取水泵站前池涌浪验证分析

李 诚

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

0 前 言

对于大流量取水泵站系统，在实际运行期间有多种运行工况，不同工况下泵站前池涌浪水位会有较大不同。启泵时流量变化大，泵站前池水位迅速降低，如果前池水位过低，会导致前池池内产生吸气旋涡，空气吸入水泵，危害水泵运行及管道安全；水泵发生抽水断电事故时，隧洞和泵后管道水流涌向泵站前池，池内水位迅速抬高，如果前池水位过高，会导致前池溢流，危害泵房安全。为了保证泵站及取水系统的的安全稳定运行，需对引水隧洞内压力和泵站前池水位进行计算分析，针对系统中可能出现负压旋涡及水锤溢流工况进行研究，在最不利水位条件下，泵站机组启闭(抽水断电事故)导致的引水隧洞承压标准线、压力最大、最小包络线变化一级泵站前池水位波动曲线叠加情况，对引水隧洞设计坡降、泵站前池超高及泵后阀关闭程序进行优化，确定工程合理的防护负压旋涡和水锤溢流措施。

本文以广东省某大型引调水工程为例，采用水锤和瞬态分析软件Bentley Hammer V8i (SELECTseries6) 对工程取水头部、引水隧洞及取水泵站进行建模,分析不同取水水位条件下泵站运行工况对引水隧洞和泵站前池的水位的影响，判断引水隧洞设计及泵站前池设计是否满足极端工况的安全运行，为泵站系统在特殊水位工况下安全启停机组提供数据支持，验证取水系统应对抽水断电事故的抗冲击能力是否满足安全需要，为工程安全运行提供决策依据。

1 过程分析

1.1 工程概况

该引调水工程以水库作为取水水源，取水头部由取水建筑物、引水隧洞、泵站组成。最大取水流量12.30 m3/s。

取水建筑物设计引水流量12.30 m3/s。设计运行水位34.70 m，最低运行水位32.30 m，最高运行水位41.80 m。采用独立有压岸塔式，进水口轴线与库区流向呈45°角，顺引水流向依次布置有护底段、进水渠段、进水闸段、渐变段段及启闭机室、交通桥、连接平台。单孔设计，拦污栅孔口尺寸5.0 m×17.8 m (净宽×净高)，水闸孔口尺寸4.0 m×4.0 m (净宽×净高)。工程计算模型见图1。

图1 工程计算模型示意

钢模现浇混凝土衬砌(技术良好)糙率n最大为0.014；钢管糙率n最大为0.013。隧洞采用钢管内衬，考虑螺仔等生物因素，建议糙率n取值0.014。按照最大流量工况计算，取水口过栅流速为0.525 m/s，隧洞内流速1.524 m/s，洞内沿程水头损失0.158 m，局部水头损失0.131 m，全段总水头损失0.289 m。取水口水位与泵站前池水位见表1。

表1 取水口水位与泵站前池水位

防止产生贯通式漏斗漩涡考虑，最小淹没深度计算值为0.85 m；按保证进水口内为压力流最小淹没深度计算值为0.61 m。为满足隧洞为有压流态，进水口底板高程为26.70 m，进水口闸孔顶部高程为30.70 m，最低运行水位为32.30 m，最小淹没深度为1.60 m。

取水建筑物至泵站前池采用引水道形式的有压隧洞进行连接，输水隧洞长度643 m；隧洞进口底高程27.10 m，输水隧洞出口底高程25.14 m，输水隧洞纵坡i=0.3%，输水隧洞过水面为圆形，直径3.2 m，内衬钢管。引水隧洞水力计算结果见表2。

表2 引水隧洞水力计算结果

泵站前池分为2隔，每隔前池各有3隔进水池，单隔前池水平扩散段总长9.15 m，水平段2.27 m，斜坡段6.88 m，其扩散角为48°，净宽从5.2 m渐变到25.40 m，顶高程43.0 m。水平段底板高程25.0 m，斜坡段底板起点高程25.0 m，终点高程24.14 m，坡度1∶8。前池最高水位41.33 m，前池设计水位34.23 m，前池最低水位31.33 m。

泵站厂房对应前池膈数共设置6台卧式双吸水平中开式离心泵。泵站机组安装高程为29.33 m，进水管中心线高程为28.09 m，出水管中心线高程为28.29 m。

表3 泵站泵组基本参数

1.2 参数分析

取水系统在实际运行期间伴随取水流量的变化有多种运行工况，不同工况下引水隧洞内水力条件、承压条件及泵站前池水位都有变化。当泵站处在正常运行工况，取水流量变化范围不足以引起泵站前池涌浪或吸气旋涡，隧洞内最小承压也能满足规范要求。当泵站处在极端或事故运行工况时，泵站前池可能出现超高水位的溢流涌浪或极低水位的吸气旋涡，严重影响泵站运行安全。根据以上条件，选择以下2种极端工况为泵站运行最不利条件，对该种工况进行建模计算。

(1) 工况1(最低水位、最小流量、启泵工况)：引水水库水位32.30 m，总流量0 m3/s，单泵流量0 m3/s，4台水泵相继开启。

(2) 工况2(最高水位、最大流量、断电工况)：引水水库水位41.80 m，总流量12.26 m3/s，单泵流量3.065 m3/s，水泵扬程72.21 m，4台水泵同时发生抽水断电事故。

1.2.1工况1验证计算

对工况一过渡过程进行验证计算。该工况下，取水水源处在最低水位，泵站前池也处在最低水位，4台水泵以60 s间隔开启，取水系统流量在300内由0 m3/s打到12.30 m3/s。在此极端工况下验证泵站前池最低水位是否满足安全运行需要。该工况条件下水泵开启规律如表4所示，泵后阀门开启规律如表5所示。

表4 水泵转速变化过程参数

表5 泵后蝶阀开启规律

启泵过程中，水泵的转速变化如图2所示，泵后阀门开启规律如图3所示，前池水位变化如图4所示，泵站前隧洞段的压力包络线如图5～7所示。

图2 水泵转速变化

图3 泵后蝶阀开启规律

图2～4中，在工况1下，泵站4台水泵间隔60 s相继开启，转速在30 s内从0 r/min达到额定转速590 r/min，在210 s时4台水泵均达到额定转速。当第1台水泵达到额定转速后，对应的泵后阀门也相继开启。在此过程中，泵站前池由32.3 m在560 s时降至最低，水位为31.83 m。泵站设计压力箱涵的顶高程为28.50 m，水泵叶轮中心线高程为29.33 m，低于泵站前池瞬时最低水位，可保证水泵进口段启泵过程中淹没不进气，避免了出现吸气旋涡导致水气混合的危险。工况1条件下，泵站前池最低水位能够满足安全运行需要。

图4 泵站前池水位变化

图5 泵站前隧洞段的压力包络线

图6 泵站前隧洞段的最大压力包络线和承压标准线

图7 泵站前隧洞段的最小压力包络线

图5～7可知，在工况1下，泵前隧洞段的最大压力满足承压标准，泵前隧洞段的最小压力为3.7～5.2 m，高于最小承压标准2 m，故泵前隧洞段能满足安全稳定运行的要求。

1.2.2工况2验证计算

对工况2过渡过程进行验证计算。该工况下，取水水源处在最高水位，泵站前池也处在最高水位，4台水泵均以设计流量运行，泵站突然发生抽水断电事故。在此极端工况下验证泵站前池是否满足安全运行需要。该工况条件下泵后蝶阀关闭规律如表6所示。

表6 泵后蝶阀关闭规律表(工况2)

泵抽水断电过程中，水泵的转速变化如图8所示，泵后阀门关闭规律如图9所示，前池水位变化如图10所示，泵站前隧洞段的压力包络线如图11～13所示。

图8 泵抽水断电时的转速变化

图10 泵站前池水位变化

由图8～13可知，在工况2下，泵站4台水泵同时发生抽水断电事故，水泵转速从额定转速590 r/min在20 s内跌至100 r/min以下，并迅速降至0 r/min，泵后阀门也在10 s内同时迅速关闭。在此过程中，引水隧洞内的水和泵后管道水流都涌向泵站前池，在泵站前池内形成类似正弦曲线的液位波动。图9中引水隧洞和泵后管道内水流叠加波峰形态形成的最高水位为抽水断电事故发生145 s时的42.79 m，而泵站前池设计顶高程为43.0 m，因此泵站前池虽出现涌浪现象但不会出现溢流。所以在泵站发生抽水断电事故，水泵停机出现前池涌浪的情况下，泵站前池最高水位也能满足安全运行需求。

图11 泵站前隧洞段的压力包络线

图12 泵站前隧洞段的最大压力包络线和承压标准线

图13 泵站前隧洞段的最小压力包络线

泵站前引水隧洞段的最大压力为13.1～16.1 m满足承压标准，最小压力范围13.1～14.5 m，高于2 m最小隧洞内承压标准，故泵前隧洞段能满足安全稳定运行的要求。

3 结 论

2个工况的验证计算结果表明，对于该大型引调水工程的取水系统，不管是启泵过程中泵站前池水位迅速下降，还是4台水泵发生抽水断电事故泵站前池水位上升，池内的最低水位和最高水位都能满足安全运行的需求，有效的避免了泵站前池涌浪造成的溢流和吸气旋涡等危险；同时，泵前引水隧洞段内水压力也能满足安全稳定运行的要求。在该大型引调水工程的取水系统的设计、建模及仿真计算工程中，得出结论如下：

(1) 对于大流量的取水泵站系统，泵站引水隧洞(管道)的承压能力，泵站前池的最高水位、最低水位都是直接影响系统正常安全稳定运行的控制性指标。

(2) 取水泵站前池最不利的涌浪叠加工况一般为上游最高水位、最大流量、发生抽水断电时的事故工况，该种情况下泵站前池水位呈正弦曲线波动，且最高水位与最低水位差值最高。

(3) 因单台或几台机组停机引起的取水泵站前池水位波动较小。应尽可能避免泵站出现抽水断电导致全部机组同时停机的事故，正常运行机组的台数越多,越有利于平抑因水泵启停机而产生的前池涌浪叠加幅值。

(4) 在泵站设计过程中，在选定机组后，推荐采用建模计算的方式验证前池最高水位是否满足涌浪溢流的要求；同时可以判断泵站机组的安装高程和泵站前池的最低水位，是否会导致吸气旋涡造成气蚀，影响水泵效率。在满足引水隧洞和泵站前池设计要求的同时，可以进一步考虑对泵后蝶阀、止回阀的设置及运行规则进行优化，同时增加泵后单向调压塔，减小管道内负压水锤对水泵的冲击，提升工程安全运行稳定性。