滇中引水石鼓水源泵站过渡过程计算研究

桂绍波，金德山，李 玲，王华军，王建华

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

滇中引水工程是国务院批复的提出解决滇中地区严重缺水的特大型跨流域引水工程，实施该工程可有效缓解滇中地区较长时期缺水矛盾，改善河道及高原湖泊的生态及水环境状况，对促进云南省经济社会协调、可持续发展具有重要作用。

水源泵站是滇中引水工程的首要组成部分，承担向大理、丽江、楚雄、昆明、玉溪和红河等城市的城镇生活、工业和农业灌溉供水，以及向滇池、杞麓湖、异龙湖等湖泊的生态补水任务。该工程设计水平年2040年年平均引水量34.03亿m3，泵站设计抽水流量为135m3/s，在初步设计阶段推荐装机12台，其中10台工作、2台备用，泵站年利用小时数为7002h。

滇中引水工程水源为石鼓无坝取水，引水渠布置于石鼓镇大同村下游金沙江右岸滩地，进水流道分1#、2#两个水力单元布置，每个水力单元采用六机一洞的布置形式，且由主洞、上游调压室、埋涵、岔管及支洞组成，入口中心线高程为1806.35m。主洞由进水隧洞、进水调压室及进水埋涵组成，1#水力单元输水流道左岸进水隧洞长度2584.18m，洞内径6.7m；穿冲江河涵管段长700m，洞内径6.7m；右岸进水隧洞至分叉管由两部分组成：调压室前隧洞长度为459.40m，内径6.7m；调压室后至分叉管隧洞长度为157.20m，洞内径6.7m；上游进水调压室断面面积为900.0m2。进水流道轴线在立面上采用两段斜坡接三段平底坡的布置方式，后经水泵机组顺扬水流向依次布置缓闭式液控球阀和检修球阀，检修球阀后出水流道分两个水力单元布置，每个水力单元采用六机一洞，且主要由支洞及主洞组成。每个水力单元六条洞径1.6～2.5m扬水支洞依次汇入泵站下游侧出水主洞，主洞轴线长约341.33m，洞径6.0m，采用竖井连接方式，出水主洞出口通过出水池与香炉山隧洞相联。

为了保证滇中引水工程水源泵站水泵电动机组的安全稳定运行，本文主要针对前述的流道布置形式，对滇中引水工程水源泵站的水力过渡过程进行了详细的计算分析，以致力于为滇中引水工程水源泵站的输水系统布置、结构设计和泵站的安全稳定运行提供依据。

1 泵站基本资料

1.1 泵站特征水位

(1)泵站进水池水位。最高水位(P=5%洪水日平均)1825.82m，设计水位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/对应水位)2035.25m，设计水位(135.0m3/对应水位)2035.17m，平均水位(107.9m3/对应水位)2034.19m，最低水位(13.5m3/s流量)2030.50m。

(3)泵站扬程。最大扬程219.16m，设计扬程218.63m，最小扬程204.68m，加权平均扬程216.64m。

(4)水泵扬程。水泵扬程为泵站扬程计入水力损失及出口动能，根据泵站输水系统布置，水泵最大扬程226.42m，设计扬程225.80m，平均扬程223.80m，最小扬程207.90m。

1.2 水泵性能参数及全特征曲线

水泵机组采用单级、单吸式立式离心泵，其主要性能参数见表1。

表1 水泵机组主要技术参数

水源泵站水泵机组比转速为98.70m·m-3/s，该模型泵全特性曲线如图1所示。一般而言，采用同类型、比转速相近的水泵模型全特性曲线对水泵过渡过程计算结果影响较小，有较好的近似性。

图1 水源泵站水泵模型四象限曲线

1.3 输水系统计算简图及分段

滇中引水工程水源泵站厂房分1#和2#两个水力单元布置，考虑1#、2#两个水力单元布置基本相同，且调压室规模1#和2#水力单元相同，断面面积均为900m2。其中，1#和2#水力单元引水隧洞和扬水隧洞分别以1#机组和7#机组最长。因此，在本文过渡过程设计计算中，选择1#水力单元(1#～6#机组)输水系统作为主要研究对象，输水系统的分段、当量管编号建模如图2所示。

图2 水源泵站输水系统分段建模

1.4 推荐阀门关闭及开启规律

根据GB 50265—2010《泵站设计规范》，高扬程、长压力管道的泵站，水泵出口工作阀门宜选用两阶段的关闭规律。接力器多段关闭规律主要由机械液压装置或机械电气转换装置的切换来实现。水源泵站水泵机组单机容量较大，属于巨型泵站，且输水系统复杂，经多方案计算优化及敏感性分析研究，水源泵站水泵出口阀门零开度至满开度的开启时间整定为60.0s；停机时阀门采用前25s关闭80%，后35s关闭20%的两段关闭规律。液控缓闭球阀的关闭和开启规律如图3和图4所示。

图3 水泵出口阀门开启规律

图4 水泵出口阀门分段关闭规律

1.5 过渡过程设计依据及计算目标值

根据GB 50265—2010《泵站设计规范》的有关规定，滇中引水工程水源泵站过渡过程计算采用的标准如下[6- 10]。

1.5.1机组最大倒转转速升高率控制值

在不同运行扬程组合下，当水泵电动机突发各种最不利组合工况下的断电事故，水泵出水液压球阀分阶段关闭时，水泵电动机最大倒转速不超过1.2倍的额定转速；水泵机组在低于额定转速40%的持续运行时间不应超过2min。

在不同运行水位组合下，当水泵电动机组在额定转速下运行突然事故断电甩负荷，在最高扬程及水泵出口阀全开(拒动)的情况下，其倒转最大飞逸转速应不大于1.4倍的额定转速。

1.5.2机组最大转速升高率控制值

最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5倍，水泵蜗壳出口最大水击压力升高不超过3.5MPa。

1.5.3压力隧洞和管道

引水系统任何部位管顶压力计算限值不小于2mH2O，且不应该出现负压和脱流现象。

1.5.4调压室涌浪

最低涌浪水位计算限值宜最少高于调压室底板高程2m，最高涌浪水位计算限值宜低于交通廊道最高点高程或顶部起重设备底部高程1m。

1.5.5调压室稳定性

调压室水位波动呈稳定收敛趋势，不出现波动发散和共振现象。

2 计算工况

针对滇中引水工程水源泵站的流道布置、输水系统特点、泵站运行方式，机组负荷变化规律等特点，过渡过程计算主要考虑正常运行稳态工况、简单工况、组合工况和水力干扰工况等四大类工况，每大类又根据泵站水位不同、扬程不同、负荷扰动的大小及组合方式不同可分别组合成W1～W9(W稳态)、D1～D9(简单工况)、Z1～Z14(组合工况)、GR1～GR9(水力干扰)共41种设计工况以及DJ1～DJ6(校核工况)共6种校核工况对水源泵站进行全面的水机电联合过渡过程计算。主要涵盖内容如下[1,4,5]：

(1)不设置水锤防护措施下，计算出输水系统在最不利工况下的最大水锤压力和最低负压，以及水泵最大倒转转速、最大倒泄流量等最不利工作参数。

(2)在事故停机情况下输水系统压力包络线。给出泵站两阶段关闭阀门的最佳关闭时间和比例。

(3)计算泵站正常开、停机情况下的压力包络线。给出泵站正常的开停机运行程序。

(4)在保证工程运行安全的基础上，结合工程投资、运行方式等进行技术方案设计，提出安全、合理、经济、可靠的水锤防护措施。

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(5)考虑备用机组运行方式的多样性，分析计算同一水力单元6台机组运行时突然掉电阀门关闭等过渡过程校核工况。

(6)计算机组事故掉电工况，出口液控工作阀门拒动、检修阀门关闭等过渡过程校核工况。

3 计算结果及分析

3.1 敏感性分析

3.1.1调压室面积对过渡过程参数影响

水源泵站进水侧调压室的主要作用在于防止水泵机组吸水管水击压力过高而影响机组稳定运行，同时也为了防止引水隧洞上弯段末端压头不足而出现脱流和液柱分离。本文对1#水力单元分别选取800.0m2、1000.0m2、1200.0m2进行敏感性分析。计算结果表明，调压室断面面积由800m2增加至1000m2，对机组最大倒转转速、蜗壳出口最大压力值基本没有影响。调压室面积的改变主要影响调压室涌浪、引水隧洞上弯段末端最小压力，其变化规律为：随着调压室面积的增加，调压室涌浪值逐渐降低，调压室的最高和最低涌浪值均相应减小，引水隧洞上弯段末端最小压力相应增大，且当调压室面积为800m2时，引水隧洞中心最小压力为3.49m(对应洞顶压力为0.24m)，显然不满足规范所规定的引水隧洞洞顶压力不能小于2mH2O的要求，而对于调压室面积为1000m2和1200m2两个方案，引水隧洞中心最小压力为5.54mH2O和6.69mH2O，按照隧洞直径为6.7m折算，洞顶压力可以满足规范要求。

图5给出了不同调压室面积调压室涌浪的变化规律，由该图可以看出，随着调压室面积的增加，调压室的最高涌浪逐渐降低，调压室的最低涌浪逐渐增加，因此增加调压室面积对调压室涌浪幅度有一定的改善作用。对调压室涌浪变化周期而言，三种调压室面积涌浪变化周期均在660s左右，且随着调压室面积的增加，调压室涌浪周期分别约为580s、660s和722s。因此，调压室涌浪变化周期随着调压室面积的增加而逐渐加大，调压室涌浪的收敛时间也逐渐增加。

图5 不同调压室面积调压室涌浪变化规律

3.1.2阻抗孔面积

调压室阻抗孔口断面面积一般要求其在满足大波动条件下，尽可能改善调压室小波动性能。本文分别按照引水隧洞面积的30%、35%和40%选取阻抗孔面积，对应的阻抗孔口面积分别为10.57m2、12.334m2和14.096m2。计算结果表明：调压室阻抗孔口面积对机组的最大回流量、蜗壳最大压力均影响较小，但是对调压室最高和最低涌浪以及洞顶最小压力影响较大。其中，引水隧洞最小压力随着阻抗孔面积的增加而减小，且组合工况与简单工况相比更加明显，如阻抗孔面积与引水洞面积比为40%时部分工况输水线路洞顶最小压力小于2m，其原因可能是阻抗孔面积越大，通过阻抗孔的水头损失越小，调压室最低涌浪越低，从而影响了引水隧洞上弯段洞顶的最小压力。

根据对在不同阻抗孔口面积条件下的过渡过程进行计算分析，过大的阻抗孔面积，过渡过程控制参数计算限值不能满足规范要求，推荐阻抗孔口断面面积按压力引水隧洞断面积的35%选取，即阻抗孔口断面面积为12.334m2。

3.1.3机组间隔启动时间敏感性分析

表2 1#水力单元不同启动时间间隔计算结果对比

由表2可以看出，机组启动间隔时间对水泵蜗壳出口最大压力和调压室最高涌浪影响较小，主要影响调压室最低涌浪和引水隧洞洞顶最小压力，且随着机组启动间隔时间的加大，调压室最低涌浪和输水隧洞洞顶最小压力逐渐增加，因此对系统运行也越安全。根据不同启动间隔时间的计算结果，当机组启动间隔时间小于90s时，输水隧洞洞顶最小压力不满足大于2m的设计规范的强条要求。因此，最终推荐水源泵站机组启动时间间隔不小于120s。

3.2 计算结果分析

3.2.1机组最大倒转转速

1#水力单元水泵机组最大倒转转速发生在Z11工况，即上游取水口最低水位1816.09m，同一水力单元5台水泵机组依次间隔120s启动，在调压室水位最低时刻全部掉电，泵后阀门拒动。在该工况水泵最大倒转转速为486.24r/min(对应的倒转转速上升率为13.5%)，该值基本与简单工况最大倒转转速计算值相当，均小于20%，满足规程规范及设计的要求。其中1#水力单元Z11工况单台水泵过渡过程曲线如图6所示。

图6 1#水力单元Z11工况水泵过渡过程参数变化规律

3.2.2输水系统洞顶最小压力

沿引水系统的最小压力线通常发生在泵站取水口最低水位、水泵机组启动工况。在整定的水泵出口阀门开启时间为60.0s前提下，1#水力单元引水隧洞上弯段起点位置最小压力发生在Z9工况，且洞顶最小压力值为3.19m。图7给出了1#水力单元输水隧洞最高、最低压力包络线的分布规律。

图7 1#水力单元输水系统压力包络线

3.2.3水力干扰

(1)机组流量干扰。

1#水力单元受干扰后运行水泵机组过机流量存在一定波动，且机组流量最大波动发生在GR3工况，即上游取水口最高水位1825.82m，同一水力单元的5台机组正常运行，其中4台机组突然掉电，阀门关闭。1#水力单元在工况GR3，正常运行受水力干扰机组的主要性能参数变化规律见图8所示。

图8 GR3工况正常运行机组性能参数变化规律

由图8可见，由于受到同一水力单元其他四台机组停泵水力干扰的影响，在其他四台机组事故掉电停机过程中，水泵出口压力瞬间突然下降，水泵扬程降低，因此工作泵的过机流量出现陡增趋势。计算结果表明：GR3工况1#水力单元另外一台正常运行机组过机流量最大值为18.93m3/s，最大变化幅度达到30.28%；断电后约经过13s正常运行机组过机流量逐步稳定在14.5m3/s附近运行。

(2)水泵出口压力干扰。

1#水力单元受干扰后正常运行的水泵出口压力存在波动，最大波动发生在GR3工况，1#水力单元受水力干扰的水泵进、出口压力变化规律见图9所示。

图9 GR3工况1#水力单元正常运行水泵进、出口压力变化

由图9可见，受水力干扰的影响，1#水力单元正常运行机组在其他四台机组突然事故掉电后，正常运行水泵机组出口压力突然下降，且最小压力为217.2m(对应水泵瞬间极端扬程为201.7m)，之后水泵出口压力逐渐增加，增加至最大压力254.63m后又开始降低。四台机组事故掉电后大约经过30s之后，受干扰水泵机组的水泵出口压力才将恢复到初始值附近。

3.3 计算结果对比

考虑石鼓水源泵站为巨型泵站，且输水系统复杂，针对初步设计阶段滇中引水工程水源泵站推荐方案枢纽布置和机组选型计算方案，长江设计公司还分别委托了武汉大学和清华大学对滇中引水工程水源泵站进行了过渡过程复核计算分析。三家单位计算输入边界条件完全相同，且采用相同的阀门关闭规律和机组启动规律。表3给出了三家不同计算程序对1#水力单元过渡过程控制参数计算限值的对比[2- 3]。

由表3可以看出，三家单位所有过渡过程控制参数的计算结果基本接近。机组最大倒转转速、蜗壳出口最大压力值、输水系统洞顶最小压力、调压室涌浪等暂态过程控制参数的三家计算结果均可以满足规程规范要求。

表3 1#水力单元大波动控制参数计算限值对比

4 结论

针对滇中引水工程水源泵站的运行方式及动能参数特点，分析总结了滇中引水工程水源泵站在各种复杂工况下的水力过渡过程，综合分析长江设计公司、武汉大学、清华大学三家的计算成果，可以得到如下结论：

(1)通过对调压室面积、阻抗孔面积、机组启动时间间隔等参数在不同组合工况下进行敏感性分析，确定了可以满足工程安全稳定运行的推荐值。

(2)经计算选定的水源泵站水泵出口液控阀门由零开度至满开度的开启时间整定为60.0s，阀门关闭采用前25s关闭80%、后35s关闭20%的两段关闭规律。水泵启动时采用关阀启动，且机组启动规律为从0%～100%额定转速的整定时间为20s，稳定运行20s后开阀，且相邻启动机组之间的时间间隔不小于120s。计算结果表明：在现阶段水泵电动机组性能参数及输水系统条件下，水力过渡过程分析计算结果能满足各项规程规范要求，调压室水力波动过程呈收敛稳定状态。