大型水电站清洁水系统故障分析

张树忠

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

某水电站厂房清洁水由水厂清水池自流供给，水厂供水管经坝后达到一副七楼通风洞洞口处分三路分别向低位水池、地下厂房、交通洞及主变廊道生活用水供水(见图1)。厂房清洁水主要供机组主轴密封和排水泵润滑水使用，近年来已多次出现因厂房清洁水压力异常导致机组主轴密封温度异常上升的情况，严重影响机组的安全稳定运行。为彻底解决清洁水供水压力不稳定问题，下面就清洁水压力低的相关问题进行分析。

图1 水厂供厂房清洁水示意图

1 地下厂房清洁水压力低原因分析

经过对厂房清洁水供水系统进行分析，以下几方面原因可能会造成厂房清洁水压力异常偏低。

1)水厂向地下厂房供水管路有渗漏导致水厂供水量不足。管路发生渗漏后导致水厂供水量小于厂房负荷用水量，在水管渗漏初期因低位水池水量充足，可以维持厂房清洁水压力稳定；当低位水池水量不足或耗尽时，厂房清洁水压力便会逐渐降低。

2)供水管路进气形成气堵，导致清洁水流通不畅而影响正常供水。管路气堵主要源自水厂停水后取水口暴露在空气中造成的管道进气和水中溶解气体的释放累积，气堵一般存在于管道转弯、变径、凸起、阀组等位置。清洁水供水管路在厂外段翻山越岭，且在厂内一副七楼有门型桥架，整个管路布置比较容易形成气堵。本次清洁水压力低后对供水管路进行了排气，未见有明显气堵现象，故此因素也可以排除。

3)水厂水处理设备故障，导致水厂清洁水供应中断。水厂清水池通过自流孔向厂房供水，若清水池水位下降至自流孔以下便无法正常供水，初期如果低位水池水量充足可以维持厂房清洁水压力稳定，一旦低位水池水量耗尽将导致厂房清洁水中断，甚至管路严重进气。

4)水厂供水压力或流量太小，导致厂房清洁水压力低。专业人员对厂房各负荷的清洁水实际用量进行了测量，经测量厂房清洁水入口流量(即视同为水厂来水)约50 m3/h，厂房检修渗漏泵润滑水流量约37 m3/h，各台机组主轴密封清洁水总流量约11 m3/h，即厂房清洁水的80%被排水泵润滑水消耗，而最重要的用户机组主轴密封水用量仅占很小部分。

故初步分析清洁水压力低主要原因为用户流量分配不合理(即检修渗漏泵润滑水用量过大)。其次因为低位水池水量长期不足，无法维持清洁水压力稳定。低位水池正常情况下应处于满水位的备用状态，作为水厂清洁水供水中断时的备用水源，本次清洁水压力降低后经长期跟踪发现当前运行方式下，低位水池无法正常补水，长期处于低水位状态，无法起到稳压作用。

2 清洁水压力损失计算

流体的静压和动压之和称为总压，总压始终保持不变为一个常数，如果流动速度增加则动压增大，流体的静压将减小；反之，流动速度减小，流体的静压将增加。日常使用的测量压力表显示的是静压，即管内压力相对于外界的表压。

管路的阻力损失实际上就是静压差，因为在理想直管内的连续流体，对于理想不可压缩流体的定常流动，在质量力为重力作用下，伯努利方程表明：沿同一条流线单位重量流体质点所具有的总机械能守恒，动压只与平均流速有关，直管段每一个截面的动压实际上是相等的，但压力表显示的管道前后的压力不一样，这个压差就是该管段的静压差，也就是该直管段的阻力损失[1]。因液体不可压缩，总体上讲同1根等径管道的流速各个横断面上都是相等的，由于流动液体具有粘性，以及流动时突然转弯或通过阀门是会产生撞击和漩涡，对液体的流动产生阻力，为了克服此阻力，流动的液体会损耗一部分能量，这种能量损失可用液体的压力损失(水头损失)来表示。

2.1 供水管道压力损失的构成

管道中流动液体的压力损失又分为沿程水头损失和局部水头损失两部分[2]。在固体边界平直的水道中，单位重量的液体自一断面流至另一断面所损失的机械能就叫做该两断面之间的沿程水头损失，可以利用哈森公式计算得出，其中：Q为流量；L为水管长度；C为摩擦系数在本文的计算中取值为90；D为管径：

(1)

流动液体由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失称为局部水头损失，可以利用下式计算得出，其中：ε为局部阻力系数；v为液体的平均流速。

(2)

因地下厂房生活用水量很少，本文计算时将其忽略。根据厂房清洁水管道实测流量可以计算出管道中的流速，具体如表1所示。

表1 流速对照表

对供水管道进行梳理，影响局部阻力系数的因素主要有收缩头、扩大头、分流三通、直角转弯、阀门，通过查阅相关资料，计算所得阻力系数如表2所示。

表2 局部阻力系数ε对照表

根据供水管道实际布置情况，分别对上述存在的各种局部阻力进行计算，得出各因素下局部水头损失如表3所示。

表3 各部位局部阻力计算值

2.2 水厂至一副七楼压力表水头损失

根据伯努利方程，对于流动不可压缩液体来说其应遵守能量守恒原则，则可以得出如下式(3)：

(3)

将一副七楼视作零高程，则水厂处高程为80 m，水厂供水管正常在水面以下3 m，故取该处压力为0.03 MPa；一副七楼处压力即其表压，在此处取其当前读数0.2 MPa，通过对一副七楼和水厂处的流量进行测量分别为41 m3/h和50.1 m3/h，并根据其管径计算出流速分别为1.45 m/s和0.79 m/s，将其带入式(3)中得：

则计算出水厂至一副七楼压力表处总水头损失h1=55.49 m。

2.3 一副七楼压力表至一副一楼检修渗漏泵房水头损失

同理，由检修渗漏泵房处压力表读数0.3 MPa，测得流量为29 m3/h，将厂房一楼清洁水压力等效为此处的压力，则一副七楼压力表处至一楼供水总管的压力损失计算为

则计算出h2=17.8 m，其中包含七楼至一楼管道的压力损失和至机组清洁水的动能。一副七楼和一楼之间的高程差为28 m，七楼的压力为0.2 MPa，减去损失则计算出一楼压力为0.3 MPa，与实际值吻合。

2.4 一副七楼洞口供水母管至一副七楼清洁水总管压力表水头损失

此段水管基本可以等效为理想的长直管道，水头损失主要为沿程水头损失，局部水头损失基本可以忽略。根据式(1)计算得出其水头损失h3，Q取测量值41 m3/h，管道直径取100 mm，现场估算一副七楼洞口供水母管至七楼清洁水总管压力表处长度估计为320 m。

计算出此段沿程水头损失约为h3=15.27 m。将一副七楼通风洞洞口供水母管压力P简化为一副七楼压力表处压力p1与一副七楼洞口至七楼压力表处的水头损失h3之和。即：

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

综上所述，因水厂高程为1 115.0 m，低位水池高程为1 073.0 m，一副七楼进水管处高程为1 035.8 m，考虑低位水池的补水阀位于池顶，则低位水池补水阀与一副七楼的高程差至少为40 m。即如果忽略沿程损失，一副七楼通风洞洞口供水母管压力达到0.40 MPa以上才能向低位水池补水。根据计算结果当前运行方式差0.05 MPa，即相差5 m的水头，故目前水厂不能向低位水厂补水。

3 满足向低位水池补水的压力校核

由式(1)和式(2)得知，若要提高一副七楼通风洞洞口供水母管压力使其满足低位水池补水的条件，需降低水厂至厂房供水管道水头损失或提高初始压力[3-6]，考虑实际情况，宜采用减少沿程管道压力损失的方法。即在保持机组主轴密封流量不变的情况下，通过减少检修渗漏泵润滑水流量的方法改变清洁水总管的流量，降低水厂至厂房供水管清洁水流速，最终达到减少管道水头损失得目的。

通过多次模拟计算，得出当将检修渗漏泵润滑水流量调整为22 m3/h以内，则一副七楼洞口处压力可以达到0.4 MPa以上，满足向低位水池补水的条件。整个核算过程以理论最大值22 m3/h为计算依据，现将计算过程罗列如下：

1)满足水厂补水条件下一副七楼洞口至一副七楼压力表处水头损失；

2)按照前期实际测量的各处流量，可以推算出满足补水条件时各处的流量，具体数值如表4所示。

表4 流量对照表 m3/h

经上述计算得出满足水厂补水条件时一副七楼的总流量为34 m3/h，管径不变，将其代入式(1)可以得出调整后此段的沿程水头损失为

计算出h4=10.80 m，同理忽略其局部水头损失，则总水头损失即为10.80 m。

满足水厂补水条件下水厂至一副七楼洞口处水头损失。

根据前文计算结果，在当前压力下水厂至一副七楼压力表处水头损失为h1=55.49 m，其为沿程水头损失和局部水头损失之和。根据管径和流量的不同对其分段进行沿程水头损失计算，将水厂至一副七楼洞口水管管径150 mm，流量50.1 m3/h和管道长度2 500 m代入式(1)中计算出此段的沿程水头损失：

计算得出h5=20.44 m，前文已经计算出一副七楼洞口至一副七楼压力表处沿程水头损失为h3=15.27 m；则计算出得出此段的局部水头损失h6=h1-h5-h3=19.78 m。

将调整后的水厂流量44.1 m3/h代入式(1)中可以计算出调整后水厂至一副七楼洞口的沿程水头损失为

计算得出h7=18.95 m。

此段局部水头损失因为无法对管道的走向和其中阀门、弯头进行具体统计不能直接计算得出，但根据式(2)局部水头损失在相同的管道中只与流速有关，而流速与流量的关系如下：

Q=vπr2

故调整后此段的局部水头损失为

计算得出h8=15.33 m，则流量调整后水厂至一副七楼洞口处的水头总损失为h9=h8+h7=34.28 m。

一副七楼洞口处的压力变化。

根据上述计算，调整后的水厂至一副七楼压力表处的总水头损失为

hz=h8+h7+h4=45.08 m

相比调整前的水头损失h1=55.49 m降低hj=10.41 m，具体数值如表5所示。

表5 水头损失对照表

则在当前一副七楼清洁水压力为0.2 MPa的基础上，流量调整后一副七楼洞口的清洁水压力为

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

根据前文计算，当一副七楼洞口处压力达到0.4 MPa以后，水厂将能向低位水池持续补水。通过上述计算证明了将检修渗漏润滑水流量调低降至22 m3/h，也即厂房清洁水供水总管流量在当前流量基础上降低7 m3/h，水厂便能向低位水池自动补水的可行性。

4 结 语

在后续的实际共组中对上述计算结果进行了验证，当缓慢调整检修渗漏润滑水流量，一副七楼压力表处压力达到0.28 MPa以后，低位水池开始持续补水，验证了理论计算的准确性。因在实际生产中现场供水管路的情况很复杂，难以对现场的水压进行定量的计算[7]，希望本文的计算方法能在类似的问题解决过程中提供帮助。