取水泵站前池涌浪驗(yàn)證分析

李 誠

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

0 前 言

對于大流量取水泵站系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行期間有多種運(yùn)行工況，不同工況下泵站前池涌浪水位會(huì)有較大不同。啟泵時(shí)流量變化大，泵站前池水位迅速降低，如果前池水位過低，會(huì)導(dǎo)致前池池內(nèi)產(chǎn)生吸氣旋渦，空氣吸入水泵，危害水泵運(yùn)行及管道安全；水泵發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿蕰r(shí)，隧洞和泵后管道水流涌向泵站前池，池內(nèi)水位迅速抬高，如果前池水位過高，會(huì)導(dǎo)致前池溢流，危害泵房安全。為了保證泵站及取水系統(tǒng)的的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對引水隧洞內(nèi)壓力和泵站前池水位進(jìn)行計(jì)算分析，針對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)負(fù)壓旋渦及水錘溢流工況進(jìn)行研究，在最不利水位條件下，泵站機(jī)組啟閉(抽水?dāng)嚯娛鹿?導(dǎo)致的引水隧洞承壓標(biāo)準(zhǔn)線、壓力最大、最小包絡(luò)線變化一級泵站前池水位波動(dòng)曲線疊加情況，對引水隧洞設(shè)計(jì)坡降、泵站前池超高及泵后閥關(guān)閉程序進(jìn)行優(yōu)化，確定工程合理的防護(hù)負(fù)壓旋渦和水錘溢流措施。

本文以廣東省某大型引調(diào)水工程為例，采用水錘和瞬態(tài)分析軟件Bentley Hammer V8i (SELECTseries6) 對工程取水頭部、引水隧洞及取水泵站進(jìn)行建模,分析不同取水水位條件下泵站運(yùn)行工況對引水隧洞和泵站前池的水位的影響，判斷引水隧洞設(shè)計(jì)及泵站前池設(shè)計(jì)是否滿足極端工況的安全運(yùn)行，為泵站系統(tǒng)在特殊水位工況下安全啟停機(jī)組提供數(shù)據(jù)支持，驗(yàn)證取水系統(tǒng)應(yīng)對抽水?dāng)嚯娛鹿实目箾_擊能力是否滿足安全需要，為工程安全運(yùn)行提供決策依據(jù)。

1 過程分析

1.1 工程概況

該引調(diào)水工程以水庫作為取水水源，取水頭部由取水建筑物、引水隧洞、泵站組成。最大取水流量12.30 m3/s。

取水建筑物設(shè)計(jì)引水流量12.30 m3/s。設(shè)計(jì)運(yùn)行水位34.70 m，最低運(yùn)行水位32.30 m，最高運(yùn)行水位41.80 m。采用獨(dú)立有壓岸塔式，進(jìn)水口軸線與庫區(qū)流向呈45°角，順引水流向依次布置有護(hù)底段、進(jìn)水渠段、進(jìn)水閘段、漸變段段及啟閉機(jī)室、交通橋、連接平臺(tái)。單孔設(shè)計(jì)，攔污柵孔口尺寸5.0 m×17.8 m (凈寬×凈高)，水閘孔口尺寸4.0 m×4.0 m (凈寬×凈高)。工程計(jì)算模型見圖1。

圖1 工程計(jì)算模型示意

鋼?，F(xiàn)澆混凝土襯砌(技術(shù)良好)糙率n最大為0.014；鋼管糙率n最大為0.013。隧洞采用鋼管內(nèi)襯，考慮螺仔等生物因素，建議糙率n取值0.014。按照最大流量工況計(jì)算，取水口過柵流速為0.525 m/s，隧洞內(nèi)流速1.524 m/s，洞內(nèi)沿程水頭損失0.158 m，局部水頭損失0.131 m，全段總水頭損失0.289 m。取水口水位與泵站前池水位見表1。

表1 取水口水位與泵站前池水位

防止產(chǎn)生貫通式漏斗漩渦考慮，最小淹沒深度計(jì)算值為0.85 m；按保證進(jìn)水口內(nèi)為壓力流最小淹沒深度計(jì)算值為0.61 m。為滿足隧洞為有壓流態(tài)，進(jìn)水口底板高程為26.70 m，進(jìn)水口閘孔頂部高程為30.70 m，最低運(yùn)行水位為32.30 m，最小淹沒深度為1.60 m。

取水建筑物至泵站前池采用引水道形式的有壓隧洞進(jìn)行連接，輸水隧洞長度643 m；隧洞進(jìn)口底高程27.10 m，輸水隧洞出口底高程25.14 m，輸水隧洞縱坡i=0.3%，輸水隧洞過水面為圓形，直徑3.2 m，內(nèi)襯鋼管。引水隧洞水力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 引水隧洞水力計(jì)算結(jié)果

泵站前池分為2隔，每隔前池各有3隔進(jìn)水池，單隔前池水平擴(kuò)散段總長9.15 m，水平段2.27 m，斜坡段6.88 m，其擴(kuò)散角為48°，凈寬從5.2 m漸變到25.40 m，頂高程43.0 m。水平段底板高程25.0 m，斜坡段底板起點(diǎn)高程25.0 m，終點(diǎn)高程24.14 m，坡度1∶8。前池最高水位41.33 m，前池設(shè)計(jì)水位34.23 m，前池最低水位31.33 m。

泵站廠房對應(yīng)前池膈數(shù)共設(shè)置6臺(tái)臥式雙吸水平中開式離心泵。泵站機(jī)組安裝高程為29.33 m，進(jìn)水管中心線高程為28.09 m，出水管中心線高程為28.29 m。

表3 泵站泵組基本參數(shù)

1.2 參數(shù)分析

取水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間伴隨取水流量的變化有多種運(yùn)行工況，不同工況下引水隧洞內(nèi)水力條件、承壓條件及泵站前池水位都有變化。當(dāng)泵站處在正常運(yùn)行工況，取水流量變化范圍不足以引起泵站前池涌浪或吸氣旋渦，隧洞內(nèi)最小承壓也能滿足規(guī)范要求。當(dāng)泵站處在極端或事故運(yùn)行工況時(shí)，泵站前池可能出現(xiàn)超高水位的溢流涌浪或極低水位的吸氣旋渦，嚴(yán)重影響泵站運(yùn)行安全。根據(jù)以上條件，選擇以下2種極端工況為泵站運(yùn)行最不利條件，對該種工況進(jìn)行建模計(jì)算。

(1) 工況1(最低水位、最小流量、啟泵工況)：引水水庫水位32.30 m，總流量0 m3/s，單泵流量0 m3/s，4臺(tái)水泵相繼開啟。

(2) 工況2(最高水位、最大流量、斷電工況)：引水水庫水位41.80 m，總流量12.26 m3/s，單泵流量3.065 m3/s，水泵揚(yáng)程72.21 m，4臺(tái)水泵同時(shí)發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿省?/p>

1.2.1工況1驗(yàn)證計(jì)算

對工況一過渡過程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。該工況下，取水水源處在最低水位，泵站前池也處在最低水位，4臺(tái)水泵以60 s間隔開啟，取水系統(tǒng)流量在300內(nèi)由0 m3/s打到12.30 m3/s。在此極端工況下驗(yàn)證泵站前池最低水位是否滿足安全運(yùn)行需要。該工況條件下水泵開啟規(guī)律如表4所示，泵后閥門開啟規(guī)律如表5所示。

表4 水泵轉(zhuǎn)速變化過程參數(shù)

表5 泵后蝶閥開啟規(guī)律

啟泵過程中，水泵的轉(zhuǎn)速變化如圖2所示，泵后閥門開啟規(guī)律如圖3所示，前池水位變化如圖4所示，泵站前隧洞段的壓力包絡(luò)線如圖5～7所示。

圖2 水泵轉(zhuǎn)速變化

圖3 泵后蝶閥開啟規(guī)律

圖2～4中，在工況1下，泵站4臺(tái)水泵間隔60 s相繼開啟，轉(zhuǎn)速在30 s內(nèi)從0 r/min達(dá)到額定轉(zhuǎn)速590 r/min，在210 s時(shí)4臺(tái)水泵均達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)?shù)?臺(tái)水泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，對應(yīng)的泵后閥門也相繼開啟。在此過程中，泵站前池由32.3 m在560 s時(shí)降至最低，水位為31.83 m。泵站設(shè)計(jì)壓力箱涵的頂高程為28.50 m，水泵葉輪中心線高程為29.33 m，低于泵站前池瞬時(shí)最低水位，可保證水泵進(jìn)口段啟泵過程中淹沒不進(jìn)氣，避免了出現(xiàn)吸氣旋渦導(dǎo)致水氣混合的危險(xiǎn)。工況1條件下，泵站前池最低水位能夠滿足安全運(yùn)行需要。

圖4 泵站前池水位變化

圖5 泵站前隧洞段的壓力包絡(luò)線

圖6 泵站前隧洞段的最大壓力包絡(luò)線和承壓標(biāo)準(zhǔn)線

圖7 泵站前隧洞段的最小壓力包絡(luò)線

圖5～7可知，在工況1下，泵前隧洞段的最大壓力滿足承壓標(biāo)準(zhǔn)，泵前隧洞段的最小壓力為3.7～5.2 m，高于最小承壓標(biāo)準(zhǔn)2 m，故泵前隧洞段能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1.2.2工況2驗(yàn)證計(jì)算

對工況2過渡過程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。該工況下，取水水源處在最高水位，泵站前池也處在最高水位，4臺(tái)水泵均以設(shè)計(jì)流量運(yùn)行，泵站突然發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿?。在此極端工況下驗(yàn)證泵站前池是否滿足安全運(yùn)行需要。該工況條件下泵后蝶閥關(guān)閉規(guī)律如表6所示。

表6 泵后蝶閥關(guān)閉規(guī)律表(工況2)

泵抽水?dāng)嚯娺^程中，水泵的轉(zhuǎn)速變化如圖8所示，泵后閥門關(guān)閉規(guī)律如圖9所示，前池水位變化如圖10所示，泵站前隧洞段的壓力包絡(luò)線如圖11～13所示。

圖8 泵抽水?dāng)嚯姇r(shí)的轉(zhuǎn)速變化

圖10 泵站前池水位變化

由圖8～13可知，在工況2下，泵站4臺(tái)水泵同時(shí)發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿剩棉D(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速590 r/min在20 s內(nèi)跌至100 r/min以下，并迅速降至0 r/min，泵后閥門也在10 s內(nèi)同時(shí)迅速關(guān)閉。在此過程中，引水隧洞內(nèi)的水和泵后管道水流都涌向泵站前池，在泵站前池內(nèi)形成類似正弦曲線的液位波動(dòng)。圖9中引水隧洞和泵后管道內(nèi)水流疊加波峰形態(tài)形成的最高水位為抽水?dāng)嚯娛鹿拾l(fā)生145 s時(shí)的42.79 m，而泵站前池設(shè)計(jì)頂高程為43.0 m，因此泵站前池雖出現(xiàn)涌浪現(xiàn)象但不會(huì)出現(xiàn)溢流。所以在泵站發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿剩猛C(jī)出現(xiàn)前池涌浪的情況下，泵站前池最高水位也能滿足安全運(yùn)行需求。

圖11 泵站前隧洞段的壓力包絡(luò)線

圖12 泵站前隧洞段的最大壓力包絡(luò)線和承壓標(biāo)準(zhǔn)線

圖13 泵站前隧洞段的最小壓力包絡(luò)線

泵站前引水隧洞段的最大壓力為13.1～16.1 m滿足承壓標(biāo)準(zhǔn)，最小壓力范圍13.1～14.5 m，高于2 m最小隧洞內(nèi)承壓標(biāo)準(zhǔn)，故泵前隧洞段能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3 結(jié) 論

2個(gè)工況的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果表明，對于該大型引調(diào)水工程的取水系統(tǒng)，不管是啟泵過程中泵站前池水位迅速下降，還是4臺(tái)水泵發(fā)生抽水?dāng)嚯娛鹿时谜厩俺厮簧仙?，池?nèi)的最低水位和最高水位都能滿足安全運(yùn)行的需求，有效的避免了泵站前池涌浪造成的溢流和吸氣旋渦等危險(xiǎn)；同時(shí)，泵前引水隧洞段內(nèi)水壓力也能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。在該大型引調(diào)水工程的取水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建模及仿真計(jì)算工程中，得出結(jié)論如下：

(1) 對于大流量的取水泵站系統(tǒng)，泵站引水隧洞(管道)的承壓能力，泵站前池的最高水位、最低水位都是直接影響系統(tǒng)正常安全穩(wěn)定運(yùn)行的控制性指標(biāo)。

(2) 取水泵站前池最不利的涌浪疊加工況一般為上游最高水位、最大流量、發(fā)生抽水?dāng)嚯姇r(shí)的事故工況，該種情況下泵站前池水位呈正弦曲線波動(dòng)，且最高水位與最低水位差值最高。

(3) 因單臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)組停機(jī)引起的取水泵站前池水位波動(dòng)較小。應(yīng)盡可能避免泵站出現(xiàn)抽水?dāng)嚯妼?dǎo)致全部機(jī)組同時(shí)停機(jī)的事故，正常運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)越多,越有利于平抑因水泵啟停機(jī)而產(chǎn)生的前池涌浪疊加幅值。

(4) 在泵站設(shè)計(jì)過程中，在選定機(jī)組后，推薦采用建模計(jì)算的方式驗(yàn)證前池最高水位是否滿足涌浪溢流的要求；同時(shí)可以判斷泵站機(jī)組的安裝高程和泵站前池的最低水位，是否會(huì)導(dǎo)致吸氣旋渦造成氣蝕，影響水泵效率。在滿足引水隧洞和泵站前池設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，可以進(jìn)一步考慮對泵后蝶閥、止回閥的設(shè)置及運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)增加泵后單向調(diào)壓塔，減小管道內(nèi)負(fù)壓水錘對水泵的沖擊，提升工程安全運(yùn)行穩(wěn)定性。