方案二
    在直管式出水流道方案一的基础上,将流道平面方向的宽度及过渡圆圆心线由直线形调整为曲线形,形成直管式出水流道方案二,该方案的流道单线图示于图2,流道断面变化采用圆弧过渡,流线相对流畅,但施工难度大于方案一。

图2 直管式出水流道方案二单线图

2.3方案三
    在直管式出水流道方案二的基础上,将流道内中隔墩长度减短为6m,形成直管式出水流道方案三,该方案的流道单线见图3,减少中间隔墩对水泵出水的影响,但增加流道顶板设计难度及工程投资。

图3 直管式出水流道方案三单线图

2.4方案四
    在直管式出水流道方案三的基础上,保持流道出口断面高程及高度不变,将流道转向后的顶部高程由5.7m调整为7.2m,以增大水流转向半径,并相应对流道形线进行调整,形成直管式出水流道方案四,该方案的流道单线见图4,改善了竖向水流流态,但流道相对复杂,土建施工难度大。

图4 直管式出水流道方案四单线图

3 仿真计算
    根据拟定的流道方案进行了仿真分析,计算流道损失,下面介绍计算理论和计算方法。
3.1 控制方程
    泵站出水流道内水流的流动属于不可压缩湍流流动。湍流流动具有紊动性,用非稳态的连续方程和Navier-Stokes方程对湍流的瞬时运动进行计算。
    考虑到湍流流动的脉动特性,采用了时均法,即把湍流运动看作是时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加。
3.2 流场的计算区域及边界条件
    为了准确地应用进口的边界条件,将出水流道计算流场从出水流道进口断面逆水流方向等直径延伸,使计算流场的进口断面设置在距出水流道进口2倍圆管直径处。在这里,可认为来流速度均匀分布,因计算流量为已知条件,故计算流场进口边界可采用速度进口边界条件。同时考虑导叶出口水流所具有一定的环量,故需在计算流场的进口设置一定的环量。
    将出水流道计算流场的出口断面设置在出水池中距出水流道出口足够远处,出口边界垂直于水流方向。在这里,流动是充分发展的,可采用自由出流边界条件。
    在计算流场中,出水池底壁、出水流道边壁及水泵导叶出口的导流帽边壁等均为固壁,其边界条件按固壁定律处理。固壁边界条件的处理对所有固壁处的节点应用了无滑移条件,而对紧靠固壁处节点的湍流特性,则应用了所谓对数式固壁函数处理之。
出水池的表面为自由水面,若忽略水面的风所引起的切应力及与大气层的热交换,则自由面的速度和湍动能均可视为对称平面处理。
3.3 流道网格剖分及算法
    在此项数值模拟研究中,进水流道和出水流道三维流动数值模拟计算区域的离散采用了结构化的六面体网格和非结构化的四面体、五面体网格,不规则结构物表面采用三角形网格。非结构化网格可以有效贴合不规则计算边界,以模拟各种形状的计算区域。将控制方程在非结构化网格上进行空间积分,获得以各控制节点流速和压力为未知变量的代数方程组。离散过程中,均采用二阶迎风差分格式。处理压力与速度耦合关系的算法,直接影响到计算的收敛速度和对计算机性能的要求。此次计算采用SIMPLEC算法。数值模拟实践证明,该算法的收敛速度和计算精度均良好。
4 仿真计算成果
    仿真计算成果见表1。

                                         表1 仿真计算成果见表

方案

设计流量(m3/s

出水流道水头损失(m

流道阻力系数(s2/m5

方案一

37.7

0.737

5.19×10-4

方案二

37.7

0.672

4.72×10-4

方案三

37.7

0.662

4.66×10-4

方案四

37.7

0.523

3.68×10-4

    从表1可以看出流道经过逐步优化,流道损失逐步降低,方案四效果最好,与方案一相差0.214m。因此推荐方案四作为派河口出水流道。
    由肘形进水流道和直管式出水流道方案四组成的派河口泵站泵装置立面单线图示于图5。

图5 派河口泵站泵装置立面单线图

5装置模型试验验证
    根据CFD仿真计算成果,进行了由肘型进水与方案一和方案四出水流道组合的装置模型试验,在设计扬程4.8m,流量37.7m3/s时,方案一与方案四模型装置效率分别为73.1%和77.07%。按设计扬程时的轴功率及泵站设计年运行小时2949h计算,方案四比方案一年节电约300万度电。
6结论
    通过派河口泵站出水流道的优化及仿真计算可以看出,对于大流量、低扬程供水泵站流道的优化及仿真计算是十分必要的,提高泵站装置效率非常明显,不仅节能而且降低输水成本,效益显著。

作者:张鹏
责任编辑:杜雅坤


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