梯級泵站事故停泵水力過渡過程研究

肖學 李傳奇 楊幸子

摘 要：為了在發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、機組倒轉速過大、調節池漫頂或吸干等問題，提出了對應的防護措施。以某三級泵站輸水工程（輸水管路長29.7 km，總揚程178 m，設計輸水流量30萬m3/d，管徑1 600 mm）進行了實例分析，結果表明：在沿程管路局部高點設置38座空氣閥，并采取合理的兩階段關閉泵后閥操作，可以避免三級泵站同時事故停泵時管路產生水柱分離及機組過大倒轉速;單級泵站事故停泵時以合理的順序和響應時間關閉剩余泵站、兩級泵站事故停泵時采取合理的停泵響應時間，可有效避免調節池吸干或漫頂;梯級泵站級間調節池的尺寸選取應綜合考慮事故停泵時的響應時間、管道設計壓力等因素，尺寸并非越大越好。工程條件允許時，建議采取開敞式調節池或在調節池側壁設置溢流孔，以避免漫頂。

關鍵詞：梯級泵站;事故停泵;水柱分離;停泵先后順序;停泵響應時間;防護

中圖分類號：TV134 ? 文獻標志碼：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

隨著我國社會經濟的發展，生產生活用水需求日益增長，為實現不同時空水資源優化配置、解決水資源供需矛盾，大型梯級泵站調水工程越來越多。這類工程具有管線長、揚程高、沿線地形起伏大等特點，在發生事故停泵時，不僅管路壓力和流量等水力條件會產生急劇變化，從而影響管路及機組安全，而且若其間單級或多級泵站發生事故停泵，而級間的協調措施不當，就會造成在級間起過渡中轉作用的調節池產生吸干或漫頂現象。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時間可能不同，但調節池面臨著類似的吸干或漫頂問題。根據1#、2#調節池吸干或漫頂發生的先后順序，對最先引起調節池發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，在一定的時間內采取停泵措施（最先關閉首先引發調節池發生不利工況所對應的泵站），以防止調節池吸干或漫頂現象發生。本文將最先產生不利情況的調節池的響應時間定為梯級泵站事故停泵時的停泵響應時間（即關閉剩余泵站的時間），以保證調節池不發生漫頂和吸干。在輸水流量為3.47 m3/s、1#調節池初始水位為55.6 m、2#調節池初始水位為86.3 m情況下，不同關閉順序的建議響應時間見表2。

3.6 采用500 m3調節池事故停泵對比分析

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

由圖8可知：采用500 m3調節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線（最大壓力水頭）總體趨勢與5 000 m3調節池條件下相同，最大正壓與負壓均滿足要求。

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

4 結 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，得出以下結論：①三級泵站同時事故停泵時，沿程管路局部高點合理設置空氣閥，并采取合理的兩階段關閥操作，可有效避免水柱分離產生的斷流彌合水錘、機組過大倒轉速、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時間，可以避免級間調節池吸干或漫頂;單級泵站事故停泵時，采取合理關泵順序和響應時間，可以避免級間調節池吸干或漫頂。③梯級泵站間調節池體積對于管路沿程水錘壓力會產生影響，大容積的調節池雖可延長事故停泵時的響應時間但會增大部分管段的水錘壓力，在調節池尺寸設計時要綜合考慮各種因素。④條件允許時，可采取開敞式調節池或在調節池側壁設置溢流孔，以避免漫頂。

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【責任編輯 張智民】