桂紹波，金德山，李 玲，王華軍，王建華

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

滇中引水工程是國務院批復的提出解決滇中地區(qū)嚴重缺水的特大型跨流域引水工程，實施該工程可有效緩解滇中地區(qū)較長時期缺水矛盾，改善河道及高原湖泊的生態(tài)及水環(huán)境狀況，對促進云南省經(jīng)濟社會協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

水源泵站是滇中引水工程的首要組成部分，承擔向大理、麗江、楚雄、昆明、玉溪和紅河等城市的城鎮(zhèn)生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉供水，以及向滇池、杞麓湖、異龍湖等湖泊的生態(tài)補水任務。該工程設計水平年2040年年平均引水量34.03億m3，泵站設計抽水流量為135m3/s，在初步設計階段推薦裝機12臺，其中10臺工作、2臺備用，泵站年利用小時數(shù)為7002h。

滇中引水工程水源為石鼓無壩取水，引水渠布置于石鼓鎮(zhèn)大同村下游金沙江右岸灘地，進水流道分1#、2#兩個水力單元布置，每個水力單元采用六機一洞的布置形式，且由主洞、上游調壓室、埋涵、岔管及支洞組成，入口中心線高程為1806.35m。主洞由進水隧洞、進水調壓室及進水埋涵組成，1#水力單元輸水流道左岸進水隧洞長度2584.18m，洞內徑6.7m；穿沖江河涵管段長700m，洞內徑6.7m；右岸進水隧洞至分叉管由兩部分組成：調壓室前隧洞長度為459.40m，內徑6.7m；調壓室后至分叉管隧洞長度為157.20m，洞內徑6.7m；上游進水調壓室斷面面積為900.0m2。進水流道軸線在立面上采用兩段斜坡接三段平底坡的布置方式，后經(jīng)水泵機組順揚水流向依次布置緩閉式液控球閥和檢修球閥，檢修球閥后出水流道分兩個水力單元布置，每個水力單元采用六機一洞，且主要由支洞及主洞組成。每個水力單元六條洞徑1.6～2.5m揚水支洞依次匯入泵站下游側出水主洞，主洞軸線長約341.33m，洞徑6.0m，采用豎井連接方式，出水主洞出口通過出水池與香爐山隧洞相聯(lián)。

為了保證滇中引水工程水源泵站水泵電動機組的安全穩(wěn)定運行，本文主要針對前述的流道布置形式，對滇中引水工程水源泵站的水力過渡過程進行了詳細的計算分析，以致力于為滇中引水工程水源泵站的輸水系統(tǒng)布置、結構設計和泵站的安全穩(wěn)定運行提供依據(jù)。

1 泵站基本資料

1.1 泵站特征水位

(1)泵站進水池水位。最高水位(P=5%洪水日平均)1825.82m，設計水位1816.54m，最低水位1816.09m，平均水位(多年旬平均)1817.84m。

(2)泵站出水池水位。最高水位(137.0m3/對應水位)2035.25m，設計水位(135.0m3/對應水位)2035.17m，平均水位(107.9m3/對應水位)2034.19m，最低水位(13.5m3/s流量)2030.50m。

(3)泵站揚程。最大揚程219.16m，設計揚程218.63m，最小揚程204.68m，加權平均揚程216.64m。

(4)水泵揚程。水泵揚程為泵站揚程計入水力損失及出口動能，根據(jù)泵站輸水系統(tǒng)布置，水泵最大揚程226.42m，設計揚程225.80m，平均揚程223.80m，最小揚程207.90m。

1.2 水泵性能參數(shù)及全特征曲線

水泵機組采用單級、單吸式立式離心泵，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 水泵機組主要技術參數(shù)

水源泵站水泵機組比轉速為98.70m·m-3/s，該模型泵全特性曲線如圖1所示。一般而言，采用同類型、比轉速相近的水泵模型全特性曲線對水泵過渡過程計算結果影響較小，有較好的近似性。

圖1 水源泵站水泵模型四象限曲線

1.3 輸水系統(tǒng)計算簡圖及分段

滇中引水工程水源泵站廠房分1#和2#兩個水力單元布置，考慮1#、2#兩個水力單元布置基本相同，且調壓室規(guī)模1#和2#水力單元相同，斷面面積均為900m2。其中，1#和2#水力單元引水隧洞和揚水隧洞分別以1#機組和7#機組最長。因此，在本文過渡過程設計計算中，選擇1#水力單元(1#～6#機組)輸水系統(tǒng)作為主要研究對象，輸水系統(tǒng)的分段、當量管編號建模如圖2所示。

圖2 水源泵站輸水系統(tǒng)分段建模

1.4 推薦閥門關閉及開啟規(guī)律

根據(jù)GB 50265—2010《泵站設計規(guī)范》，高揚程、長壓力管道的泵站，水泵出口工作閥門宜選用兩階段的關閉規(guī)律。接力器多段關閉規(guī)律主要由機械液壓裝置或機械電氣轉換裝置的切換來實現(xiàn)。水源泵站水泵機組單機容量較大，屬于巨型泵站，且輸水系統(tǒng)復雜，經(jīng)多方案計算優(yōu)化及敏感性分析研究，水源泵站水泵出口閥門零開度至滿開度的開啟時間整定為60.0s；停機時閥門采用前25s關閉80%，后35s關閉20%的兩段關閉規(guī)律。液控緩閉球閥的關閉和開啟規(guī)律如圖3和圖4所示。

圖3 水泵出口閥門開啟規(guī)律

圖4 水泵出口閥門分段關閉規(guī)律

1.5 過渡過程設計依據(jù)及計算目標值

根據(jù)GB 50265—2010《泵站設計規(guī)范》的有關規(guī)定，滇中引水工程水源泵站過渡過程計算采用的標準如下[6- 10]。

1.5.1機組最大倒轉轉速升高率控制值

在不同運行揚程組合下，當水泵電動機突發(fā)各種最不利組合工況下的斷電事故，水泵出水液壓球閥分階段關閉時，水泵電動機最大倒轉速不超過1.2倍的額定轉速；水泵機組在低于額定轉速40%的持續(xù)運行時間不應超過2min。

在不同運行水位組合下，當水泵電動機組在額定轉速下運行突然事故斷電甩負荷，在最高揚程及水泵出口閥全開(拒動)的情況下，其倒轉最大飛逸轉速應不大于1.4倍的額定轉速。

1.5.2機組最大轉速升高率控制值

最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍，水泵蝸殼出口最大水擊壓力升高不超過3.5MPa。

1.5.3壓力隧洞和管道

引水系統(tǒng)任何部位管頂壓力計算限值不小于2mH2O，且不應該出現(xiàn)負壓和脫流現(xiàn)象。

1.5.4調壓室涌浪

最低涌浪水位計算限值宜最少高于調壓室底板高程2m，最高涌浪水位計算限值宜低于交通廊道最高點高程或頂部起重設備底部高程1m。

1.5.5調壓室穩(wěn)定性

調壓室水位波動呈穩(wěn)定收斂趨勢，不出現(xiàn)波動發(fā)散和共振現(xiàn)象。

2 計算工況

針對滇中引水工程水源泵站的流道布置、輸水系統(tǒng)特點、泵站運行方式，機組負荷變化規(guī)律等特點，過渡過程計算主要考慮正常運行穩(wěn)態(tài)工況、簡單工況、組合工況和水力干擾工況等四大類工況，每大類又根據(jù)泵站水位不同、揚程不同、負荷擾動的大小及組合方式不同可分別組合成W1～W9(W穩(wěn)態(tài))、D1～D9(簡單工況)、Z1～Z14(組合工況)、GR1～GR9(水力干擾)共41種設計工況以及DJ1～DJ6(校核工況)共6種校核工況對水源泵站進行全面的水機電聯(lián)合過渡過程計算。主要涵蓋內容如下[1,4,5]：

(1)不設置水錘防護措施下，計算出輸水系統(tǒng)在最不利工況下的最大水錘壓力和最低負壓，以及水泵最大倒轉轉速、最大倒泄流量等最不利工作參數(shù)。

(2)在事故停機情況下輸水系統(tǒng)壓力包絡線。給出泵站兩階段關閉閥門的最佳關閉時間和比例。

(3)計算泵站正常開、停機情況下的壓力包絡線。給出泵站正常的開停機運行程序。

(4)在保證工程運行安全的基礎上，結合工程投資、運行方式等進行技術方案設計，提出安全、合理、經(jīng)濟、可靠的水錘防護措施。

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(5)考慮備用機組運行方式的多樣性，分析計算同一水力單元6臺機組運行時突然掉電閥門關閉等過渡過程校核工況。

(6)計算機組事故掉電工況，出口液控工作閥門拒動、檢修閥門關閉等過渡過程校核工況。

3 計算結果及分析

3.1 敏感性分析

3.1.1調壓室面積對過渡過程參數(shù)影響

水源泵站進水側調壓室的主要作用在于防止水泵機組吸水管水擊壓力過高而影響機組穩(wěn)定運行，同時也為了防止引水隧洞上彎段末端壓頭不足而出現(xiàn)脫流和液柱分離。本文對1#水力單元分別選取800.0m2、1000.0m2、1200.0m2進行敏感性分析。計算結果表明，調壓室斷面面積由800m2增加至1000m2，對機組最大倒轉轉速、蝸殼出口最大壓力值基本沒有影響。調壓室面積的改變主要影響調壓室涌浪、引水隧洞上彎段末端最小壓力，其變化規(guī)律為：隨著調壓室面積的增加，調壓室涌浪值逐漸降低，調壓室的最高和最低涌浪值均相應減小，引水隧洞上彎段末端最小壓力相應增大，且當調壓室面積為800m2時，引水隧洞中心最小壓力為3.49m(對應洞頂壓力為0.24m)，顯然不滿足規(guī)范所規(guī)定的引水隧洞洞頂壓力不能小于2mH2O的要求，而對于調壓室面積為1000m2和1200m2兩個方案，引水隧洞中心最小壓力為5.54mH2O和6.69mH2O，按照隧洞直徑為6.7m折算，洞頂壓力可以滿足規(guī)范要求。

圖5給出了不同調壓室面積調壓室涌浪的變化規(guī)律，由該圖可以看出，隨著調壓室面積的增加，調壓室的最高涌浪逐漸降低，調壓室的最低涌浪逐漸增加，因此增加調壓室面積對調壓室涌浪幅度有一定的改善作用。對調壓室涌浪變化周期而言，三種調壓室面積涌浪變化周期均在660s左右，且隨著調壓室面積的增加，調壓室涌浪周期分別約為580s、660s和722s。因此，調壓室涌浪變化周期隨著調壓室面積的增加而逐漸加大，調壓室涌浪的收斂時間也逐漸增加。

圖5 不同調壓室面積調壓室涌浪變化規(guī)律

3.1.2阻抗孔面積

調壓室阻抗孔口斷面面積一般要求其在滿足大波動條件下，盡可能改善調壓室小波動性能。本文分別按照引水隧洞面積的30%、35%和40%選取阻抗孔面積，對應的阻抗孔口面積分別為10.57m2、12.334m2和14.096m2。計算結果表明：調壓室阻抗孔口面積對機組的最大回流量、蝸殼最大壓力均影響較小，但是對調壓室最高和最低涌浪以及洞頂最小壓力影響較大。其中，引水隧洞最小壓力隨著阻抗孔面積的增加而減小，且組合工況與簡單工況相比更加明顯，如阻抗孔面積與引水洞面積比為40%時部分工況輸水線路洞頂最小壓力小于2m，其原因可能是阻抗孔面積越大，通過阻抗孔的水頭損失越小，調壓室最低涌浪越低，從而影響了引水隧洞上彎段洞頂?shù)淖钚毫Α?/p>

根據(jù)對在不同阻抗孔口面積條件下的過渡過程進行計算分析，過大的阻抗孔面積，過渡過程控制參數(shù)計算限值不能滿足規(guī)范要求，推薦阻抗孔口斷面面積按壓力引水隧洞斷面積的35%選取，即阻抗孔口斷面面積為12.334m2。

3.1.3機組間隔啟動時間敏感性分析

表2 1#水力單元不同啟動時間間隔計算結果對比

由表2可以看出，機組啟動間隔時間對水泵蝸殼出口最大壓力和調壓室最高涌浪影響較小，主要影響調壓室最低涌浪和引水隧洞洞頂最小壓力，且隨著機組啟動間隔時間的加大，調壓室最低涌浪和輸水隧洞洞頂最小壓力逐漸增加，因此對系統(tǒng)運行也越安全。根據(jù)不同啟動間隔時間的計算結果，當機組啟動間隔時間小于90s時，輸水隧洞洞頂最小壓力不滿足大于2m的設計規(guī)范的強條要求。因此，最終推薦水源泵站機組啟動時間間隔不小于120s。

3.2 計算結果分析

3.2.1機組最大倒轉轉速

1#水力單元水泵機組最大倒轉轉速發(fā)生在Z11工況，即上游取水口最低水位1816.09m，同一水力單元5臺水泵機組依次間隔120s啟動，在調壓室水位最低時刻全部掉電，泵后閥門拒動。在該工況水泵最大倒轉轉速為486.24r/min(對應的倒轉轉速上升率為13.5%)，該值基本與簡單工況最大倒轉轉速計算值相當，均小于20%，滿足規(guī)程規(guī)范及設計的要求。其中1#水力單元Z11工況單臺水泵過渡過程曲線如圖6所示。

圖6 1#水力單元Z11工況水泵過渡過程參數(shù)變化規(guī)律

3.2.2輸水系統(tǒng)洞頂最小壓力

沿引水系統(tǒng)的最小壓力線通常發(fā)生在泵站取水口最低水位、水泵機組啟動工況。在整定的水泵出口閥門開啟時間為60.0s前提下，1#水力單元引水隧洞上彎段起點位置最小壓力發(fā)生在Z9工況，且洞頂最小壓力值為3.19m。圖7給出了1#水力單元輸水隧洞最高、最低壓力包絡線的分布規(guī)律。

圖7 1#水力單元輸水系統(tǒng)壓力包絡線

3.2.3水力干擾

(1)機組流量干擾。

1#水力單元受干擾后運行水泵機組過機流量存在一定波動，且機組流量最大波動發(fā)生在GR3工況，即上游取水口最高水位1825.82m，同一水力單元的5臺機組正常運行，其中4臺機組突然掉電，閥門關閉。1#水力單元在工況GR3，正常運行受水力干擾機組的主要性能參數(shù)變化規(guī)律見圖8所示。

圖8 GR3工況正常運行機組性能參數(shù)變化規(guī)律

由圖8可見，由于受到同一水力單元其他四臺機組停泵水力干擾的影響，在其他四臺機組事故掉電停機過程中，水泵出口壓力瞬間突然下降，水泵揚程降低，因此工作泵的過機流量出現(xiàn)陡增趨勢。計算結果表明：GR3工況1#水力單元另外一臺正常運行機組過機流量最大值為18.93m3/s，最大變化幅度達到30.28%；斷電后約經(jīng)過13s正常運行機組過機流量逐步穩(wěn)定在14.5m3/s附近運行。

(2)水泵出口壓力干擾。

1#水力單元受干擾后正常運行的水泵出口壓力存在波動，最大波動發(fā)生在GR3工況，1#水力單元受水力干擾的水泵進、出口壓力變化規(guī)律見圖9所示。

圖9 GR3工況1#水力單元正常運行水泵進、出口壓力變化

由圖9可見，受水力干擾的影響，1#水力單元正常運行機組在其他四臺機組突然事故掉電后，正常運行水泵機組出口壓力突然下降，且最小壓力為217.2m(對應水泵瞬間極端揚程為201.7m)，之后水泵出口壓力逐漸增加，增加至最大壓力254.63m后又開始降低。四臺機組事故掉電后大約經(jīng)過30s之后，受干擾水泵機組的水泵出口壓力才將恢復到初始值附近。

3.3 計算結果對比

考慮石鼓水源泵站為巨型泵站，且輸水系統(tǒng)復雜，針對初步設計階段滇中引水工程水源泵站推薦方案樞紐布置和機組選型計算方案，長江設計公司還分別委托了武漢大學和清華大學對滇中引水工程水源泵站進行了過渡過程復核計算分析。三家單位計算輸入邊界條件完全相同，且采用相同的閥門關閉規(guī)律和機組啟動規(guī)律。表3給出了三家不同計算程序對1#水力單元過渡過程控制參數(shù)計算限值的對比[2- 3]。

由表3可以看出，三家單位所有過渡過程控制參數(shù)的計算結果基本接近。機組最大倒轉轉速、蝸殼出口最大壓力值、輸水系統(tǒng)洞頂最小壓力、調壓室涌浪等暫態(tài)過程控制參數(shù)的三家計算結果均可以滿足規(guī)程規(guī)范要求。

表3 1#水力單元大波動控制參數(shù)計算限值對比

4 結論

針對滇中引水工程水源泵站的運行方式及動能參數(shù)特點，分析總結了滇中引水工程水源泵站在各種復雜工況下的水力過渡過程，綜合分析長江設計公司、武漢大學、清華大學三家的計算成果，可以得到如下結論：

(1)通過對調壓室面積、阻抗孔面積、機組啟動時間間隔等參數(shù)在不同組合工況下進行敏感性分析，確定了可以滿足工程安全穩(wěn)定運行的推薦值。

(2)經(jīng)計算選定的水源泵站水泵出口液控閥門由零開度至滿開度的開啟時間整定為60.0s，閥門關閉采用前25s關閉80%、后35s關閉20%的兩段關閉規(guī)律。水泵啟動時采用關閥啟動，且機組啟動規(guī)律為從0%～100%額定轉速的整定時間為20s，穩(wěn)定運行20s后開閥，且相鄰啟動機組之間的時間間隔不小于120s。計算結果表明：在現(xiàn)階段水泵電動機組性能參數(shù)及輸水系統(tǒng)條件下，水力過渡過程分析計算結果能滿足各項規(guī)程規(guī)范要求，調壓室水力波動過程呈收斂穩(wěn)定狀態(tài)。