大型水電站清潔水系統(tǒng)故障分析

張樹(shù)忠

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

某水電站廠房清潔水由水廠清水池自流供給，水廠供水管經(jīng)壩后達(dá)到一副七樓通風(fēng)洞洞口處分三路分別向低位水池、地下廠房、交通洞及主變廊道生活用水供水(見(jiàn)圖1)。廠房清潔水主要供機(jī)組主軸密封和排水泵潤(rùn)滑水使用，近年來(lái)已多次出現(xiàn)因廠房清潔水壓力異常導(dǎo)致機(jī)組主軸密封溫度異常上升的情況，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為徹底解決清潔水供水壓力不穩(wěn)定問(wèn)題，下面就清潔水壓力低的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。

圖1 水廠供廠房清潔水示意圖

1 地下廠房清潔水壓力低原因分析

經(jīng)過(guò)對(duì)廠房清潔水供水系統(tǒng)進(jìn)行分析，以下幾方面原因可能會(huì)造成廠房清潔水壓力異常偏低。

1)水廠向地下廠房供水管路有滲漏導(dǎo)致水廠供水量不足。管路發(fā)生滲漏后導(dǎo)致水廠供水量小于廠房負(fù)荷用水量，在水管滲漏初期因低位水池水量充足，可以維持廠房清潔水壓力穩(wěn)定；當(dāng)?shù)臀凰厮坎蛔慊蚝谋M時(shí)，廠房清潔水壓力便會(huì)逐漸降低。

2)供水管路進(jìn)氣形成氣堵，導(dǎo)致清潔水流通不暢而影響正常供水。管路氣堵主要源自水廠停水后取水口暴露在空氣中造成的管道進(jìn)氣和水中溶解氣體的釋放累積，氣堵一般存在于管道轉(zhuǎn)彎、變徑、凸起、閥組等位置。清潔水供水管路在廠外段翻山越嶺，且在廠內(nèi)一副七樓有門(mén)型橋架，整個(gè)管路布置比較容易形成氣堵。本次清潔水壓力低后對(duì)供水管路進(jìn)行了排氣，未見(jiàn)有明顯氣堵現(xiàn)象，故此因素也可以排除。

3)水廠水處理設(shè)備故障，導(dǎo)致水廠清潔水供應(yīng)中斷。水廠清水池通過(guò)自流孔向廠房供水，若清水池水位下降至自流孔以下便無(wú)法正常供水，初期如果低位水池水量充足可以維持廠房清潔水壓力穩(wěn)定，一旦低位水池水量耗盡將導(dǎo)致廠房清潔水中斷，甚至管路嚴(yán)重進(jìn)氣。

4)水廠供水壓力或流量太小，導(dǎo)致廠房清潔水壓力低。專(zhuān)業(yè)人員對(duì)廠房各負(fù)荷的清潔水實(shí)際用量進(jìn)行了測(cè)量，經(jīng)測(cè)量廠房清潔水入口流量(即視同為水廠來(lái)水)約50 m3/h，廠房檢修滲漏泵潤(rùn)滑水流量約37 m3/h，各臺(tái)機(jī)組主軸密封清潔水總流量約11 m3/h，即廠房清潔水的80%被排水泵潤(rùn)滑水消耗，而最重要的用戶(hù)機(jī)組主軸密封水用量?jī)H占很小部分。

故初步分析清潔水壓力低主要原因?yàn)橛脩?hù)流量分配不合理(即檢修滲漏泵潤(rùn)滑水用量過(guò)大)。其次因?yàn)榈臀凰厮块L(zhǎng)期不足，無(wú)法維持清潔水壓力穩(wěn)定。低位水池正常情況下應(yīng)處于滿水位的備用狀態(tài)，作為水廠清潔水供水中斷時(shí)的備用水源，本次清潔水壓力降低后經(jīng)長(zhǎng)期跟蹤發(fā)現(xiàn)當(dāng)前運(yùn)行方式下，低位水池?zé)o法正常補(bǔ)水，長(zhǎng)期處于低水位狀態(tài)，無(wú)法起到穩(wěn)壓作用。

2 清潔水壓力損失計(jì)算

流體的靜壓和動(dòng)壓之和稱(chēng)為總壓，總壓始終保持不變?yōu)橐粋€(gè)常數(shù)，如果流動(dòng)速度增加則動(dòng)壓增大，流體的靜壓將減??；反之，流動(dòng)速度減小，流體的靜壓將增加。日常使用的測(cè)量壓力表顯示的是靜壓，即管內(nèi)壓力相對(duì)于外界的表壓。

管路的阻力損失實(shí)際上就是靜壓差，因?yàn)樵诶硐胫惫軆?nèi)的連續(xù)流體，對(duì)于理想不可壓縮流體的定常流動(dòng)，在質(zhì)量力為重力作用下，伯努利方程表明：沿同一條流線單位重量流體質(zhì)點(diǎn)所具有的總機(jī)械能守恒，動(dòng)壓只與平均流速有關(guān)，直管段每一個(gè)截面的動(dòng)壓實(shí)際上是相等的，但壓力表顯示的管道前后的壓力不一樣，這個(gè)壓差就是該管段的靜壓差，也就是該直管段的阻力損失[1]。因液體不可壓縮，總體上講同1根等徑管道的流速各個(gè)橫斷面上都是相等的，由于流動(dòng)液體具有粘性，以及流動(dòng)時(shí)突然轉(zhuǎn)彎或通過(guò)閥門(mén)是會(huì)產(chǎn)生撞擊和漩渦，對(duì)液體的流動(dòng)產(chǎn)生阻力，為了克服此阻力，流動(dòng)的液體會(huì)損耗一部分能量，這種能量損失可用液體的壓力損失(水頭損失)來(lái)表示。

2.1 供水管道壓力損失的構(gòu)成

管道中流動(dòng)液體的壓力損失又分為沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分[2]。在固體邊界平直的水道中，單位重量的液體自一斷面流至另一斷面所損失的機(jī)械能就叫做該兩斷面之間的沿程水頭損失，可以利用哈森公式計(jì)算得出，其中：Q為流量；L為水管長(zhǎng)度；C為摩擦系數(shù)在本文的計(jì)算中取值為90；D為管徑：

(1)

流動(dòng)液體由局部邊界急劇改變導(dǎo)致水流結(jié)構(gòu)改變、流速分布改變并產(chǎn)生旋渦區(qū)而引起的水頭損失稱(chēng)為局部水頭損失，可以利用下式計(jì)算得出，其中：ε為局部阻力系數(shù)；v為液體的平均流速。

(2)

因地下廠房生活用水量很少，本文計(jì)算時(shí)將其忽略。根據(jù)廠房清潔水管道實(shí)測(cè)流量可以計(jì)算出管道中的流速，具體如表1所示。

表1 流速對(duì)照表

對(duì)供水管道進(jìn)行梳理，影響局部阻力系數(shù)的因素主要有收縮頭、擴(kuò)大頭、分流三通、直角轉(zhuǎn)彎、閥門(mén)，通過(guò)查閱相關(guān)資料，計(jì)算所得阻力系數(shù)如表2所示。

表2 局部阻力系數(shù)ε對(duì)照表

根據(jù)供水管道實(shí)際布置情況，分別對(duì)上述存在的各種局部阻力進(jìn)行計(jì)算，得出各因素下局部水頭損失如表3所示。

表3 各部位局部阻力計(jì)算值

2.2 水廠至一副七樓壓力表水頭損失

根據(jù)伯努利方程，對(duì)于流動(dòng)不可壓縮液體來(lái)說(shuō)其應(yīng)遵守能量守恒原則，則可以得出如下式(3)：

(3)

將一副七樓視作零高程，則水廠處高程為80 m，水廠供水管正常在水面以下3 m，故取該處壓力為0.03 MPa；一副七樓處壓力即其表壓，在此處取其當(dāng)前讀數(shù)0.2 MPa，通過(guò)對(duì)一副七樓和水廠處的流量進(jìn)行測(cè)量分別為41 m3/h和50.1 m3/h，并根據(jù)其管徑計(jì)算出流速分別為1.45 m/s和0.79 m/s，將其帶入式(3)中得：

則計(jì)算出水廠至一副七樓壓力表處總水頭損失h1=55.49 m。

2.3 一副七樓壓力表至一副一樓檢修滲漏泵房水頭損失

同理，由檢修滲漏泵房處壓力表讀數(shù)0.3 MPa，測(cè)得流量為29 m3/h，將廠房一樓清潔水壓力等效為此處的壓力，則一副七樓壓力表處至一樓供水總管的壓力損失計(jì)算為

則計(jì)算出h2=17.8 m，其中包含七樓至一樓管道的壓力損失和至機(jī)組清潔水的動(dòng)能。一副七樓和一樓之間的高程差為28 m，七樓的壓力為0.2 MPa，減去損失則計(jì)算出一樓壓力為0.3 MPa，與實(shí)際值吻合。

2.4 一副七樓洞口供水母管至一副七樓清潔水總管壓力表水頭損失

此段水管基本可以等效為理想的長(zhǎng)直管道，水頭損失主要為沿程水頭損失，局部水頭損失基本可以忽略。根據(jù)式(1)計(jì)算得出其水頭損失h3，Q取測(cè)量值41 m3/h，管道直徑取100 mm，現(xiàn)場(chǎng)估算一副七樓洞口供水母管至七樓清潔水總管壓力表處長(zhǎng)度估計(jì)為320 m。

計(jì)算出此段沿程水頭損失約為h3=15.27 m。將一副七樓通風(fēng)洞洞口供水母管壓力P簡(jiǎn)化為一副七樓壓力表處壓力p1與一副七樓洞口至七樓壓力表處的水頭損失h3之和。即：

p=p1+h3=0.2+0.15=0.35 MPa

綜上所述，因水廠高程為1 115.0 m，低位水池高程為1 073.0 m，一副七樓進(jìn)水管處高程為1 035.8 m，考慮低位水池的補(bǔ)水閥位于池頂，則低位水池補(bǔ)水閥與一副七樓的高程差至少為40 m。即如果忽略沿程損失，一副七樓通風(fēng)洞洞口供水母管壓力達(dá)到0.40 MPa以上才能向低位水池補(bǔ)水。根據(jù)計(jì)算結(jié)果當(dāng)前運(yùn)行方式差0.05 MPa，即相差5 m的水頭，故目前水廠不能向低位水廠補(bǔ)水。

3 滿足向低位水池補(bǔ)水的壓力校核

由式(1)和式(2)得知，若要提高一副七樓通風(fēng)洞洞口供水母管壓力使其滿足低位水池補(bǔ)水的條件，需降低水廠至廠房供水管道水頭損失或提高初始?jí)毫3-6]，考慮實(shí)際情況，宜采用減少沿程管道壓力損失的方法。即在保持機(jī)組主軸密封流量不變的情況下，通過(guò)減少檢修滲漏泵潤(rùn)滑水流量的方法改變清潔水總管的流量，降低水廠至廠房供水管清潔水流速，最終達(dá)到減少管道水頭損失得目的。

通過(guò)多次模擬計(jì)算，得出當(dāng)將檢修滲漏泵潤(rùn)滑水流量調(diào)整為22 m3/h以?xún)?nèi)，則一副七樓洞口處壓力可以達(dá)到0.4 MPa以上，滿足向低位水池補(bǔ)水的條件。整個(gè)核算過(guò)程以理論最大值22 m3/h為計(jì)算依據(jù)，現(xiàn)將計(jì)算過(guò)程羅列如下：

1)滿足水廠補(bǔ)水條件下一副七樓洞口至一副七樓壓力表處水頭損失；

2)按照前期實(shí)際測(cè)量的各處流量，可以推算出滿足補(bǔ)水條件時(shí)各處的流量，具體數(shù)值如表4所示。

表4 流量對(duì)照表 m3/h

經(jīng)上述計(jì)算得出滿足水廠補(bǔ)水條件時(shí)一副七樓的總流量為34 m3/h，管徑不變，將其代入式(1)可以得出調(diào)整后此段的沿程水頭損失為

計(jì)算出h4=10.80 m，同理忽略其局部水頭損失，則總水頭損失即為10.80 m。

滿足水廠補(bǔ)水條件下水廠至一副七樓洞口處水頭損失。

根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果，在當(dāng)前壓力下水廠至一副七樓壓力表處水頭損失為h1=55.49 m，其為沿程水頭損失和局部水頭損失之和。根據(jù)管徑和流量的不同對(duì)其分段進(jìn)行沿程水頭損失計(jì)算，將水廠至一副七樓洞口水管管徑150 mm，流量50.1 m3/h和管道長(zhǎng)度2 500 m代入式(1)中計(jì)算出此段的沿程水頭損失：

計(jì)算得出h5=20.44 m，前文已經(jīng)計(jì)算出一副七樓洞口至一副七樓壓力表處沿程水頭損失為h3=15.27 m；則計(jì)算出得出此段的局部水頭損失h6=h1-h5-h3=19.78 m。

將調(diào)整后的水廠流量44.1 m3/h代入式(1)中可以計(jì)算出調(diào)整后水廠至一副七樓洞口的沿程水頭損失為

計(jì)算得出h7=18.95 m。

此段局部水頭損失因?yàn)闊o(wú)法對(duì)管道的走向和其中閥門(mén)、彎頭進(jìn)行具體統(tǒng)計(jì)不能直接計(jì)算得出，但根據(jù)式(2)局部水頭損失在相同的管道中只與流速有關(guān)，而流速與流量的關(guān)系如下：

Q=vπr2

故調(diào)整后此段的局部水頭損失為

計(jì)算得出h8=15.33 m，則流量調(diào)整后水廠至一副七樓洞口處的水頭總損失為h9=h8+h7=34.28 m。

一副七樓洞口處的壓力變化。

根據(jù)上述計(jì)算，調(diào)整后的水廠至一副七樓壓力表處的總水頭損失為

hz=h8+h7+h4=45.08 m

相比調(diào)整前的水頭損失h1=55.49 m降低hj=10.41 m，具體數(shù)值如表5所示。

表5 水頭損失對(duì)照表

則在當(dāng)前一副七樓清潔水壓力為0.2 MPa的基礎(chǔ)上，流量調(diào)整后一副七樓洞口的清潔水壓力為

p2=p1+h4+hj=0.2+0.108+0.104=0.41 MPa

根據(jù)前文計(jì)算，當(dāng)一副七樓洞口處壓力達(dá)到0.4 MPa以后，水廠將能向低位水池持續(xù)補(bǔ)水。通過(guò)上述計(jì)算證明了將檢修滲漏潤(rùn)滑水流量調(diào)低降至22 m3/h，也即廠房清潔水供水總管流量在當(dāng)前流量基礎(chǔ)上降低7 m3/h，水廠便能向低位水池自動(dòng)補(bǔ)水的可行性。

4 結(jié) 語(yǔ)

在后續(xù)的實(shí)際共組中對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，當(dāng)緩慢調(diào)整檢修滲漏潤(rùn)滑水流量，一副七樓壓力表處壓力達(dá)到0.28 MPa以后，低位水池開(kāi)始持續(xù)補(bǔ)水，驗(yàn)證了理論計(jì)算的準(zhǔn)確性。因在實(shí)際生產(chǎn)中現(xiàn)場(chǎng)供水管路的情況很復(fù)雜，難以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的水壓進(jìn)行定量的計(jì)算[7]，希望本文的計(jì)算方法能在類(lèi)似的問(wèn)題解決過(guò)程中提供幫助。