梯级泵站事故停泵水力过渡过程研究

肖学 李传奇 杨幸子

摘 要：为了在发生事故停泵时确保梯级泵站及管线的安全，有必要对梯级泵站事故停泵水力过渡过程进行分析，进而提出合理的防护措施。基于特征线法，对梯级泵站事故停泵水力过渡过程进行模拟分析，针对单级或多级泵站事故停泵时存在的水柱分离、机组倒转速过大、调节池漫顶或吸干等问题，提出了对应的防护措施。以某三级泵站输水工程（输水管路长29.7 km，总扬程178 m，设计输水流量30万m3/d，管径1 600 mm）进行了实例分析，结果表明：在沿程管路局部高点设置38座空气阀，并采取合理的两阶段关闭泵后阀操作，可以避免三级泵站同时事故停泵时管路产生水柱分离及机组过大倒转速;单级泵站事故停泵时以合理的顺序和响应时间关闭剩余泵站、两级泵站事故停泵时采取合理的停泵响应时间，可有效避免调节池吸干或漫顶;梯级泵站级间调节池的尺寸选取应综合考虑事故停泵时的响应时间、管道设计压力等因素，尺寸并非越大越好。工程条件允许时，建议采取开敞式调节池或在调节池侧壁设置溢流孔，以避免漫顶。

关键词：梯级泵站;事故停泵;水柱分离;停泵先后顺序;停泵响应时间;防护

中图分类号：TV134   文献标志码：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

隨着我国社会经济的发展，生产生活用水需求日益增长，为实现不同时空水资源优化配置、解决水资源供需矛盾，大型梯级泵站调水工程越来越多。这类工程具有管线长、扬程高、沿线地形起伏大等特点，在发生事故停泵时，不仅管路压力和流量等水力条件会产生急剧变化，从而影响管路及机组安全，而且若其间单级或多级泵站发生事故停泵，而级间的协调措施不当，就会造成在级间起过渡中转作用的调节池产生吸干或漫顶现象。因此，分析梯级泵站事故停泵水力过渡过程，进而提出合理的防护措施，对于梯级泵站的安全稳定运行意义重大。

虽然第1级或第3级泵站停泵的顺序和响应时间可能不同，但调节池面临着类似的吸干或漫顶问题。根据1#、2#调节池吸干或漫顶发生的先后顺序，对最先引起调节池发生不利工况的泵站首先采取停泵措施，再停止剩余泵站的运行。

在一级或多级泵站发生事故停泵时，要及时告知其他泵站的工作人员，在一定的时间内采取停泵措施（最先关闭首先引发调节池发生不利工况所对应的泵站），以防止调节池吸干或漫顶现象发生。本文将最先产生不利情况的调节池的响应时间定为梯级泵站事故停泵时的停泵响应时间（即关闭剩余泵站的时间），以保证调节池不发生漫顶和吸干。在输水流量为3.47 m3/s、1#调节池初始水位为55.6 m、2#调节池初始水位为86.3 m情况下，不同关闭顺序的建议响应时间见表2。

3.6 采用500 m3调节池事故停泵对比分析

采用500 m3调节池条件下（调节池深度不变，水面面积缩小至设计值的1/10），第1、3级泵站发生事故停泵122.6 s后1#调节池水位迅速下降到53.0 m，事故停泵39.4 s后2#调节池水位迅速上升到87.6 m，而5 000 m3调节池发生对应情况的时间分别为626.0、335.0 s。

由图8可知：采用500 m3调节池条件下三级泵站同时事故停泵时，管路沿程压力水头包络线（最大压力水头）总体趋势与5 000 m3调节池条件下相同，最大正压与负压均满足要求。

模擬结果：采用5 000 m3调节池条件下事故停泵在干渠—1#调节池段管路产生的压力水头较500 m3调节池条件下的小2.0～12.0 m，在1#—2#调节池段管路产生的压力水头总体上前者较后者大0.3～4.0 m，二者在2#调节池—水库段产生的压力水头基本一致。因此，梯级泵站间采用较大容积调节池，在事故停泵时可以延长停泵响应时间，但并不一定能有效降低管路产生的水锤压力。在管道输水的梯级泵站间建设调节池时，要综合考虑管路沿程水锤压力、停泵时的响应时间、经济性和地质条件等，并不是调节池容积越大越好。在条件允许时，可采取开敞式调节池或在调节池侧壁设置溢流孔，以避免漫顶。

4 结 论

基于特征线法，对梯级（三级）泵站中单级或多级泵站事故停泵后的水力过渡过程进行模拟分析，得出以下结论：①三级泵站同时事故停泵时，沿程管路局部高点合理设置空气阀，并采取合理的两阶段关阀操作，可有效避免水柱分离产生的断流弥合水锤、机组过大倒转速、过大正压水锤。②两级泵站事故停泵时，采取合理的停泵响应时间，可以避免级间调节池吸干或漫顶;单级泵站事故停泵时，采取合理关泵顺序和响应时间，可以避免级间调节池吸干或漫顶。③梯级泵站间调节池体积对于管路沿程水锤压力会产生影响，大容积的调节池虽可延长事故停泵时的响应时间但会增大部分管段的水锤压力，在调节池尺寸设计时要综合考虑各种因素。④条件允许时，可采取开敞式调节池或在调节池侧壁设置溢流孔，以避免漫顶。

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【责任编辑 张智民】