取水泵站前池涌浪驗證分析

李 誠

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

0 前 言

對于大流量取水泵站系統，在實際運行期間有多種運行工況，不同工況下泵站前池涌浪水位會有較大不同。啟泵時流量變化大，泵站前池水位迅速降低，如果前池水位過低，會導致前池池內產生吸氣旋渦，空氣吸入水泵，危害水泵運行及管道安全；水泵發生抽水斷電事故時，隧洞和泵后管道水流涌向泵站前池，池內水位迅速抬高，如果前池水位過高，會導致前池溢流，危害泵房安全。為了保證泵站及取水系統的的安全穩定運行，需對引水隧洞內壓力和泵站前池水位進行計算分析，針對系統中可能出現負壓旋渦及水錘溢流工況進行研究，在最不利水位條件下，泵站機組啟閉(抽水斷電事故)導致的引水隧洞承壓標準線、壓力最大、最小包絡線變化一級泵站前池水位波動曲線疊加情況，對引水隧洞設計坡降、泵站前池超高及泵后閥關閉程序進行優化，確定工程合理的防護負壓旋渦和水錘溢流措施。

本文以廣東省某大型引調水工程為例，采用水錘和瞬態分析軟件Bentley Hammer V8i (SELECTseries6) 對工程取水頭部、引水隧洞及取水泵站進行建模,分析不同取水水位條件下泵站運行工況對引水隧洞和泵站前池的水位的影響，判斷引水隧洞設計及泵站前池設計是否滿足極端工況的安全運行，為泵站系統在特殊水位工況下安全啟停機組提供數據支持，驗證取水系統應對抽水斷電事故的抗沖擊能力是否滿足安全需要，為工程安全運行提供決策依據。

1 過程分析

1.1 工程概況

該引調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。

取水建筑物設計引水流量12.30 m3/s。設計運行水位34.70 m，最低運行水位32.30 m，最高運行水位41.80 m。采用獨立有壓岸塔式，進水口軸線與庫區流向呈45°角，順引水流向依次布置有護底段、進水渠段、進水閘段、漸變段段及啟閉機室、交通橋、連接平臺。單孔設計，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)。工程計算模型見圖1。

圖1 工程計算模型示意

鋼模現澆混凝土襯砌(技術良好)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算，取水口過柵流速為0.525 m/s，隧洞內流速1.524 m/s，洞內沿程水頭損失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

防止產生貫通式漏斗漩渦考慮，最小淹沒深度計算值為0.85 m；按保證進水口內為壓力流最小淹沒深度計算值為0.61 m。為滿足隧洞為有壓流態，進水口底板高程為26.70 m，進水口閘孔頂部高程為30.70 m，最低運行水位為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行連接，輸水隧洞長度643 m；隧洞進口底高程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，內襯鋼管。引水隧洞水力計算結果見表2。

表2 引水隧洞水力計算結果

泵站前池分為2隔，每隔前池各有3隔進水池，單隔前池水平擴散段總長9.15 m，水平段2.27 m，斜坡段6.88 m，其擴散角為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，斜坡段底板起點高程25.0 m，終點高程24.14 m，坡度1∶8。前池最高水位41.33 m，前池設計水位34.23 m，前池最低水位31.33 m。

泵站廠房對應前池膈數共設置6臺臥式雙吸水平中開式離心泵。泵站機組安裝高程為29.33 m，進水管中心線高程為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

1.2 參數分析

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

(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，水泵揚程72.21 m，4臺水泵同時發生抽水斷電事故。

1.2.1工況1驗證計算

對工況一過渡過程進行驗證計算。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臺水泵以60 s間隔開啟，取水系統流量在300內由0 m3/s打到12.30 m3/s。在此極端工況下驗證泵站前池最低水位是否滿足安全運行需要。該工況條件下水泵開啟規律如表4所示，泵后閥門開啟規律如表5所示。

表4 水泵轉速變化過程參數

表5 泵后蝶閥開啟規律

啟泵過程中，水泵的轉速變化如圖2所示，泵后閥門開啟規律如圖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線如圖5～7所示。

圖2 水泵轉速變化

圖3 泵后蝶閥開啟規律

圖2～4中，在工況1下，泵站4臺水泵間隔60 s相繼開啟，轉速在30 s內從0 r/min達到額定轉速590 r/min，在210 s時4臺水泵均達到額定轉速。當第1臺水泵達到額定轉速后，對應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時降至最低，水位為31.83 m。泵站設計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，低于泵站前池瞬時最低水位，可保證水泵進口段啟泵過程中淹沒不進氣，避免了出現吸氣旋渦導致水氣混合的危險。工況1條件下，泵站前池最低水位能夠滿足安全運行需要。

圖4 泵站前池水位變化

圖5 泵站前隧洞段的壓力包絡線

圖6 泵站前隧洞段的最大壓力包絡線和承壓標準線

圖7 泵站前隧洞段的最小壓力包絡線

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準，泵前隧洞段的最小壓力為3.7～5.2 m，高于最小承壓標準2 m，故泵前隧洞段能滿足安全穩定運行的要求。

1.2.2工況2驗證計算

對工況2過渡過程進行驗證計算。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臺水泵均以設計流量運行，泵站突然發生抽水斷電事故。在此極端工況下驗證泵站前池是否滿足安全運行需要。該工況條件下泵后蝶閥關閉規律如表6所示。

表6 泵后蝶閥關閉規律表(工況2)

泵抽水斷電過程中，水泵的轉速變化如圖8所示，泵后閥門關閉規律如圖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線如圖11～13所示。

圖8 泵抽水斷電時的轉速變化

圖10 泵站前池水位變化

由圖8～13可知，在工況2下，泵站4臺水泵同時發生抽水斷電事故，水泵轉速從額定轉速590 r/min在20 s內跌至100 r/min以下，并迅速降至0 r/min，泵后閥門也在10 s內同時迅速關閉。在此過程中，引水隧洞內的水和泵后管道水流都涌向泵站前池，在泵站前池內形成類似正弦曲線的液位波動。圖9中引水隧洞和泵后管道內水流疊加波峰形態形成的最高水位為抽水斷電事故發生145 s時的42.79 m，而泵站前池設計頂高程為43.0 m，因此泵站前池雖出現涌浪現象但不會出現溢流。所以在泵站發生抽水斷電事故，水泵停機出現前池涌浪的情況下，泵站前池最高水位也能滿足安全運行需求。

圖11 泵站前隧洞段的壓力包絡線

圖12 泵站前隧洞段的最大壓力包絡線和承壓標準線

圖13 泵站前隧洞段的最小壓力包絡線

泵站前引水隧洞段的最大壓力為13.1～16.1 m滿足承壓標準，最小壓力范圍13.1～14.5 m，高于2 m最小隧洞內承壓標準，故泵前隧洞段能滿足安全穩定運行的要求。

3 結 論

2個工況的驗證計算結果表明，對于該大型引調水工程的取水系統，不管是啟泵過程中泵站前池水位迅速下降，還是4臺水泵發生抽水斷電事故泵站前池水位上升，池內的最低水位和最高水位都能滿足安全運行的需求，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；同時，泵前引水隧洞段內水壓力也能滿足安全穩定運行的要求。在該大型引調水工程的取水系統的設計、建模及仿真計算工程中，得出結論如下：

(1) 對于大流量的取水泵站系統，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正常安全穩定運行的控制性指標。

(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、發生抽水斷電時的事故工況，該種情況下泵站前池水位呈正弦曲線波動，且最高水位與最低水位差值最高。

(3) 因單臺或幾臺機組停機引起的取水泵站前池水位波動較小。應盡可能避免泵站出現抽水斷電導致全部機組同時停機的事故，正常運行機組的臺數越多,越有利于平抑因水泵啟停機而產生的前池涌浪疊加幅值。

(4) 在泵站設計過程中，在選定機組后，推薦采用建模計算的方式驗證前池最高水位是否滿足涌浪溢流的要求；同時可以判斷泵站機組的安裝高程和泵站前池的最低水位，是否會導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計要求的同時，可以進一步考慮對泵后蝶閥、止回閥的設置及運行規則進行優化，同時增加泵后單向調壓塔，減小管道內負壓水錘對水泵的沖擊，提升工程安全運行穩定性。