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溪洛渡電站廠房滲漏排水系統(tǒng)水力特性數(shù)值分析

文檔作者：何保民李鵬朱旭東陳鵬文檔來源：溪洛渡水力發(fā)電廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年06月03日
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1 引言
溪洛渡電站左、右岸廠房均為地下式結(jié)構(gòu)，廠房
及主要設(shè)備均位于尾水位以下，山體滲水、天然降水
及生產(chǎn)生活用水等均可在廠房形成積水，如不及時(shí)
排出，嚴(yán)重威脅電力安全生產(chǎn)。廠房滲漏排水系統(tǒng)作
為地下廠房主要的排水系統(tǒng)之一，對電站長期安全
運(yùn)行和電力安全生產(chǎn)具有重要作用。
在水電項(xiàng)目中，排水系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行方式的
選取多依靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際需要進(jìn)行，易使系統(tǒng)在不利
工況下運(yùn)行，增加了系統(tǒng)維護(hù)的成本與工作量。本文
利用流體系統(tǒng)仿真軟件Bentley HAMMER，按照廠
房滲漏排水系統(tǒng)的管路布置，建立排水系統(tǒng)管路流
動(dòng)模型。在建模的基礎(chǔ)上，對廠房滲漏排水系統(tǒng)的穩(wěn)
態(tài)工況開展仿真計(jì)算，分析、評估排水泵在設(shè)定工況
下的運(yùn)行狀態(tài)；模擬停泵時(shí)管路流動(dòng)的瞬態(tài)特性，探
索管路閥門的關(guān)閉規(guī)律，為系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試提供依據(jù)。
2 系統(tǒng)特點(diǎn)
溪洛渡電站廠房滲漏排水系統(tǒng)的主要作用是將
廠房經(jīng)常性滲水、水輪機(jī)頂蓋排水、空壓機(jī)冷卻水及
其他各部位漏水排出。系統(tǒng)主要由3 臺長軸深井泵
（采用“一主兩備”的運(yùn)行方式）、水泵控制閥等設(shè)備
組成，3 臺深井泵的排水經(jīng)DN400 的支管匯總至
DN600 的排水總管，排至尾水調(diào)壓室，管路出口根
據(jù)尾水位的不同可為淹沒出流或自由出流。整個(gè)系
統(tǒng)屬于長距離、高水頭有壓管道排水系統(tǒng)，主要設(shè)備
的安裝高程如表1 所示，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的重要水位參
數(shù)如表2 所示。
3 系統(tǒng)建模
Bentley HAMMER 是一個(gè)用于分析復(fù)雜的水泵
系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)的水力瞬變過程的軟件，適用于各
種輸配水管道系統(tǒng)的水力過渡分析，包括長距離輸
水管道、多級泵站系統(tǒng)、調(diào)速泵系統(tǒng)、廠區(qū)管網(wǎng)等。可
以快速有效的建立精確的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和
瞬態(tài)分析。本文采用Bentley HAMMER V8i 版。
3.1 計(jì)算原理
根據(jù)流體力學(xué)原理，可推導(dǎo)出水流沿管路運(yùn)動(dòng)
的控制方程如下：
連續(xù)方程：
（1）
2
0
H a v
t g x
¶ ¶
+ =
¶ ¶
收稿日期：2014-07-31
作者簡介：何保民(1988-)，男，助理工程師，從事電站輔助設(shè)備維護(hù)
與檢修工作。
溪洛渡電站廠房滲漏排水系統(tǒng)水力特性數(shù)值分析
何保民，李鵬，朱旭東，陳鵬
（溪洛渡水力發(fā)電廠，云南永善657300）
摘要：采用一維流體系統(tǒng)仿真軟件Bentley HAMMER 建立廠房滲漏排水系統(tǒng)的數(shù)值模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況的
計(jì)算。通過穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算，驗(yàn)證了模型的有效性，發(fā)現(xiàn)水泵的運(yùn)行工況基本在最高效率點(diǎn)附近。通過瞬態(tài)工況計(jì)算，
為系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試提供了依據(jù)，發(fā)現(xiàn)水泵控制閥關(guān)閉時(shí)間大于6 s 時(shí)，能有效地消減停泵時(shí)管路中的水錘壓力。
關(guān)鍵詞：地下廠房；排水系統(tǒng)；穩(wěn)態(tài)；瞬態(tài)；水錘
中圖分類號：TV134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5387（2014）05-0086-04
表1 系統(tǒng)主要設(shè)備的高程參數(shù)
設(shè)備 高程/m
長軸深井泵進(jìn)口 329.0
長軸深井泵出口 359.6
水泵控制閥 359.6
排水總管出口 394.0
表2 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的重要水位參數(shù)
運(yùn)行狀態(tài) 水位/m
單泵啟動(dòng) 343.0
2 號備用泵啟動(dòng) 344.6
停泵 331.0
最高尾水 413.0
第37 卷第5 期水電站機(jī)電技術(shù)Vol.37 No.5
2014 年10 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower 86 Station Oct.2014
運(yùn)動(dòng)方程：
（2）
式中， 為水的壓力， 為水擊波速，g 為重力加
速度， 為管道直徑， 為水流流速，為摩擦損失系
數(shù)， 為計(jì)算斷面在管道中的位置，為計(jì)算時(shí)刻。本
文采用特征線法聯(lián)立求解上述控制方程，得到問題
的解。
3.2 物理模型
根據(jù)圖1 所示廠房滲漏排水系統(tǒng)的管路分布建
立計(jì)算模型。其中，長軸深井泵的額定揚(yáng)程為110 m、
額定流量為1 000 m3/h，特性曲線如圖2 所示。水泵
控制閥具有水力自動(dòng)控制開、關(guān)的特點(diǎn)，兼有水泵出
口處水錘消除器、截止閥等功能，公稱直徑為400 mm、
公稱壓力為1.6 MPa。排水支管和總管的材質(zhì)均為
20 號鋼，轉(zhuǎn)向位置均采用90 °短半徑彎頭連接，管
路大部分埋于混凝土中。
4 穩(wěn)態(tài)計(jì)算及結(jié)果分析
在廠房滲漏排水系統(tǒng)的數(shù)值模型基礎(chǔ)上，通過
改變集水井水位，模擬了1 號泵單泵運(yùn)行、自由出流
時(shí)的4 個(gè)穩(wěn)態(tài)工況，得到的水泵出口壓力如圖3 所
示，圖3 同時(shí)給出了實(shí)際運(yùn)行值。單泵運(yùn)行、自由出
流時(shí)，水泵出口壓力值在0.37 MPa 左右，模擬值與
實(shí)際值基本吻合，誤差在允許范圍內(nèi)，所建立的數(shù)值
模型能如實(shí)反映排水系統(tǒng)的特性。
根據(jù)水電站的運(yùn)行規(guī)律，廠房滲漏排水系統(tǒng)集
水井在汛期將有較大積水。為研究長軸深井泵在汛
期的排水能力，模擬了不同集水井水位、尾水調(diào)壓室
水位最高時(shí)，1 號泵單泵運(yùn)行和三臺泵并聯(lián)運(yùn)行共
10 個(gè)穩(wěn)態(tài)工況。得到水泵運(yùn)行時(shí)的流量- 揚(yáng)程變化
曲線如圖4 所示，與額定工況相比，水泵處于大流
量、低揚(yáng)程的運(yùn)行工況，偏離額定工況會導(dǎo)致水泵一
定程度的振動(dòng)、葉輪磨損等。但從水泵運(yùn)行效率的角
度，根據(jù)圖2，水泵基本在最高效率點(diǎn)附近運(yùn)行，具
有較強(qiáng)的排水能力。
5 瞬態(tài)計(jì)算及結(jié)果分析
如圖1 所示，三臺排水泵出口分別設(shè)置三個(gè)水
泵控制閥，在安裝與調(diào)試階段，閥門的開、關(guān)時(shí)間常
需根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉時(shí)間
時(shí)能有所依據(jù)，以達(dá)到消除水錘的目的，本文基于廠
房滲漏排水系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，對調(diào)試階段的自
由出流和汛期尾水調(diào)壓室水位最高時(shí)，水泵停機(jī)的
瞬態(tài)過程進(jìn)行了模擬。在計(jì)算模型中，采用節(jié)流控制
閥元件實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)水泵控制閥的功能。
0
2
H v fv v
g
x t D
¶ ¶
+ + =
¶ ¶
圖1 廠房滲漏排水系統(tǒng)管路分布示意圖
0
15
30
45
60
75
90
105
120
135
150
Q-P
Q-H
Q-h
H (m) P (kW)
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Q (m3/h)
h (%)
0
150
300
450
600
750
900
1050
1200
1350
1500
圖2 長軸深井泵特性曲線
334 335 336 337 338 339 340 341 342 343
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
p2,pump (MPa)
集水井水位 (m)
實(shí)際值
計(jì)算值
圖3 單泵運(yùn)行時(shí)水泵出口壓力計(jì)算值與實(shí)際值對比
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
60
70
80
90
100
110
120
130
H (m)
Q (m3/h)
單泵
三泵
額定
性能曲線
圖4 水泵實(shí)際運(yùn)行H-Q 曲線
集水井
4#
尾
調(diào)
室
5#
尾
調(diào)
室
1#
2#
3# 長軸深井泵
水泵控制閥
2路
1路
機(jī)組縱軸線
下游方向
高
程
方
向
號號
號
號
號
第 5 期 何保民，等：溪洛渡電站廠房滲漏排水系統(tǒng)水力特性數(shù)值分析 87
5.1 自由出流時(shí)的關(guān)閥時(shí)間
廠房滲漏排水系統(tǒng)調(diào)試階段，尾水調(diào)壓室水位
低于排水口，系統(tǒng)處于自由出流狀態(tài)。當(dāng)集水井水位
降至停泵水位、水泵控制閥在1 s 內(nèi)快速關(guān)閉時(shí)，管
路中的最大和最小壓力包絡(luò)線如圖5 所示。從圖中
可以看出，由于水泵控制閥的快速關(guān)閉，管路沿程出
現(xiàn)了較高的壓力，尤其是水泵與控制閥之間的管路，
會對水泵葉輪產(chǎn)生較大的沖擊力。在水泵控制閥閥
后管路中，產(chǎn)生了較高的壓力，如圖6 所示，遠(yuǎn)高于
水泵控制閥的公稱壓力。
通過優(yōu)化水泵控制閥兩階段關(guān)閉所需的時(shí)間，
可降低管路中的最大壓力，最終發(fā)現(xiàn)：當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)
間大于6 s 時(shí)，管路沿程最大最小壓力值和水泵控
制閥后壓力變化較合理，如圖7、8 所示。隨關(guān)閉時(shí)間
的增加，水泵控制閥后的最大壓力得到顯著削減，并
在6 s 關(guān)閉時(shí)低于閥門的公稱壓力，保證了系統(tǒng)設(shè)
備的安全，如圖9 所示。
通過以上分析，在自由出流工況下，水泵控制閥
的關(guān)閉時(shí)間大于6 s 時(shí)，即能有效地控制廠房滲漏
排水系統(tǒng)管路中的高壓，滿足調(diào)試的需要。
5.2 最高尾水位時(shí)的關(guān)閥時(shí)間
廠房滲漏排水系統(tǒng)的調(diào)試是在自由出流工況下
完成的，但在汛期尾水調(diào)壓室水位達(dá)到最高、三臺水
泵同時(shí)停機(jī)時(shí)，水泵控制閥對管路中高壓的消減作
用則需要通過模擬手段加以檢驗(yàn)。
圖10 給出了三臺泵同時(shí)停機(jī)、水泵控制閥歷
時(shí)6 s 關(guān)閉時(shí)，管路沿程的最大最小壓力包絡(luò)線。與
圖5 相比，雖然尾水調(diào)壓室水位升高、系統(tǒng)排水量增
大，但6 s 關(guān)閉的水泵控制閥依然有效地消減了停
泵時(shí)管路中的高壓。圖11 給出了60 s 內(nèi)水泵控制
閥后壓力的變化情況，與圖8 相比，雖然閥后壓力峰
值有了明顯的增大，但依然在水泵控制閥的公稱壓
力范圍內(nèi)。所以，當(dāng)水泵控制閥的關(guān)閉時(shí)間大于6 s
時(shí)，能保證廠房滲漏排水系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。
0 100 200 300 400
0
1
2
3
4
5
6
p (MPa)
x (m)
最大
最小
圖5 水泵控制閥1 s 關(guān)閉時(shí)管路沿程最大最小壓力包絡(luò)線
0 10 20 30 40 50 60
0
1
2
3
4
5
p2,valve (MPa)
t (s)
圖6 60 s 內(nèi)水泵控制閥后壓力變化，1 s 關(guān)閥
0 100 200 300 400
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
p (MPa)
x (m)
最大
最小
圖7 水泵控制閥6 s 關(guān)閉時(shí)管路沿程最大最小壓力包絡(luò)線
0 10 20 30 40 50 60
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
p2,valve (MPa)
t (s)
圖8 60 s 內(nèi)水泵控制閥后壓力變化，6 s 關(guān)閥
1 2 3 4 5 6
0
1
2
3
4
5
p2,valve,max (MPa)
t (s)
圖9 水泵控制閥后最大壓力隨閥門關(guān)閉時(shí)間的變化
88 水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù) 第37卷
參考文獻(xiàn)：
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淵上接第85 頁冤
6 結(jié)論
（1）建立了數(shù)值模型，通過計(jì)算自由出流時(shí)水泵
出口處的壓力值，并與實(shí)際運(yùn)行值進(jìn)行了對比，驗(yàn)證
了所建立的模型能有效地反映出管路系統(tǒng)的主要特
性。
（2）在穩(wěn)態(tài)計(jì)算基礎(chǔ)上，分析了汛期長軸深井泵
的運(yùn)行狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)水泵的運(yùn)行工況雖然偏離額定工
況，但基本在最高效率點(diǎn)附近運(yùn)行，具有較強(qiáng)的排水
能力。
（3）在瞬態(tài)計(jì)算基礎(chǔ)上，分析了水泵控制閥的關(guān)
閥規(guī)律，為現(xiàn)場調(diào)試提供了依據(jù)。發(fā)現(xiàn)閥門關(guān)閉時(shí)間
大于6 s 時(shí)，水泵控制閥能有效地消減停泵時(shí)管路
中的高壓，保證系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
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圖10 三泵同時(shí)停機(jī)、水泵控制閥6 s 關(guān)閉時(shí)管路沿程最大
最小壓力包絡(luò)線
0 10 20 30 40 50 60
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
p2,valve (MPa)
t (s)
圖11 三泵同時(shí)停機(jī)、60 s 內(nèi)水泵控制閥后壓力變化，6 s 關(guān)閥
0 100 200 300 400
0.0
0.4
0.8
1.2
1.6
p (MPa)
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