張其軍，沈金娟，吳建華

（1.山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

山西潞安樹脂有限責任公司20萬t/年離子膜燒堿、20萬t/年聚氯乙烯項目是經(jīng)山西省發(fā)展和改革委員會批準的項目。該項目供水規(guī)模為750萬m3/年，年供水時間按8 000 h計算，生活污水排放量為220 m3/h。經(jīng)過對該地區(qū)的水資源論證，工程引水水源確定為位于長治市郊區(qū)和屯留縣境內(nèi)的漳澤水庫。本優(yōu)化設計研究方案根據(jù)現(xiàn)有的工程資料及實測的帶狀和局部地形資料而完成的。該研究針對該工程的關鍵技術問題進行幾個方案的技術論證和分析，初步確定了工程主要技術要點和技術方案，對未來系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行具有重要的指導意義。

1 設計參數(shù)、依據(jù)等別和防洪標準

1.1 主要設計參數(shù)

供水規(guī)模：年供水量為750萬t/a，年運行時間：8 000 h；供水保證率：95%。

供水點預留水頭20 m；管道中心標高925.80 m。

1.2 設計依據(jù)

《泵站設計規(guī)范》（GB/T50265—97）；《室外給水設計規(guī)范》（GB50013—2006）。

1.3 工程等別和標準

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL252-2000，按照供水對象重要程度為中等，確定該泵站為中型泵站，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物引渠、泵站廠房、供水線路為3級，其他次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。

1.4 防洪標準

（1）泵站主要建筑物設計洪水標準為30年一遇，校核洪水標準為100年一遇。

（2）輸水管線及建筑物設計洪水標準為20年一遇。

1.5 地震設防烈度

根據(jù)《建筑物抗震設計規(guī)范》及附圖、《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306—2001）圖A1與《中國地震動反應譜特征周期區(qū)劃圖（GB18306—2001）圖B1，本區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.40 s。工程區(qū)地震基本烈度為6度，相應的抗震設防烈度為6度。

2 工程布置的優(yōu)化

依據(jù)上述的特征參數(shù)要求，考慮到該工程的具體安全運行要求，本研究對供水系統(tǒng)的主要技術點進行了優(yōu)化研究，以其為工程的安全經(jīng)濟運行提供技術支持。

2.1 供水管線布置

2.1.1 供水管材選擇

有壓輸水管道目前國內(nèi)常用的管材種類很多，從管材材質(zhì)類型來看，用于工業(yè)供水的管材大致可分為剛性管材和柔性管材兩大類，其中剛性管材主要有鋼管、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）等，柔性管材主要有給水用聚乙烯（PE）管、玻璃纖維增強塑料加砂管（RPMP，即玻璃鋼管）等。剛性管材一般抗外壓性能較好，但價格較高；柔性管材造價較低，但抗外壓性能較差。因此，柔性管材一般多用于自壓或低揚程輸水工程，對于泵壓輸水管道由于管內(nèi)壓力波動較為頻繁，會影響其可靠性。因此，首要的問題是該研究對剛性管材進行比較研究。以下通過市場調(diào)查和水力計算，對于輸水管道的管材比較分析見表1、表2。

表1 有壓輸水管道管材技術性能比較

表2 有壓輸水管道管材造價比較

從以上比較可以看出，3種管材由于均屬于剛性管材，各項技術性能差距不大，而鋼管在抗外壓、抗水錘等方面有較明顯的優(yōu)勢，同時由于鋼管接頭采用焊接，其抗?jié)B能力以及抵抗地基不均勻變形能力均優(yōu)于采用承插接口的其他兩種管材，但造價明顯高于其他兩種管材?？紤]到本工程供水線路穿過多處城鎮(zhèn)密集地區(qū)及交通道路，受外界環(huán)境的影響較大；同時，由于沿線基本上都處在煤礦采空區(qū)，管道地基發(fā)生不均勻沉陷的可能性較大，需要管道有較高的適應性。因此，可選用鋼管作為剛性管材的推薦管材。

2.1.2 供水方案及管徑的優(yōu)化選型

根據(jù)《室外給水設計規(guī)范》，工業(yè)供水輸水管道不宜少于兩條，當有安全調(diào)節(jié)蓄水池或其他安全供水措施時，也可設一條。由于本工程的水源是用水戶的唯一水源，而且要求供水保證率高，因此，采用單管或雙管方案的主要區(qū)別就是是否設置調(diào)節(jié)蓄水池，以滿足管線事故搶修或正常檢修要求時的正常供水需要，兩方案的工程措施和運行條件有明顯的不同。

（1）單管方案。輸水管線設一條，其管徑按照滿足設計流量的要求確定為DN630 mm，同時在供水點設調(diào)節(jié)蓄水池。調(diào)節(jié)蓄水池的容積按照滿足管線停水2天的用水量確定，約為4.1萬m3。水量調(diào)節(jié)方式為：在正常運行期間，管道一方面向用水戶正常供水，另一方面將調(diào)節(jié)水池充滿水，待管線因事故或正常檢修需要停水時（停水時間不超過2天），由蓄水池繼續(xù)供水。

（2）雙管方案。輸水管線設兩條，其每條管管徑按照滿足70%設計流量的要求確定為DN500mm，即在一條管停水時，另一條管可按設計流量的70%應急供水。供水點調(diào)節(jié)蓄水池的容積可按照滿足調(diào)節(jié)日用水量不均勻變化的要求確定，為2000m3。

（3）方案優(yōu)選。在大量的水力計算的基礎上，兩方案的管線、調(diào)節(jié)水池的投資見表3。

表3 單雙管方案投資比較表（單位：萬元）

從表3可以看出，在考慮調(diào)蓄工程投資的情況下，雙管方案的工程投資要略低于單管方案，而且單管方案還需要建設容積較大的調(diào)節(jié)水池，增加了工程占地，從而增加了建設成本，而且也增加了運行管理的難度。因此，本工程擬采用雙管方案輸水。

2.1.3 水力機械的選型優(yōu)化

供水泵站位于距供水點9 km的漳澤水庫岸邊903高程，泵站提水后經(jīng)兩根DN500地埋聚乙烯（簡稱PE管）輸水至樹脂廠廠區(qū)。泵站設計特征參數(shù)：設計取水位896.09m，最低取895.69 m；出水管中心高程925.80 m，出口要求剩余水頭20.00 m；泵站地形揚程40.353 m（按最低取水位同時加剩余水頭計算）；泵站設計流量0.28 m3/s，出水總管長度8 050 m，在以上測量成果的基礎上，泵型、機組臺數(shù)及水泵工作點的優(yōu)化方案如下：根據(jù)泵站設計特征參數(shù)，經(jīng)多方案技術經(jīng)濟比較，確定泵型采用已有運行經(jīng)驗的定型水泵設備?？紤]運行方式的要求，以及泵站運行靈活、管理方便的要求，選取用3臺工作機組，兩工一備。

表4 水泵電機機性能參數(shù)表

水泵選用單級雙吸離心泵，水泵型號250S-65。水力機械水泵電機性能參數(shù)見表4。

根據(jù)泵站的流量和出水壓力管道長度、直徑，計算水泵工作點。機組進、出水管徑為DN350和DN300，出水總管為兩根DN500的鋼管，總長8 050 m。

3 優(yōu)化成果的合理性檢驗

按照相關的規(guī)范要求，在大量計算的基礎上，本研究對優(yōu)化成果以計算機模擬的方式進行了驗算，在計算確定各個工況點時，采用圖解法，利用水泵特性曲線和泵站管路特性曲線交點求得水泵運行工作點流量、揚程、效率及軸功率。在計算過程中采用計算機編程。

3.1 計算模型

式中：H：水泵的工作揚程，m；

HST：水泵的凈揚程，m；

Σh：各管段水頭損失之和，m；

h：管路的水頭損失，m；

Σhe：各管段沿程摩阻水頭損失，m；

Σhm：各局部阻力水頭損失，m；

he：沿程摩阻水頭損失，m；

Qj，Q：計算流量，m3/s；

A：管道的比阻，m；

D：管道直徑，m；

L：管路長度，m；

ξ：局部阻力系數(shù)，m；

v：管中水流速度，m/s。

3.2 系統(tǒng)運行工作點的計算

計算結(jié)果見表5。

表5 水泵工作點計算結(jié)果表

考慮水泵廠家制造工藝差別，揚程增加5%～10%裕量，確定正常運行工況下水泵流量為0.13 m3/s、揚程為62 m。由于本工程水質(zhì)含沙量較高，實際運行時軸功率會比計算值偏高，為了避免機組運行時發(fā)生電動機超載，配套電機功率取160 kW。

4 系統(tǒng)運行安全防護措施的選擇

依據(jù)《泵站設計技術規(guī)范》，當事故停泵時,其瞬態(tài)特征參數(shù)：最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍，離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。由于本項目供水管線較長，為了防止系統(tǒng)突然斷電時，機組倒轉(zhuǎn)對機組部件造成破壞，在水泵的出水管上安裝液控制止回半球閥，作為水泵事故水錘防護閥。當停機時或斷電時分兩段關閉，能有效地防止破壞性水錘，將倒轉(zhuǎn)速度限制在規(guī)定范圍內(nèi)，止回閥規(guī)格為DN300，PN1.0MPa。

5 結(jié)論

該研究針對供水工程的供水管材、供水方案、管徑及水力機械等關鍵技術問題進行了選型優(yōu)化比較，并進行了技術論證和分析，初步確定了工程主要技術要點和技術方案，對類似工業(yè)供水系統(tǒng)的優(yōu)化設計及未來系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行具有重要的指導意義。