滇中引水石鼓水源泵站過渡過程計(jì)算研究

桂紹波，金德山，李 玲，王華軍，王建華

(長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

滇中引水工程是國務(wù)院批復(fù)的提出解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水的特大型跨流域引水工程，實(shí)施該工程可有效緩解滇中地區(qū)較長時(shí)期缺水矛盾，改善河道及高原湖泊的生態(tài)及水環(huán)境狀況，對(duì)促進(jìn)云南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

水源泵站是滇中引水工程的首要組成部分，承擔(dān)向大理、麗江、楚雄、昆明、玉溪和紅河等城市的城鎮(zhèn)生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉供水，以及向滇池、杞麓湖、異龍湖等湖泊的生態(tài)補(bǔ)水任務(wù)。該工程設(shè)計(jì)水平年2040年年平均引水量34.03億m3，泵站設(shè)計(jì)抽水流量為135m3/s，在初步設(shè)計(jì)階段推薦裝機(jī)12臺(tái)，其中10臺(tái)工作、2臺(tái)備用，泵站年利用小時(shí)數(shù)為7002h。

滇中引水工程水源為石鼓無壩取水，引水渠布置于石鼓鎮(zhèn)大同村下游金沙江右岸灘地，進(jìn)水流道分1#、2#兩個(gè)水力單元布置，每個(gè)水力單元采用六機(jī)一洞的布置形式，且由主洞、上游調(diào)壓室、埋涵、岔管及支洞組成，入口中心線高程為1806.35m。主洞由進(jìn)水隧洞、進(jìn)水調(diào)壓室及進(jìn)水埋涵組成，1#水力單元輸水流道左岸進(jìn)水隧洞長度2584.18m，洞內(nèi)徑6.7m；穿沖江河涵管段長700m，洞內(nèi)徑6.7m；右岸進(jìn)水隧洞至分叉管由兩部分組成：調(diào)壓室前隧洞長度為459.40m，內(nèi)徑6.7m；調(diào)壓室后至分叉管隧洞長度為157.20m，洞內(nèi)徑6.7m；上游進(jìn)水調(diào)壓室斷面面積為900.0m2。進(jìn)水流道軸線在立面上采用兩段斜坡接三段平底坡的布置方式，后經(jīng)水泵機(jī)組順揚(yáng)水流向依次布置緩閉式液控球閥和檢修球閥，檢修球閥后出水流道分兩個(gè)水力單元布置，每個(gè)水力單元采用六機(jī)一洞，且主要由支洞及主洞組成。每個(gè)水力單元六條洞徑1.6～2.5m揚(yáng)水支洞依次匯入泵站下游側(cè)出水主洞，主洞軸線長約341.33m，洞徑6.0m，采用豎井連接方式，出水主洞出口通過出水池與香爐山隧洞相聯(lián)。

為了保證滇中引水工程水源泵站水泵電動(dòng)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，本文主要針對(duì)前述的流道布置形式，對(duì)滇中引水工程水源泵站的水力過渡過程進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，以致力于為滇中引水工程水源泵站的輸水系統(tǒng)布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

1 泵站基本資料

1.1 泵站特征水位

(1)泵站進(jìn)水池水位。最高水位(P=5%洪水日平均)1825.82m，設(shè)計(jì)水位1816.54m，最低水位1816.09m，平均水位(多年旬平均)1817.84m。

(2)泵站出水池水位。最高水位(137.0m3/對(duì)應(yīng)水位)2035.25m，設(shè)計(jì)水位(135.0m3/對(duì)應(yīng)水位)2035.17m，平均水位(107.9m3/對(duì)應(yīng)水位)2034.19m，最低水位(13.5m3/s流量)2030.50m。

(3)泵站揚(yáng)程。最大揚(yáng)程219.16m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程218.63m，最小揚(yáng)程204.68m，加權(quán)平均揚(yáng)程216.64m。

(4)水泵揚(yáng)程。水泵揚(yáng)程為泵站揚(yáng)程計(jì)入水力損失及出口動(dòng)能，根據(jù)泵站輸水系統(tǒng)布置，水泵最大揚(yáng)程226.42m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程225.80m，平均揚(yáng)程223.80m，最小揚(yáng)程207.90m。

1.2 水泵性能參數(shù)及全特征曲線

水泵機(jī)組采用單級(jí)、單吸式立式離心泵，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 水泵機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

水源泵站水泵機(jī)組比轉(zhuǎn)速為98.70m·m-3/s，該模型泵全特性曲線如圖1所示。一般而言，采用同類型、比轉(zhuǎn)速相近的水泵模型全特性曲線對(duì)水泵過渡過程計(jì)算結(jié)果影響較小，有較好的近似性。

圖1 水源泵站水泵模型四象限曲線

1.3 輸水系統(tǒng)計(jì)算簡圖及分段

滇中引水工程水源泵站廠房分1#和2#兩個(gè)水力單元布置，考慮1#、2#兩個(gè)水力單元布置基本相同，且調(diào)壓室規(guī)模1#和2#水力單元相同，斷面面積均為900m2。其中，1#和2#水力單元引水隧洞和揚(yáng)水隧洞分別以1#機(jī)組和7#機(jī)組最長。因此，在本文過渡過程設(shè)計(jì)計(jì)算中，選擇1#水力單元(1#～6#機(jī)組)輸水系統(tǒng)作為主要研究對(duì)象，輸水系統(tǒng)的分段、當(dāng)量管編號(hào)建模如圖2所示。

圖2 水源泵站輸水系統(tǒng)分段建模

1.4 推薦閥門關(guān)閉及開啟規(guī)律

根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，高揚(yáng)程、長壓力管道的泵站，水泵出口工作閥門宜選用兩階段的關(guān)閉規(guī)律。接力器多段關(guān)閉規(guī)律主要由機(jī)械液壓裝置或機(jī)械電氣轉(zhuǎn)換裝置的切換來實(shí)現(xiàn)。水源泵站水泵機(jī)組單機(jī)容量較大，屬于巨型泵站，且輸水系統(tǒng)復(fù)雜，經(jīng)多方案計(jì)算優(yōu)化及敏感性分析研究，水源泵站水泵出口閥門零開度至滿開度的開啟時(shí)間整定為60.0s；停機(jī)時(shí)閥門采用前25s關(guān)閉80%，后35s關(guān)閉20%的兩段關(guān)閉規(guī)律。液控緩閉球閥的關(guān)閉和開啟規(guī)律如圖3和圖4所示。

圖3 水泵出口閥門開啟規(guī)律

圖4 水泵出口閥門分段關(guān)閉規(guī)律

1.5 過渡過程設(shè)計(jì)依據(jù)及計(jì)算目標(biāo)值

根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，滇中引水工程水源泵站過渡過程計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)如下[6- 10]。

1.5.1機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速升高率控制值

在不同運(yùn)行揚(yáng)程組合下，當(dāng)水泵電動(dòng)機(jī)突發(fā)各種最不利組合工況下的斷電事故，水泵出水液壓球閥分階段關(guān)閉時(shí)，水泵電動(dòng)機(jī)最大倒轉(zhuǎn)速不超過1.2倍的額定轉(zhuǎn)速；水泵機(jī)組在低于額定轉(zhuǎn)速40%的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間不應(yīng)超過2min。

在不同運(yùn)行水位組合下，當(dāng)水泵電動(dòng)機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行突然事故斷電甩負(fù)荷，在最高揚(yáng)程及水泵出口閥全開(拒動(dòng))的情況下，其倒轉(zhuǎn)最大飛逸轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于1.4倍的額定轉(zhuǎn)速。

1.5.2機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率控制值

最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍，水泵蝸殼出口最大水擊壓力升高不超過3.5MPa。

1.5.3壓力隧洞和管道

引水系統(tǒng)任何部位管頂壓力計(jì)算限值不小于2mH2O，且不應(yīng)該出現(xiàn)負(fù)壓和脫流現(xiàn)象。

1.5.4調(diào)壓室涌浪

最低涌浪水位計(jì)算限值宜最少高于調(diào)壓室底板高程2m，最高涌浪水位計(jì)算限值宜低于交通廊道最高點(diǎn)高程或頂部起重設(shè)備底部高程1m。

1.5.5調(diào)壓室穩(wěn)定性

調(diào)壓室水位波動(dòng)呈穩(wěn)定收斂趨勢(shì)，不出現(xiàn)波動(dòng)發(fā)散和共振現(xiàn)象。

2 計(jì)算工況

針對(duì)滇中引水工程水源泵站的流道布置、輸水系統(tǒng)特點(diǎn)、泵站運(yùn)行方式，機(jī)組負(fù)荷變化規(guī)律等特點(diǎn)，過渡過程計(jì)算主要考慮正常運(yùn)行穩(wěn)態(tài)工況、簡單工況、組合工況和水力干擾工況等四大類工況，每大類又根據(jù)泵站水位不同、揚(yáng)程不同、負(fù)荷擾動(dòng)的大小及組合方式不同可分別組合成W1～W9(W穩(wěn)態(tài))、D1～D9(簡單工況)、Z1～Z14(組合工況)、GR1～GR9(水力干擾)共41種設(shè)計(jì)工況以及DJ1～DJ6(校核工況)共6種校核工況對(duì)水源泵站進(jìn)行全面的水機(jī)電聯(lián)合過渡過程計(jì)算。主要涵蓋內(nèi)容如下[1,4,5]：

(1)不設(shè)置水錘防護(hù)措施下，計(jì)算出輸水系統(tǒng)在最不利工況下的最大水錘壓力和最低負(fù)壓，以及水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、最大倒泄流量等最不利工作參數(shù)。

(2)在事故停機(jī)情況下輸水系統(tǒng)壓力包絡(luò)線。給出泵站兩階段關(guān)閉閥門的最佳關(guān)閉時(shí)間和比例。

(3)計(jì)算泵站正常開、停機(jī)情況下的壓力包絡(luò)線。給出泵站正常的開停機(jī)運(yùn)行程序。

(4)在保證工程運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程投資、運(yùn)行方式等進(jìn)行技術(shù)方案設(shè)計(jì)，提出安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的水錘防護(hù)措施。

拈花灣北靠靈山勝境，擇取佛教文化中的禪，以生活禪為旅游賣點(diǎn)。夜間旅游產(chǎn)品的開發(fā)，活躍了靈山景區(qū)的旅游活動(dòng)。白天游靈山景區(qū)，夜晚宿拈花小鎮(zhèn)，成為游客新的旅游消費(fèi)選擇。拈花灣通過住宿與佛教文化的深度開發(fā)，將游覽靈山勝境的游客留下來，與靈山景區(qū)形成了聯(lián)動(dòng)，既能自成一體，又為靈山提供配套服務(wù)，成為聯(lián)合型旅游產(chǎn)品。

(5)考慮備用機(jī)組運(yùn)行方式的多樣性，分析計(jì)算同一水力單元6臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)突然掉電閥門關(guān)閉等過渡過程校核工況。

(6)計(jì)算機(jī)組事故掉電工況，出口液控工作閥門拒動(dòng)、檢修閥門關(guān)閉等過渡過程校核工況。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 敏感性分析

3.1.1調(diào)壓室面積對(duì)過渡過程參數(shù)影響

水源泵站進(jìn)水側(cè)調(diào)壓室的主要作用在于防止水泵機(jī)組吸水管水擊壓力過高而影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也為了防止引水隧洞上彎段末端壓頭不足而出現(xiàn)脫流和液柱分離。本文對(duì)1#水力單元分別選取800.0m2、1000.0m2、1200.0m2進(jìn)行敏感性分析。計(jì)算結(jié)果表明，調(diào)壓室斷面面積由800m2增加至1000m2，對(duì)機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、蝸殼出口最大壓力值基本沒有影響。調(diào)壓室面積的改變主要影響調(diào)壓室涌浪、引水隧洞上彎段末端最小壓力，其變化規(guī)律為：隨著調(diào)壓室面積的增加，調(diào)壓室涌浪值逐漸降低，調(diào)壓室的最高和最低涌浪值均相應(yīng)減小，引水隧洞上彎段末端最小壓力相應(yīng)增大，且當(dāng)調(diào)壓室面積為800m2時(shí)，引水隧洞中心最小壓力為3.49m(對(duì)應(yīng)洞頂壓力為0.24m)，顯然不滿足規(guī)范所規(guī)定的引水隧洞洞頂壓力不能小于2mH2O的要求，而對(duì)于調(diào)壓室面積為1000m2和1200m2兩個(gè)方案，引水隧洞中心最小壓力為5.54mH2O和6.69mH2O，按照隧洞直徑為6.7m折算，洞頂壓力可以滿足規(guī)范要求。

圖5給出了不同調(diào)壓室面積調(diào)壓室涌浪的變化規(guī)律，由該圖可以看出，隨著調(diào)壓室面積的增加，調(diào)壓室的最高涌浪逐漸降低，調(diào)壓室的最低涌浪逐漸增加，因此增加調(diào)壓室面積對(duì)調(diào)壓室涌浪幅度有一定的改善作用。對(duì)調(diào)壓室涌浪變化周期而言，三種調(diào)壓室面積涌浪變化周期均在660s左右，且隨著調(diào)壓室面積的增加，調(diào)壓室涌浪周期分別約為580s、660s和722s。因此，調(diào)壓室涌浪變化周期隨著調(diào)壓室面積的增加而逐漸加大，調(diào)壓室涌浪的收斂時(shí)間也逐漸增加。

圖5 不同調(diào)壓室面積調(diào)壓室涌浪變化規(guī)律

3.1.2阻抗孔面積

調(diào)壓室阻抗孔口斷面面積一般要求其在滿足大波動(dòng)條件下，盡可能改善調(diào)壓室小波動(dòng)性能。本文分別按照引水隧洞面積的30%、35%和40%選取阻抗孔面積，對(duì)應(yīng)的阻抗孔口面積分別為10.57m2、12.334m2和14.096m2。計(jì)算結(jié)果表明：調(diào)壓室阻抗孔口面積對(duì)機(jī)組的最大回流量、蝸殼最大壓力均影響較小，但是對(duì)調(diào)壓室最高和最低涌浪以及洞頂最小壓力影響較大。其中，引水隧洞最小壓力隨著阻抗孔面積的增加而減小，且組合工況與簡單工況相比更加明顯，如阻抗孔面積與引水洞面積比為40%時(shí)部分工況輸水線路洞頂最小壓力小于2m，其原因可能是阻抗孔面積越大，通過阻抗孔的水頭損失越小，調(diào)壓室最低涌浪越低，從而影響了引水隧洞上彎段洞頂?shù)淖钚毫Α?/p>

根據(jù)對(duì)在不同阻抗孔口面積條件下的過渡過程進(jìn)行計(jì)算分析，過大的阻抗孔面積，過渡過程控制參數(shù)計(jì)算限值不能滿足規(guī)范要求，推薦阻抗孔口斷面面積按壓力引水隧洞斷面積的35%選取，即阻抗孔口斷面面積為12.334m2。

3.1.3機(jī)組間隔啟動(dòng)時(shí)間敏感性分析

表2 1#水力單元不同啟動(dòng)時(shí)間間隔計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出，機(jī)組啟動(dòng)間隔時(shí)間對(duì)水泵蝸殼出口最大壓力和調(diào)壓室最高涌浪影響較小，主要影響調(diào)壓室最低涌浪和引水隧洞洞頂最小壓力，且隨著機(jī)組啟動(dòng)間隔時(shí)間的加大，調(diào)壓室最低涌浪和輸水隧洞洞頂最小壓力逐漸增加，因此對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行也越安全。根據(jù)不同啟動(dòng)間隔時(shí)間的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)間隔時(shí)間小于90s時(shí)，輸水隧洞洞頂最小壓力不滿足大于2m的設(shè)計(jì)規(guī)范的強(qiáng)條要求。因此，最終推薦水源泵站機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間間隔不小于120s。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速

1#水力單元水泵機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速發(fā)生在Z11工況，即上游取水口最低水位1816.09m，同一水力單元5臺(tái)水泵機(jī)組依次間隔120s啟動(dòng)，在調(diào)壓室水位最低時(shí)刻全部掉電，泵后閥門拒動(dòng)。在該工況水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為486.24r/min(對(duì)應(yīng)的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速上升率為13.5%)，該值基本與簡單工況最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速計(jì)算值相當(dāng)，均小于20%，滿足規(guī)程規(guī)范及設(shè)計(jì)的要求。其中1#水力單元Z11工況單臺(tái)水泵過渡過程曲線如圖6所示。

圖6 1#水力單元Z11工況水泵過渡過程參數(shù)變化規(guī)律

3.2.2輸水系統(tǒng)洞頂最小壓力

沿引水系統(tǒng)的最小壓力線通常發(fā)生在泵站取水口最低水位、水泵機(jī)組啟動(dòng)工況。在整定的水泵出口閥門開啟時(shí)間為60.0s前提下，1#水力單元引水隧洞上彎段起點(diǎn)位置最小壓力發(fā)生在Z9工況，且洞頂最小壓力值為3.19m。圖7給出了1#水力單元輸水隧洞最高、最低壓力包絡(luò)線的分布規(guī)律。

圖7 1#水力單元輸水系統(tǒng)壓力包絡(luò)線

3.2.3水力干擾

(1)機(jī)組流量干擾。

1#水力單元受干擾后運(yùn)行水泵機(jī)組過機(jī)流量存在一定波動(dòng)，且機(jī)組流量最大波動(dòng)發(fā)生在GR3工況，即上游取水口最高水位1825.82m，同一水力單元的5臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行，其中4臺(tái)機(jī)組突然掉電，閥門關(guān)閉。1#水力單元在工況GR3，正常運(yùn)行受水力干擾機(jī)組的主要性能參數(shù)變化規(guī)律見圖8所示。

圖8 GR3工況正常運(yùn)行機(jī)組性能參數(shù)變化規(guī)律

由圖8可見，由于受到同一水力單元其他四臺(tái)機(jī)組停泵水力干擾的影響，在其他四臺(tái)機(jī)組事故掉電停機(jī)過程中，水泵出口壓力瞬間突然下降，水泵揚(yáng)程降低，因此工作泵的過機(jī)流量出現(xiàn)陡增趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果表明：GR3工況1#水力單元另外一臺(tái)正常運(yùn)行機(jī)組過機(jī)流量最大值為18.93m3/s，最大變化幅度達(dá)到30.28%；斷電后約經(jīng)過13s正常運(yùn)行機(jī)組過機(jī)流量逐步穩(wěn)定在14.5m3/s附近運(yùn)行。

(2)水泵出口壓力干擾。

1#水力單元受干擾后正常運(yùn)行的水泵出口壓力存在波動(dòng)，最大波動(dòng)發(fā)生在GR3工況，1#水力單元受水力干擾的水泵進(jìn)、出口壓力變化規(guī)律見圖9所示。

圖9 GR3工況1#水力單元正常運(yùn)行水泵進(jìn)、出口壓力變化

由圖9可見，受水力干擾的影響，1#水力單元正常運(yùn)行機(jī)組在其他四臺(tái)機(jī)組突然事故掉電后，正常運(yùn)行水泵機(jī)組出口壓力突然下降，且最小壓力為217.2m(對(duì)應(yīng)水泵瞬間極端揚(yáng)程為201.7m)，之后水泵出口壓力逐漸增加，增加至最大壓力254.63m后又開始降低。四臺(tái)機(jī)組事故掉電后大約經(jīng)過30s之后，受干擾水泵機(jī)組的水泵出口壓力才將恢復(fù)到初始值附近。

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

考慮石鼓水源泵站為巨型泵站，且輸水系統(tǒng)復(fù)雜，針對(duì)初步設(shè)計(jì)階段滇中引水工程水源泵站推薦方案樞紐布置和機(jī)組選型計(jì)算方案，長江設(shè)計(jì)公司還分別委托了武漢大學(xué)和清華大學(xué)對(duì)滇中引水工程水源泵站進(jìn)行了過渡過程復(fù)核計(jì)算分析。三家單位計(jì)算輸入邊界條件完全相同，且采用相同的閥門關(guān)閉規(guī)律和機(jī)組啟動(dòng)規(guī)律。表3給出了三家不同計(jì)算程序?qū)?#水力單元過渡過程控制參數(shù)計(jì)算限值的對(duì)比[2- 3]。

由表3可以看出，三家單位所有過渡過程控制參數(shù)的計(jì)算結(jié)果基本接近。機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、蝸殼出口最大壓力值、輸水系統(tǒng)洞頂最小壓力、調(diào)壓室涌浪等暫態(tài)過程控制參數(shù)的三家計(jì)算結(jié)果均可以滿足規(guī)程規(guī)范要求。

表3 1#水力單元大波動(dòng)控制參數(shù)計(jì)算限值對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)滇中引水工程水源泵站的運(yùn)行方式及動(dòng)能參數(shù)特點(diǎn)，分析總結(jié)了滇中引水工程水源泵站在各種復(fù)雜工況下的水力過渡過程，綜合分析長江設(shè)計(jì)公司、武漢大學(xué)、清華大學(xué)三家的計(jì)算成果，可以得到如下結(jié)論：

(1)通過對(duì)調(diào)壓室面積、阻抗孔面積、機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間間隔等參數(shù)在不同組合工況下進(jìn)行敏感性分析，確定了可以滿足工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的推薦值。

(2)經(jīng)計(jì)算選定的水源泵站水泵出口液控閥門由零開度至滿開度的開啟時(shí)間整定為60.0s，閥門關(guān)閉采用前25s關(guān)閉80%、后35s關(guān)閉20%的兩段關(guān)閉規(guī)律。水泵啟動(dòng)時(shí)采用關(guān)閥啟動(dòng)，且機(jī)組啟動(dòng)規(guī)律為從0%～100%額定轉(zhuǎn)速的整定時(shí)間為20s，穩(wěn)定運(yùn)行20s后開閥，且相鄰啟動(dòng)機(jī)組之間的時(shí)間間隔不小于120s。計(jì)算結(jié)果表明：在現(xiàn)階段水泵電動(dòng)機(jī)組性能參數(shù)及輸水系統(tǒng)條件下，水力過渡過程分析計(jì)算結(jié)果能滿足各項(xiàng)規(guī)程規(guī)范要求，調(diào)壓室水力波動(dòng)過程呈收斂穩(wěn)定狀態(tài)。