摘要：地下式水电站的排水系统由于受空间和结构布局的影响，管道和电路的安装较为复杂，一旦出现故障，必然会给正常的生产带来不必要的麻烦。因此，相对于普通水电站的排水系统而言，地下式水电站的排水系统必然更加复杂。本篇文章详细阐述了地下式排水系统的基本情况，并提出了相应的改进的措施。
关键词：排水系统；故障；复杂；措施
引言：排水系统对于任何一个企业来说都是十分重要的，如果排水系统出现一定的障碍，必定会影响企业正常的生产生活，从而为企业带来不必要的损失。当前，对于地下式水电站的排水系统来说，其面临的主要问题是：其一，由于地下式水电站所处的位置一般都在地下数十米，甚至上百米，在这个位置牵引管道会受地下水以及管道内外渗透差的影响，造成漏水的情况；其二，在正常生产和检修活动中难免会产生一些废水，由于工业生产的废水量一般比较大，加之水位线比较低，就必须运用水泵往地面排水这种方式。如果排水系统出现故障，可能就会发生废水倒灌，水淹厂房的不利局面。
一、地下式水电站排水系统可能发生的风险
下面以云南某地区一个具体的地下式水电站排水系统为例展开分析，水电站的基本情况如下：其中机组维修专用水电泵有8台，用以处理地下室渗透的水电泵有4台，分别设置在高程为67米处的泵房中，为了节约安装成本，两个排水系统共用一个出水管道。出水管路的走向首先从67米高程处垂直上升至高程为75.3米的位置，然后需要进行预埋管件的处理，当升至82米高程处时，又需要下降至67米出水口的位置。出水管口处于闸阀比较靠后的位置，大概长340米且高度差为15米。接下来，此地下式排水系统开始带负荷运行，水泵停止运行发生了水锤故障，由于水锤的作用力出水口处的伸缩节会发生扭矩。在整个排水系统从开始运行到展开调试过程中，共出现了6次水电泵烧毁的现象，且烧毁的水电泵都是检修专用的水电泵，1到8号的维修机组全部故障。
二、地下式排水系统水锤压力的变化
通过实际的观察，我们可以知道检修专用的水电泵的一系列的参数：其流量为1000m3/h，扬程的数值为80m（3级）（85m-80m-30m），出水管的直径为350mm。对这些参数进行分析，接下来以检修专用的水电泵为例，已知两台水电泵是采用并联的方式的，我们可以大概绘出一个简单的排水走向的图。通过图示我们可以知道J-1前面的部分采用的是管径为350mm的出水管，J-1后面的部分用的是管径为500mm的出水管，J-5后面管道内的水流一般是半管流，AIR-1节点处是一个复合的排气阀门， R-2是排水管道的末端。
图1
当两台水电泵都正常工作的时候，管道内的水流量是一个恒定的值，一直处于一种稳定的状态。通过水电泵的标准参数可以分析得出，出口处的水压力为80m，单个水电泵的流量为1000m3/h，管径为500mm的出水管的流量为2000m3/h，如果整个排水系统在运行的过程中，水电泵的水流量超过1200m3/h的时候，那么管径为500mm的出水管中的水流量就会达到2400m3/h，根据恒定流量可以得出，废水在出水时损失水头的计算公式为：f=0.010666LC-1.85D-4.865Q1.852，其中，f是指单位的损失；Q是水流量；D是出水管的直径；C是光滑系数。
在整个系统中，水头的损失只有水电泵一个基本标准，因此可以根据实际情况对相应的光滑系数进行一定的调节，选取适宜的值作为管线的阻力。通过分析计算，可以得出一个水电泵同时工作状态下的压力变化值，两变化值的差即为相应位置的实际压力值。
图2即为两台水电泵一起工作时压力的变化情况，通过分析，我们知道第2条曲线为管线的覆设线，第1条曲线为该系统正常运转时的水压变化情况，曲线的末尾仍然是半流管的形式。X轴表示管线间距，Y轴表示绝对高差。
图2
综上所述，我们可以对整个排水系统可能产生水锤停止运行的情况进行分析，我认为导致水锤故障的原因主要有以下两种：其一，其中一个水电泵正常停止，但由于采用的是软停泵这种方式，会产生一段缓冲的时间。其二，由于工作人员操作失误或者系统的故障造成水电泵忽然停止运行，这个时间一般发生在一瞬间。如果出现水锤现象，压力的变化情况可以采用以下的公式：
其中K指的是水的体积模量，一般取 2.0646×109 Pa；
E指的是钢筋的弹性模量，一般取1.96×1011；
Δ指的是管壁的厚度。
通过将具体的数据带入可以得出：管道直径为350mm的出水管波速a为1235m/s，而管道直径为500mm的出水管波速a为1155m/s。水泵忽然停止运行会造成管道内水压的降低，这时压力波会向和水流一致的方向移动。当其达到管道的末尾后，会有一部分压力波折返使，这时管道的压力又会随之上升。一旦压力波遭遇障碍，又会继续循环这个状态，出现阻尼震荡的现象，但最终的结果是趋于平稳。
如果由于工作人员操作不当而产生停泵，假设系统没有任何保护的措施，整个系统的压力变化情况：第一，如果单泵忽然停止工作，通过分析可以知道在水电泵的出口的位置会出现压力波的最大值，然后沿管道压力渐渐变小；第二，当单泵忽然停止，随着压力波的不断变化我们可以知道，其最大值一般只出现在一瞬间，接下来压力波会发生阻尼震荡，最终趋于平稳的状态；第三，当两台水电泵一起停止运行时，同样最大的压力值处于出口的位置，而且管道中会保持一段时间的高压力状态。
三、研究电机产生故障的原因
通过以上的叙述，我们可以大概知道电机发生烧毁现象的原因。在地下式水电机排水系统中，当检修水电泵忽然停止工作时，电路中的电流会迅速提高，有时甚至会达到2000A，且会保持几秒的时间。正是由于水电泵停止时产生的电流过大，影响了绕组绝缘的效果，最终导致水电泵电机多次故障。
四、探讨和改进技术水平
现如今，为了使水电泵停止工作时能够达到一种比较稳定的状态，软停泵的方式开始在地下式水电站排水系统中广泛运用。这种方式主要使用的工作原理是：调整电磁扭矩，使电机的转速逐渐降低直到达到停止运转的状态。刚开始软停泵所用的时间为10s，但是考虑到水锤现象和实际运行过程中的复杂性，逐渐将时间调整到了15s，从而使安全性大大提高。
根据实际情况，最终使用了逐渐减小电流这种软停泵的方式，设置软停泵的时间为3s。我们可以知道增加软停泵的处理时间是为了降低水锤冲击管道带来的影响。在本次实验中，虽然控制了软停泵时间，也对水电泵的电流进行了调控，但忽略了管道中的水锤现象，这可能影响实验的严谨性。
按照两台检修水电泵一并运行的方式可将8台水电泵分为4组，即1号和3号、2号和4号、5号和7号、6号和8号，启动时的标准按照次数少的优先原则，当关停时注意按照启动时的先后顺序。以这种方式运行，检修水电泵会存在一定的风险，即一旦排水量较大需要用到多数的水电泵同时工作时，如果发生工作人员的操作失误或者系统故障的现象会使水电泵在短时间内同时停止运行，管道中会出现剧烈的水锤压力变动的情况，从而为整个系统带来不小的损失。所以，需要在管道中增加控制装置给软停泵这种方式提供更大的优势，通过实验分析这种方式确实改善了水锤冲击的影响。
结束语：总之，地下式水电站的排水系统由于受空间和结构布局的影响，管道和电路的安装较为复杂，容易出现水电泵电机烧毁的情况，另外，停泵时管道中水锤对整个系统也产生着很大的影响，因此在未来必须积极地探索更多的解决策略。
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论文作者:李宝恩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：水电论文; 排水系统论文; 管道论文; 水电站论文; 地下论文; 压力论文; 出水管论文; 《基层建设》2019年第8期论文;