梯级泵站事故停泵水力过渡过程研究

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  摘 要:为了在发生事故停泵时确保梯级泵站及管线的安全,有必要对梯级泵站事故停泵水力过渡过程进行分析,进而提出合理的防护措施。基于特征线法,对梯级泵站事故停泵水力过渡过程进行模拟分析,针对单级或多级泵站事故停泵时存在的水柱分离、机组倒转速过大、调节池漫顶或吸干等问题,提出了对应的防护措施。以某三级泵站输水工程(输水管路长29.7 km,总扬程178 m,设计输水流量30万m3/d,管径1 600 mm)进行了实例分析,结果表明:在沿程管路局部高点设置38座空气阀,并采取合理的两阶段关闭泵后阀操作,可以避免三级泵站同时事故停泵时管路产生水柱分离及机组过大倒转速;单级泵站事故停泵时以合理的顺序和响应时间关闭剩余泵站、两级泵站事故停泵时采取合理的停泵响应时间,可有效避免调节池吸干或漫顶;梯级泵站级间调节池的尺寸选取应综合考虑事故停泵时的响应时间、管道设计压力等因素,尺寸并非越大越好。工程条件允许时,建议采取开敞式调节池或在调节池侧壁设置溢流孔,以避免漫顶。
  关键词:梯级泵站;事故停泵;水柱分离;停泵先后顺序;停泵响应时间;防护
  中图分类号:TV134   文献标志码: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
  隨着我国社会经济的发展,生产生活用水需求日益增长,为实现不同时空水资源优化配置、解决水资源供需矛盾,大型梯级泵站调水工程越来越多。这类工程具有管线长、扬程高、沿线地形起伏大等特点,在发生事故停泵时,不仅管路压力和流量等水力条件会产生急剧变化,从而影响管路及机组安全,而且若其间单级或多级泵站发生事故停泵,而级间的协调措施不当,就会造成在级间起过渡中转作用的调节池产生吸干或漫顶现象。因此,分析梯级泵站事故停泵水力过渡过程,进而提出合理的防护措施,对于梯级泵站的安全稳定运行意义重大。   对于水锤压力研究,国内外采用的方法有特征线法、有限差分法、波特征线法、有限体积法、有限元法等[1-3],目前使用最为广泛的为特征线法。国内学者对水锤问题的研究主要采用特征线法[4-9],本研究所采用的计算方法也是特征线法。
  1 梯级泵站事故停泵时应解决的主要问题
  与单级泵站事故停泵相比,对梯级泵站事故停泵的处理,不仅要解决水柱分离、正压水锤、机组过大倒转速等水锤相关问题[10],而且还要解决站间水位的协调控制问题,具体包括:①水柱分离问题。由于梯级泵站调水工程铺设的长管线随地形起伏变化大,因此在发生事故停泵时,容易在局部高点发生水柱拉断、产生断流弥合水锤。②过大正压水锤。事故停泵造成水流条件急剧变化,产生的水锤压力可能达到正常运行时的数十甚至百倍。③机组倒转问题。机组过大倒转速会对水泵和电动机造成破坏。④级间调节池水位协调配合问题。通过级间修建调节池,使水体经调节池过渡到下一级泵站,若下一级泵站事故停泵而上一级泵站继续运行,则两级间的调节池会发生漫顶现象;若上一级泵站事故停泵而下一级泵站继续运行,则两级间的调节池会发生吸干现象。调节池漫顶则水泵不能正常出水、吸干则水泵发生气蚀,因此要研究水力过渡过程中管道压力、流量、机组转速、调节池水位等水力参数的变化规律[6-7]。
  通过对不同工况下的事故停泵水力过渡过程进行模拟分析,从工程措施和非工程措施两方面进行防护,保障工程安全。工程措施即采用合理设置空气阀或调压塔[8-9]等措施,防止水柱分离,在一定程度上减小正压水锤;非工程措施即采用合理的缓闭式泵后阀操作,避免机组过大倒转速及直接水击产生过大的水锤压力[10],其间单级或两级泵站事故停泵时,采取合理的响应时间及停泵顺序,关闭其上一级或下一级泵站,防止级间调节池抽干或漫顶。
  3 事故停泵水力过渡过程实例分析及防护
  3.1 工程概况
  某三级泵站输水工程管路长29.7 km(三段管路长分别为14.4、9.8、5.5 km),总扬程为178 m,设计输水流量30万m3/d,管径1 600 mm,为PCCP管与螺旋钢管分段铺设,共设置38座空气阀,工程平面布置、纵断面布置如图2、图3所示。工程采用离心泵机组,其中:第1、3级泵站(单站设置6台机组,5备1用,第1级泵站为工频机组,第3级泵站为4台工频、2台变频机组)水泵机组设计扬程为60 m,设计流量2 500 m3/h(单泵);第2级泵站(设置6台机组,5备1用, 4台工频、2台变频机组)水泵机组设计扬程为58 m,设计流量2 500 m3/h。水泵机组额定转速均为990 r/min,效率为87.7%。第2、3级泵站站前设有5 000 m3调节池。
   管道设计压力在1.2 MPa以下的管段有7+200—10+600(1.0 MPa)、11+000—12+000(0.8 MPa)、20+000—21+650(1.0 MPa)、21+650—23+200(0.8 MPa)、23+200—24+100(0.6 MPa),这些管段为事故停泵时的重点防护部位,其他管段设计压力均在1.2 MPa以上。
  3.2 模型构建
  基于特征线法,对梯级泵站事故停泵水力过渡过程进行模拟分析。根据管道、泵阀连接方式和管长、节点高程、进出水池、空气阀等边界条件构建模型。螺旋钢管水击波波速取1 200 m/s、PCCP管水击波波速取950 m/s,水体汽化压力水头取-9.9 m。模拟时第1级泵站进水位取31.0 m、1#调节池水位取55.6 m、2#调节池水位取86.3 m、第3级泵站出水位取130.0 m。
  模拟分析主要针对三种情况:三级泵站同时停泵,第1、3级泵站同时停泵,第2级泵站停泵。对于其他的两级泵站同时停泵组合、单级泵站停泵问题,与上述三种情况类似。事故停泵模拟以稳态运行为前提,模拟三级泵站稳态运行50 s后发生事故停泵的情况,各级泵站稳态运行及事故停泵关阀参数见表1。
  3.3 三级泵站同时事故停泵分析及防护
  三级泵站同时事故停泵时管路沿程压力水头分布情况见图4,重点防护管段的桩号及最大压力水头分别为7+200—10+600(34.5 m)、11+000—12+000(18.9 m)、20+000—21+650(84.5 m)、21+650—23+200(71.8 m)、23+200—24+100(34.8 m),沿程管路的压力没有超过1.2 MPa,即没有超出设计值,且管路沿程负压水头基本控制在-6.0 m以内,不会出现水柱分离现象。
  图5(a)(其中转速比为实际转速与额定转速之比)表明,采用表1中的关阀参数,机组倒转速没有大于额定转速的1.2倍[10],满足安全要求;图5(b)表明,阀门处水锤压力水头没有超过100 m,满足设计承压值为1.6 MPa的要求。
  3.4 第1、3级泵站事故停泵分析及防护
  图6表明,在第1、3级泵站同时事故停泵而第2级泵站正常运行情况下,从1#调节池抽水输向2#调节池,1#调节池水位逐渐降低、2#调节池水位逐渐升高,在事故停泵626.0 s后1#调节池水位降至53.0 m,接近第2级泵站水泵进水管口高程52.8 m,进而可能引起水泵发生气蚀问题;在事故停泵335.0 s后2#调节池水位升至87.6 m,接近调节池顶板88.0 m,进而会导致2#调节池发生漫顶现象。在该情况下,要在事故停泵后335.0 s内停止第2级泵站运行,以防止1#调节池吸干和2#调节池漫顶。
  3.5 第2级泵站事故停泵分析及防护
  圖7表明,在第2级泵站事故停泵而第1、3级泵站正常运行情况下,第1级泵站从干渠抽水输向1#调节池、第3级泵站从2#调节池抽水输向水库,1#调节池水位逐渐升高、2#调节池水位逐渐降低,在事故停泵463.6 s后1#调节池水位升至57.6 m,接近调节池顶板58.0 m,进而可能引起1#调节池漫顶;在事故停泵774.4 s后2#调节池水位降至83.3 m,接近第3级泵站水泵进水管口高程82.8 m,进而可能引起水泵发生气蚀。该情况下,要在事故停泵后463.6 s内停止第1级泵站运行、774.4 s内停止第3级泵站运行,以防止1#调节池漫顶、2#调节池吸干。   虽然第1级或第3级泵站停泵的顺序和响应时间可能不同,但调节池面临着类似的吸干或漫顶问题。根据1#、2#调节池吸干或漫顶发生的先后顺序,对最先引起调节池发生不利工况的泵站首先采取停泵措施,再停止剩余泵站的运行。
  在一级或多级泵站发生事故停泵时,要及时告知其他泵站的工作人员,在一定的时间内采取停泵措施(最先关闭首先引发调节池发生不利工况所对应的泵站),以防止调节池吸干或漫顶现象发生。本文将最先产生不利情况的调节池的响应时间定为梯级泵站事故停泵时的停泵响应时间(即关闭剩余泵站的时间),以保证调节池不发生漫顶和吸干。在输水流量为3.47 m3/s、1#调节池初始水位为55.6 m、2#调节池初始水位为86.3 m情况下,不同关闭顺序的建议响应时间见表2。
  3.6 采用500 m3调节池事故停泵对比分析
  采用500 m3调节池条件下(调节池深度不变,水面面积缩小至设计值的1/10),第1、3级泵站发生事故停泵122.6 s后1#调节池水位迅速下降到53.0 m,事故停泵39.4 s后2#调节池水位迅速上升到87.6 m,而5 000 m3调节池发生对应情况的时间分别为626.0、335.0 s。
  由图8可知:采用500 m3调节池条件下三级泵站同时事故停泵时,管路沿程压力水头包络线(最大压力水头)总体趋势与5 000 m3调节池条件下相同,最大正压与负压均满足要求。
  模擬结果:采用5 000 m3调节池条件下事故停泵在干渠—1#调节池段管路产生的压力水头较500 m3调节池条件下的小2.0~12.0 m,在1#—2#调节池段管路产生的压力水头总体上前者较后者大0.3~4.0 m,二者在2#调节池—水库段产生的压力水头基本一致。因此,梯级泵站间采用较大容积调节池,在事故停泵时可以延长停泵响应时间,但并不一定能有效降低管路产生的水锤压力。在管道输水的梯级泵站间建设调节池时,要综合考虑管路沿程水锤压力、停泵时的响应时间、经济性和地质条件等,并不是调节池容积越大越好。在条件允许时,可采取开敞式调节池或在调节池侧壁设置溢流孔,以避免漫顶。
  4 结 论
  基于特征线法,对梯级(三级)泵站中单级或多级泵站事故停泵后的水力过渡过程进行模拟分析,得出以下结论:①三级泵站同时事故停泵时,沿程管路局部高点合理设置空气阀,并采取合理的两阶段关阀操作,可有效避免水柱分离产生的断流弥合水锤、机组过大倒转速、过大正压水锤。②两级泵站事故停泵时,采取合理的停泵响应时间,可以避免级间调节池吸干或漫顶;单级泵站事故停泵时,采取合理关泵顺序和响应时间,可以避免级间调节池吸干或漫顶。③梯级泵站间调节池体积对于管路沿程水锤压力会产生影响,大容积的调节池虽可延长事故停泵时的响应时间但会增大部分管段的水锤压力,在调节池尺寸设计时要综合考虑各种因素。④条件允许时,可采取开敞式调节池或在调节池侧壁设置溢流孔,以避免漫顶。
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  【责任编辑 张智民】
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