梯級泵站事故停泵水力過渡過程研究

肖學(xué) 李傳奇 楊幸子

摘 要：為了在發(fā)生事故停泵時確保梯級泵站及管線的安全，有必要對梯級泵站事故停泵水力過渡過程進行分析，進而提出合理的防護措施。基于特征線法，對梯級泵站事故停泵水力過渡過程進行模擬分析，針對單級或多級泵站事故停泵時存在的水柱分離、機組倒轉(zhuǎn)速過大、調(diào)節(jié)池漫頂或吸干等問題，提出了對應(yīng)的防護措施。以某三級泵站輸水工程（輸水管路長29.7 km，總揚程178 m，設(shè)計輸水流量30萬m3/d，管徑1 600 mm）進行了實例分析，結(jié)果表明：在沿程管路局部高點設(shè)置38座空氣閥，并采取合理的兩階段關(guān)閉泵后閥操作，可以避免三級泵站同時事故停泵時管路產(chǎn)生水柱分離及機組過大倒轉(zhuǎn)速;單級泵站事故停泵時以合理的順序和響應(yīng)時間關(guān)閉剩余泵站、兩級泵站事故停泵時采取合理的停泵響應(yīng)時間，可有效避免調(diào)節(jié)池吸干或漫頂;梯級泵站級間調(diào)節(jié)池的尺寸選取應(yīng)綜合考慮事故停泵時的響應(yīng)時間、管道設(shè)計壓力等因素，尺寸并非越大越好。工程條件允許時，建議采取開敞式調(diào)節(jié)池或在調(diào)節(jié)池側(cè)壁設(shè)置溢流孔，以避免漫頂。

關(guān)鍵詞：梯級泵站;事故停泵;水柱分離;停泵先后順序;停泵響應(yīng)時間;防護

中圖分類號：TV134 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.029

Abstract：In order to ensure the safety of the cascade pumping station and pipeline in the event of accidental pump-stop， it is necessary to analyze the hydraulic transition process of the accidental pumping-stop and then propose reasonable protective measures. Based on characteristic line method， hydraulic transition process of cascade pumping station accidental pump-stop was simulated. In order to solve the problem of water column separation， unit excessive reversal， regulating pool top or suction， the corresponding protection measures were put forward for single stage or multi-stage pumping station in cascade pumping station. Taking the water transfer project case of three-stage pumping station （the length of pipeline is 29.7 km， the total lift is 178 m， the designed flow is 300 000 m3/d and the pipe diameter is 1 600 mm） for analysis， the results show that 38 air valves are set at the local high point and a reasonable two-stage shut-off valve operation is taken which can avoid the separation of the water column and the unit reversal of the three-stage pump stations accidental pump-stop at the same time. In a reasonable order and response time to stop the remaining pumping station for single-stage pump station accidental pump-stop， and two-stage pump station accidental pump-stop to stop the pump in reasonable response time， can effectively avoid the pump dry or top problem. The scale selection of adjustment pool should consider pump stop response time， accidental pump-stop water hammer and other factors. Finally， it is recommended that the project can set overflow hole in the adjustment pool at height of sidewall or take open structure to avoid unfavorable situations if possible.

Key words： cascade pumping station; accidental pump-stop; water column separation; pump stop order; pump stop response time; protection

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，生產(chǎn)生活用水需求日益增長，為實現(xiàn)不同時空水資源優(yōu)化配置、解決水資源供需矛盾，大型梯級泵站調(diào)水工程越來越多。這類工程具有管線長、揚程高、沿線地形起伏大等特點，在發(fā)生事故停泵時，不僅管路壓力和流量等水力條件會產(chǎn)生急劇變化，從而影響管路及機組安全，而且若其間單級或多級泵站發(fā)生事故停泵，而級間的協(xié)調(diào)措施不當(dāng)，就會造成在級間起過渡中轉(zhuǎn)作用的調(diào)節(jié)池產(chǎn)生吸干或漫頂現(xiàn)象。因此，分析梯級泵站事故停泵水力過渡過程，進而提出合理的防護措施，對于梯級泵站的安全穩(wěn)定運行意義重大。

雖然第1級或第3級泵站停泵的順序和響應(yīng)時間可能不同，但調(diào)節(jié)池面臨著類似的吸干或漫頂問題。根據(jù)1#、2#調(diào)節(jié)池吸干或漫頂發(fā)生的先后順序，對最先引起調(diào)節(jié)池發(fā)生不利工況的泵站首先采取停泵措施，再停止剩余泵站的運行。

在一級或多級泵站發(fā)生事故停泵時，要及時告知其他泵站的工作人員，在一定的時間內(nèi)采取停泵措施（最先關(guān)閉首先引發(fā)調(diào)節(jié)池發(fā)生不利工況所對應(yīng)的泵站），以防止調(diào)節(jié)池吸干或漫頂現(xiàn)象發(fā)生。本文將最先產(chǎn)生不利情況的調(diào)節(jié)池的響應(yīng)時間定為梯級泵站事故停泵時的停泵響應(yīng)時間（即關(guān)閉剩余泵站的時間），以保證調(diào)節(jié)池不發(fā)生漫頂和吸干。在輸水流量為3.47 m3/s、1#調(diào)節(jié)池初始水位為55.6 m、2#調(diào)節(jié)池初始水位為86.3 m情況下，不同關(guān)閉順序的建議響應(yīng)時間見表2。

3.6 采用500 m3調(diào)節(jié)池事故停泵對比分析

采用500 m3調(diào)節(jié)池條件下（調(diào)節(jié)池深度不變，水面面積縮小至設(shè)計值的1/10），第1、3級泵站發(fā)生事故停泵122.6 s后1#調(diào)節(jié)池水位迅速下降到53.0 m，事故停泵39.4 s后2#調(diào)節(jié)池水位迅速上升到87.6 m，而5 000 m3調(diào)節(jié)池發(fā)生對應(yīng)情況的時間分別為626.0、335.0 s。

由圖8可知：采用500 m3調(diào)節(jié)池條件下三級泵站同時事故停泵時，管路沿程壓力水頭包絡(luò)線（最大壓力水頭）總體趨勢與5 000 m3調(diào)節(jié)池條件下相同，最大正壓與負(fù)壓均滿足要求。

模擬結(jié)果：采用5 000 m3調(diào)節(jié)池條件下事故停泵在干渠—1#調(diào)節(jié)池段管路產(chǎn)生的壓力水頭較500 m3調(diào)節(jié)池條件下的小2.0～12.0 m，在1#—2#調(diào)節(jié)池段管路產(chǎn)生的壓力水頭總體上前者較后者大0.3～4.0 m，二者在2#調(diào)節(jié)池—水庫段產(chǎn)生的壓力水頭基本一致。因此，梯級泵站間采用較大容積調(diào)節(jié)池，在事故停泵時可以延長停泵響應(yīng)時間，但并不一定能有效降低管路產(chǎn)生的水錘壓力。在管道輸水的梯級泵站間建設(shè)調(diào)節(jié)池時，要綜合考慮管路沿程水錘壓力、停泵時的響應(yīng)時間、經(jīng)濟性和地質(zhì)條件等，并不是調(diào)節(jié)池容積越大越好。在條件允許時，可采取開敞式調(diào)節(jié)池或在調(diào)節(jié)池側(cè)壁設(shè)置溢流孔，以避免漫頂。

4 結(jié) 論

基于特征線法，對梯級（三級）泵站中單級或多級泵站事故停泵后的水力過渡過程進行模擬分析，得出以下結(jié)論：①三級泵站同時事故停泵時，沿程管路局部高點合理設(shè)置空氣閥，并采取合理的兩階段關(guān)閥操作，可有效避免水柱分離產(chǎn)生的斷流彌合水錘、機組過大倒轉(zhuǎn)速、過大正壓水錘。②兩級泵站事故停泵時，采取合理的停泵響應(yīng)時間，可以避免級間調(diào)節(jié)池吸干或漫頂;單級泵站事故停泵時，采取合理關(guān)泵順序和響應(yīng)時間，可以避免級間調(diào)節(jié)池吸干或漫頂。③梯級泵站間調(diào)節(jié)池體積對于管路沿程水錘壓力會產(chǎn)生影響，大容積的調(diào)節(jié)池雖可延長事故停泵時的響應(yīng)時間但會增大部分管段的水錘壓力，在調(diào)節(jié)池尺寸設(shè)計時要綜合考慮各種因素。④條件允許時，可采取開敞式調(diào)節(jié)池或在調(diào)節(jié)池側(cè)壁設(shè)置溢流孔，以避免漫頂。

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【責(zé)任編輯 張智民】