周富強

（新疆維吾爾自治區(qū)草原畜牧工程勘察規(guī)劃設(shè)計院，新疆烏魯木齊830049）

多級泵站輸水系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化措施

周富強

（新疆維吾爾自治區(qū)草原畜牧工程勘察規(guī)劃設(shè)計院，新疆烏魯木齊830049）

一般情況下，設(shè)計多級泵站輸水系統(tǒng)時，主要將系統(tǒng)分為輸水子系統(tǒng)和泵站子系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，需要先對這兩個子系統(tǒng)的合計進行優(yōu)化，然后綜合比較大系統(tǒng)，設(shè)計出最合理的方案?；诖?，本文對多級泵站輸水系統(tǒng)設(shè)計的完善措施進行探討。

多級泵站；輸水系統(tǒng)設(shè)計；完善措施

1 工程概況

某工程位于我國西北地區(qū)，地理環(huán)境差，干旱少雨，水資源匱乏，主要由小型水庫進行供水，設(shè)計流量為1～3m3/s。需要加壓泵站、管道、儲水池等設(shè)施提供生活用水和生產(chǎn)用水，工程主要包括取水泵站、配水支管、加壓泵站、輸水干管等。其中管線的主干線長度為47km，輸水管的總長度為68.2km。輸水方案采用D N 3600×2雙管方案。如圖1所示。

圖1 輸水方案布置系統(tǒng)

2 多級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化目標

多級泵站輸水系統(tǒng)主要分為輸水子系統(tǒng)和泵站子系統(tǒng)。對多級泵站輸水系統(tǒng)進行完善主要是為了滿足經(jīng)濟性目標、安全性目標和輸水大系統(tǒng)優(yōu)化控制目標。

（1）經(jīng)濟性目標。要為裝機容量小、裝機臺數(shù)少、泵站中泵組型號一致創(chuàng)造條件。要便于管理，保證運行費用和工程建設(shè)費用的經(jīng)濟性。

（2）可靠性和安全性的目標。使用P C C P作為輸水管材，管道的工作壓力要保持在0.6MP a以內(nèi)［1］。要保證近期供水和遠期供水水量達到設(shè)計要求，并且保證遠期和近期合理的銜接，要可以達到水廠安全棄水和調(diào)節(jié)日供水流量的基本要求。

3 優(yōu)化輸水子系統(tǒng)

3.1優(yōu)化輸水干線系統(tǒng)

結(jié)合工程的實際情況，要求輸水系統(tǒng)既要達到遠期供水水壓和水量的基本要求，又要可以達到近期供水水壓和供水水量的要求，由于遠期和近期水流量的比例為1.457∶1，且主管段水頭的損失差在17m以內(nèi)，尤其是近期最小或遠期最大兩種情況下水頭之間的損失差為26m，如果再對最高水位和枯水位差進行考慮，會明顯減小水泵站泵組效率。為了兼顧遠期目標和近期目標，需要對輸水干線系統(tǒng)進行優(yōu)化。

3.1.1 優(yōu)化揚程

兩級直供運行主要是根據(jù)工程遠期和近期輸水規(guī)模變幅過大和差距過大的基本特征采取的措施。優(yōu)化的重點是調(diào)整240萬m3/d水頭損失差和350萬m3/d取水泵站和泵站前池的水頭損失差，使配水泵站和各個水廠的供水壓力相差不要過大。結(jié)合本工程的實際情況，使用跨越直供的方式進行輸水，當(dāng)遠期小流量和近期小流量輸水時，從配水泵站上方跨過輸水干線來為尾端進行供水［2］。在對設(shè)計進行優(yōu)化時，設(shè)計從配送泵站一側(cè)的管路跨過。

3.1.2 優(yōu)化調(diào)配流量

在泵站實際使用過程中，當(dāng)出現(xiàn)事故、水位變化、水點變化等情況時，輸水量會隨著供水量的變化而出現(xiàn)變化。為了在流量出現(xiàn)變化后，可以采取相應(yīng)的措施，需要進行合理設(shè)計。

（1）當(dāng)供水流量大于需求時進行棄水。當(dāng)需水量產(chǎn)生故障或者水量產(chǎn)生變化后，需要立即丟棄掉剩下的水量，為了可以方便將多出的水量排到河道中，使用溢流井布設(shè)在配水站前池。

（2）當(dāng)流量達不到要求時進行補水。為了可以在流量不足時及時進行補水，設(shè)計使用十臺配水泵站泵組進行作業(yè)。為了防止泵站設(shè)備故障或者進行緊急補水，需要使用三臺配水泵組作為備用［3］。要確保泵組可以持續(xù)保持在一個高效率的運行狀態(tài)下。為了達到流量要求，可以對運行工況進行快速調(diào)節(jié)，使用調(diào)頻和定速結(jié)合的方式作為泵組運行方式。

3.2優(yōu)化輸水支線系統(tǒng)

作為水廠和配水站之間的輸水管道，在對輸水支線進行優(yōu)化時，要達到線路流量要求和布置要求，合理的選擇輸水管線布置方案，結(jié)合線路情況對設(shè)計進行完善［4］。本項目中B支線和A支線使用單雙線混合的方式進行布置。使用單線方案作為前2.34km的方案，并互相作為備用管線。

4 優(yōu)化泵站子系統(tǒng)

在優(yōu)化泵站子系統(tǒng)時，主要考慮選擇泵站級數(shù)、輸水子系統(tǒng)和泵站連接方式的完善，進一步優(yōu)化容量。

4.1優(yōu)化泵站級數(shù)

優(yōu)化泵站級數(shù)主要為了使系統(tǒng)水壓和供水量可以達到規(guī)定。因此，要在保證系統(tǒng)運行方便、可靠和安全的基礎(chǔ)對設(shè)計進行優(yōu)化，在達到環(huán)保要求并且降低投資的基礎(chǔ)上，使泵站的級數(shù)降低［5］。在對泵站級數(shù)進行確定時，需要根據(jù)輸水管線水頭損失情況進行確定。進行計算時，可以使用下述公式∶

hf＝10.2936×L×n2×Q2/d5333（1）公式中，hf為沿線水頭損失，m；n為管道糙率；L為計算段管道長度，km；Q為輸水流量，m3/s；d為管道直徑，m。從公式可以將沿程水頭損失情況計算出來，按照文獻要求，為了將泵組需要供給的供水壓頭最大值，需要按照10%取局部損失。計算結(jié)果如表1所示。

表1 泵站壓頭計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計使用二級泵站子系統(tǒng)方案進行施工，設(shè)計取水泵站的最低揚程為10.1m，最高揚程為37.1m，不需要設(shè)置加壓泵站，配水泵站近期和遠期直供分別為13.95～20.84m3/s。管道正常壓力為0.4MP a，設(shè)計裝機總?cè)萘繛?8000kW，總投資金額為527683萬元，年運行費用為15612萬元，由于少了一個泵站，總投資金額更小，在進行泵站配水和取水的分配時也更加的合理，可以在取水量變化過大以及水位變幅過大的各類工況中進行使用，適應(yīng)性更佳。

4.2優(yōu)化輸水子系統(tǒng)和泵站的連接方式

當(dāng)前，輸水系統(tǒng)和泵站連接的方式主要有泵站前設(shè)前池、直抽增壓、出水池三個方式。為了保證運行效率、裝機容量以及系統(tǒng)輸配水流量的平衡性，設(shè)計使用兩級泵站配水泵站前設(shè)置前池的方式［6］。按照計算，前池換水系數(shù)為半個小時，有效容積大小為5.6萬m3，為了保證配水泵站和泵組運行過程中具有良好的穩(wěn)定性，降低水位的波動，設(shè)計使用面積為10000m2的前池。

4.3優(yōu)化配水泵站泵組的容量、數(shù)量和型號

優(yōu)化的主要目的是為了降低泵組數(shù)量和泵站容量，并且保證型號一致。因此，需要重點對泵組的揚程進行優(yōu)化。結(jié)合泵站使用前池連接的方式進行連接，配水泵站中利用配水支線水力學(xué)計算來對支線的管道直徑進行優(yōu)化和控制。經(jīng)計算，三個水廠需要的供水壓力在22.3m左右，因此只需要設(shè)置八臺泵就可以達到使用要求。為了節(jié)約投資，達到機組公用的目的，使用相同型號的泵組，同時也有效保證了遠期輸水泵和近期輸水泵可以保持較高的運行效率［7］。因為流量和水頭損失是成正比的，因此對流量分配進行合理的調(diào)整可以達到配水泵站的使用要求，并且可以在實際運行過程中多次進行切換［8］。為了達到水廠運行和管網(wǎng)的基本要求，便于調(diào)節(jié)流量大小，使用小泵和大泵組合的施工方案進行施工，選用臥式雙吸離心泵。根據(jù)水廠和管網(wǎng)的基本情況，為了滿足未來使用，實際安裝時一共安裝了十二臺泵組，其中C支線和A支線的泵組按照兩大兩小的要求進行配置，B支線按照一小三大的設(shè)計進行布置，每條支線都設(shè)置了一臺備用泵。

5 優(yōu)化后輸水系統(tǒng)控制方案及評價

5.1輸水系統(tǒng)的控制方案

（1）對F取水口的泵站進行加壓以后，利用輸水管道將水直接送到泵站，然后再送到各個城市的水廠中。

（2）將旁通管布置在配送泵站前池的干管上，并從配水泵站直接跨過為城市水廠進行供水，同時滿足近期供水量和遠期小流量工程的要求。

（3）將進水前池布置在配水泵站前，以降低地形的影響，提高運行的穩(wěn)定性和安全性。

（4）為了可以對供水量進行調(diào)配，需要使用變頻和定速結(jié)合的方式進行運行，并在配水泵站前部設(shè)置管路系統(tǒng)和溢流井，保證棄水的快速性以及安全性。

5.2運行效果評價

引水工程按照設(shè)計方案開展后，引水量的最大值為262萬m3，順利實現(xiàn)了各個城市之間水廠原水之間的切換，并實現(xiàn)了配水泵站聯(lián)合和跨越兩種工況下運行的設(shè)計要求。持續(xù)運行兩年后，系統(tǒng)經(jīng)濟性良好，具有較高的可靠性和安全性，管理也比較方便，優(yōu)化效果良好。

6 結(jié)語

在對多級泵站輸水系統(tǒng)設(shè)計進行完善時，要在達到配水和輸水要求的基礎(chǔ)上，為將來投產(chǎn)以后設(shè)備的控制和運行創(chuàng)建有利條件，將運行和設(shè)計組成一個整體。對輸水系統(tǒng)進行優(yōu)化主要是為了保證系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，綜合考慮遠期目標和近期目標，降低投資金額，取得良好的社會、經(jīng)濟效益。

［1］張紅武.跨流域多水源引調(diào)水工程系統(tǒng)設(shè)計方案研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2015（08）∶61-65.

［2］周偉，陶瑋，周紅兵.開敞式雙向泵裝置出水錐管的優(yōu)化設(shè)計［J］.南水北調(diào)與水利科技，2014（02）∶54-56.

［3］潘虹.基于L MD與Wi g ne r-V i 1 1 e分布的水力機組振動信號分析［J］.排灌機械工程學(xué)報，2004（03）∶75-77.

［4］周衛(wèi)明，張喆瑜，胡建永.城市加壓供水工程中單向穩(wěn)壓塔的設(shè)計優(yōu)化［J］.人民黃河，2015（02）∶38-40.

［5］孟彎彎，張玉勝，孫毅.呂梁橫泉水庫工業(yè)供水泵站優(yōu)化設(shè)計與研究［J］.人民黃河，2015（02）∶51-53.

［6］鄭勇.管道水壓試驗影響因素及危險源分析［J］.化肥設(shè)計，2015（01）∶62-64.

［7］王麗，鄒新勝，徐磊.井頭泵站豎井式貫流泵裝置流態(tài)及性能分析［J］.南水北調(diào)與水利科技，2014（04）∶76-78.

［8］陳靜.峽江巴邱鎮(zhèn)防護工程設(shè)計［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2012（03）∶22-23.

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：1672-2469（2016）05-0107-03

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.038

2015-12-14

周富強（1983年—），男，工程師。