楊建中

千米揚(yáng)程梯級(jí)泵站的調(diào)試運(yùn)行

楊建中

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021)

張家口市區(qū)、崇禮縣補(bǔ)水一期工程從云州水庫(kù)調(diào)水至崇禮縣滑雪場(chǎng)主蓄水池，以解決2022年冬奧會(huì)各滑雪場(chǎng)地的供水水源問(wèn)題，總提水高度1029m，由10級(jí)梯級(jí)泵站和3條隧洞組成。該工程技術(shù)復(fù)雜，冬季運(yùn)行條件惡劣，設(shè)計(jì)中采用了岸邊式取水口布置、泵站級(jí)數(shù)優(yōu)化和揚(yáng)程匹配、無(wú)壓隧洞加有壓管道的輸水系統(tǒng)、泵站進(jìn)口調(diào)壓塔的設(shè)置、大容量立式內(nèi)膽式水錘消除罐以及高壓變頻機(jī)組等技術(shù)。經(jīng)過(guò)18d的首次充水和調(diào)試運(yùn)行，一次性試車成功，并隨即完成了第1個(gè)雪季的供水。為長(zhǎng)距離、高海拔、高揚(yáng)程地區(qū)梯級(jí)泵站的設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)行積累了經(jīng)驗(yàn)。

冬奧會(huì)；崇禮縣滑雪場(chǎng)；千米揚(yáng)程；梯級(jí)泵站；調(diào)試；運(yùn)行

1 概述

張家口市區(qū)、崇禮縣補(bǔ)水一期工程從云州水庫(kù)引水至崇禮縣翠云山頂主蓄水池(海拔2055m)，總提水高度1029m，設(shè)計(jì)流量0.4m3/s，供水時(shí)段為10月至次年3月，供水量為每個(gè)雪季484萬(wàn)m3，可滿足千萬(wàn)平米雪道的造雪要求，為2022年冬奧會(huì)的舉辦提供水源保障。該工程跨越白河、清水河2個(gè)流域，設(shè)置了10級(jí)梯級(jí)泵站以及21.89km的壓力管道和8.11km的無(wú)壓輸水隧洞。歷經(jīng)5年的施工，該工程于2015年10月基本完工，具備了試運(yùn)行條件。2015年10月23日～11月9日，進(jìn)行了聯(lián)合試運(yùn)行，一次試車通水成功。并隨即開(kāi)始了第1個(gè)雪季的供水，供水總量60萬(wàn)m3。通過(guò)此次的充水、試車、調(diào)試、運(yùn)行檢驗(yàn)，工程達(dá)到了設(shè)計(jì)要求和建設(shè)目標(biāo)。本文對(duì)此次的調(diào)試過(guò)程作一介紹。

2 工程布置及主要設(shè)備

2.1 工程總體布置

本工程供水保證率為90%，設(shè)計(jì)取水最低水位為云州水庫(kù)死水位，即1026.67m。取水口處現(xiàn)狀庫(kù)底高程低，上游植被好，水庫(kù)淤積量小，具備岸邊式取水口的條件。由于死水深較大，配合真空泵，將最低取水水位調(diào)至1024.1m，進(jìn)一步提高了供水可靠程度，減小了結(jié)冰影響。

該工程全部位于山區(qū)，末端山勢(shì)陡峭。共設(shè)10級(jí)梯級(jí)泵站，其中干線設(shè)4級(jí)泵站，支線設(shè)6級(jí)泵站，干線泵站均預(yù)留遠(yuǎn)期2臺(tái)水泵位置，一期工程均為3臺(tái)水泵，2用1備。

取水口設(shè)在庫(kù)區(qū)內(nèi)，泵站布置在岸邊，采用開(kāi)敞式進(jìn)水口，豎井式泵房。其余9級(jí)泵站泵房為半地下式干室型，均設(shè)前池，前池與無(wú)壓隧洞兼作上一級(jí)泵站出水池。由于干線4級(jí)泵站吸水管道距離長(zhǎng)，高差大，為了降低吸水管內(nèi)的水錘壓力，保證水泵的安全運(yùn)行，干線4級(jí)泵站內(nèi)設(shè)置了溢流式調(diào)壓塔。

輸水管道為0.6m直徑的壓力鋼管，局部0.8m。沿線設(shè)置35座檢修閥室、進(jìn)排氣閥井36座、放水井7座、流量計(jì)井10座。

管道沿線布置了3條隧洞，其中干線2條，支線1條，均為無(wú)壓隧洞，縱坡為1/5000。隧洞采用城門洞型，過(guò)水?dāng)嗝婢捎娩摻罨炷烈r砌，襯砌后隧洞寬1.8m。隧洞進(jìn)出口和壓力管道連接處設(shè)連接井，井口設(shè)溢流設(shè)施。

各站之間管道的參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 水泵

一期工程各泵站均為3臺(tái)水泵，2用1備，其中2臺(tái)變頻，1臺(tái)工頻。水泵均為單級(jí)雙吸離心泵，單泵流量0.2m3/s，水泵進(jìn)水管上設(shè)手動(dòng)偏心半球閥1個(gè)，用于檢修水泵；在水泵出水管上設(shè)多功能水泵控制閥和手動(dòng)偏心半球閥各一個(gè)。

表1 各站之間管道參數(shù)

2.3 大容量立式內(nèi)膽式水錘消除罐

空氣壓力罐的用途是為了防止水錘壓力及水位波動(dòng)對(duì)供水系統(tǒng)的危害，使輸水系統(tǒng)平穩(wěn)地從一個(gè)狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生水錘，輸水管內(nèi)壓力升高時(shí)，罐內(nèi)空氣被壓縮，起氣墊作用；當(dāng)輸水管內(nèi)形成負(fù)壓時(shí)，向管道補(bǔ)水。干線1、2級(jí)泵站各設(shè)置2臺(tái)10m3的空氣壓力罐，干線3級(jí)泵站和支線1、3、6級(jí)泵站各設(shè)置2臺(tái)6m3的空氣壓力罐。

3 梯級(jí)泵站調(diào)試運(yùn)行原則

3.1 目的及特點(diǎn)

為了保證各級(jí)泵站的安全穩(wěn)定和高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)各級(jí)泵站間的流量匹配，避免造成前池溢流或抽空，減小輸水管道水錘壓力波動(dòng)，同時(shí)為泵站自動(dòng)化控制提供依據(jù)和流程。

本工程的特點(diǎn)為梯級(jí)輸水，共10級(jí)泵站，中間不分水，各級(jí)泵站為等流量輸水。

3.2 泵站初次充水運(yùn)行

管道通水準(zhǔn)備工作和水泵啟動(dòng)前的準(zhǔn)備工作全部合格，啟動(dòng)水泵前應(yīng)確保出口偏心半球閥處于關(guān)閉狀態(tài)；充水時(shí)先開(kāi)啟取水口泵站1臺(tái)變頻水泵，穩(wěn)定后逐步開(kāi)啟水泵出口處偏心半球閥，通過(guò)變頻裝置使水泵降速運(yùn)行，以達(dá)到充水流量，必要時(shí)配合水泵出口偏心半球閥開(kāi)度調(diào)節(jié)。管道初次充水應(yīng)控制充水流速，并檢查管道沿線排氣閥的排氣狀態(tài)，當(dāng)沿線所有排氣閥停止排氣后，輸水管道全部充滿，充水過(guò)程完成。取水口泵站輸水管線充水完成后，維持泵站流量不變，再進(jìn)行干線2級(jí)泵站輸水管線充水。當(dāng)干線2級(jí)泵站前池內(nèi)水位達(dá)到啟泵水位后，啟動(dòng)一臺(tái)水泵，程序同前。干線2級(jí)泵站充水流量應(yīng)和取水口泵站流量一致。重復(fù)上述步驟逐步開(kāi)啟下級(jí)泵站，直至完成管線全線充水。

3.3 泵站正常啟動(dòng)或事故檢修后重新啟動(dòng)水泵

干線第4級(jí)泵站與支線第1級(jí)泵站之間通過(guò)無(wú)壓隧洞和壓力管道連接，因支線第1級(jí)泵站進(jìn)水池溢流管高程較低，該段隧洞和管道中的水需在每次停泵時(shí)抽空，否則會(huì)溢流。因此需在支線第1級(jí)泵站開(kāi)機(jī)前再次向隧洞和管道充水。其余各級(jí)泵站壓力管道可保持有水。

從取水口開(kāi)始依次啟動(dòng)各級(jí)泵站，以前池內(nèi)水位作為聯(lián)動(dòng)和聯(lián)控的依據(jù)。各站依次先開(kāi)啟一臺(tái)水泵投入運(yùn)行。下一級(jí)泵站在上一級(jí)泵站開(kāi)啟后經(jīng)延時(shí)，同時(shí)前池水位達(dá)到啟泵水位后開(kāi)啟。每級(jí)泵站根據(jù)要求的輸水流量和需開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，依次開(kāi)啟水泵。先投入變頻泵運(yùn)行。根據(jù)實(shí)時(shí)的輸水流量、揚(yáng)程，依據(jù)水泵變頻特性曲線，確定水泵電機(jī)運(yùn)行頻率。在水泵的流量、揚(yáng)程參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)工況時(shí)，可切換至工頻運(yùn)行。

3.4 泵站正常停機(jī)

泵站正常停機(jī)時(shí)先同時(shí)關(guān)閉干線第1～4級(jí)泵站，經(jīng)延時(shí)，待干線第4級(jí)泵站與支線第1級(jí)泵站之間隧洞和管道中的水將被抽盡時(shí)，再同時(shí)關(guān)閉支線各級(jí)泵站。正常停機(jī)時(shí)，若運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)，需依次關(guān)閉，間隔3～5min，待管線水錘壓力震蕩結(jié)束后，再關(guān)停另一臺(tái)水泵。停泵時(shí)，先關(guān)閉水泵出口閥門，再關(guān)閉水泵。水泵關(guān)閉后，若間隔時(shí)間長(zhǎng)，則打開(kāi)水泵下部泄空閥，排空泵腔內(nèi)積水，對(duì)機(jī)組按正常程序進(jìn)行保養(yǎng)。

3.5 泵站事故停機(jī)

當(dāng)干線某級(jí)泵站突然斷電，應(yīng)同時(shí)關(guān)閉干線其他泵站，關(guān)閉按正常停機(jī)程序進(jìn)行。干線泵站停機(jī)后，支線泵站繼續(xù)運(yùn)行直至將隧洞內(nèi)水抽至末端水池。支線泵站待支線1級(jí)泵站清水池水位降至停泵水位后，支線泵站按正常停機(jī)程序進(jìn)行。

當(dāng)支線某級(jí)泵站突然斷電，應(yīng)同時(shí)關(guān)閉干線各級(jí)泵站和其余支線各級(jí)泵站。此時(shí)，干線第4級(jí)泵站與支線第1級(jí)泵站之間隧洞和管道中的水只能通過(guò)支線第1級(jí)泵站進(jìn)水池溢流管流失。

當(dāng)干線某級(jí)泵站揚(yáng)水管突然爆管，此時(shí)應(yīng)同時(shí)關(guān)閉干線各級(jí)泵站，并及時(shí)關(guān)閉事故點(diǎn)下一級(jí)泵站前池進(jìn)水閥門。干線泵站停機(jī)后，支線泵站繼續(xù)運(yùn)行直至將隧洞內(nèi)水抽至末端水池。支線泵站待支線1級(jí)泵站前池水位降至停泵水位后，支線泵站按正常停機(jī)程序進(jìn)行。

當(dāng)支線某級(jí)泵站揚(yáng)水管突然爆管，此時(shí)應(yīng)同時(shí)關(guān)閉干線和支線所有泵站，各泵站水泵緊急停機(jī)，同時(shí)關(guān)閉事故泵站下一級(jí)的前池進(jìn)口閥門。

4 梯級(jí)泵站調(diào)試運(yùn)行過(guò)程

4.1 準(zhǔn)備工作

包括供電線路、電氣設(shè)備的檢查和投運(yùn)；各類水力機(jī)械設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的檢查與維護(hù)；沿線進(jìn)排氣閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，檢修閥門處于開(kāi)啟狀態(tài)，泄水閥處于關(guān)閉狀態(tài)；所有建筑物的檢查和清理等等。

4.2 泵組的運(yùn)行準(zhǔn)備

關(guān)閉水泵出口閥門，打開(kāi)泵蓋和多功能水泵控制閥上的排氣裝置，進(jìn)行充水，由于水泵均為填料密封，在啟動(dòng)前先充水浸潤(rùn)8h以上。盤動(dòng)聯(lián)軸器，檢查機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活輕便，泵內(nèi)是否有不正常的響聲和異物。解列電機(jī)，電機(jī)進(jìn)行變頻和工頻的空載試驗(yàn)后再連接上水泵。試驗(yàn)正反轉(zhuǎn)后準(zhǔn)備工作完成。

4.3 立式內(nèi)膽式水錘消除罐的運(yùn)行準(zhǔn)備

首先關(guān)閉空氣壓力罐與主管道連接的進(jìn)水閥門，打開(kāi)空氣壓力罐排水閥門。按水錘計(jì)算的預(yù)設(shè)壓力從注氣孔注入壓縮氣體，可以采用惰性氣體或壓縮空氣，本次采用壓縮空氣。充氣完成后關(guān)閉排水閥，檢查是否有泄露情況。注入氣體完成后，應(yīng)在24h內(nèi)啟動(dòng)水泵，開(kāi)啟檢修閥向橡膠內(nèi)膽內(nèi)注水，防止橡膠內(nèi)膽因長(zhǎng)期受壓導(dǎo)致影響使用壽命。管道內(nèi)水放空時(shí)應(yīng)同時(shí)卸掉壓縮氣體。

在出水管道充滿水后打開(kāi)罐體進(jìn)水閥門。本次控制在水泵出口壓力達(dá)到額定壓力的60%后開(kāi)啟進(jìn)水閥門。

4.4 調(diào)試過(guò)程

以干線4級(jí)泵站為例，簡(jiǎn)述單泵的充水調(diào)試運(yùn)行過(guò)程。

(1)打開(kāi)水泵出口閥門，利用上游水頭充水平壓后再關(guān)閉。對(duì)于泵后管道下翻的水泵尤其關(guān)鍵。

(2)先開(kāi)啟2號(hào)變頻泵，試驗(yàn)最小頻率，從38Hz起，至42Hz時(shí)泵后壓力和流量開(kāi)始增加，穩(wěn)定3min后以1Hz的步長(zhǎng)升至47Hz，然后將步長(zhǎng)減小為0.5Hz至0.2Hz，壓力管道出口滿管出流時(shí)達(dá)到了額定流量，此時(shí)頻率為48.2Hz。

(3)穩(wěn)定運(yùn)行，向隧洞內(nèi)充水。同時(shí)檢查管道沿線及各建筑物的運(yùn)行情況。

(4)進(jìn)行水泵切換。調(diào)整2號(hào)變頻泵的流量，同時(shí)打開(kāi)1號(hào)變頻泵，開(kāi)泵頻率43Hz，穩(wěn)定后停2號(hào)變頻泵。

(5)按照2號(hào)變頻泵的升頻程序，使1號(hào)泵達(dá)到額定流量。

(6)將下一級(jí)泵站前池水位充滿后，停1號(hào)泵。

(7)本級(jí)泵站充水調(diào)試完成。

其余各站基本按此程序完成了充水和調(diào)試運(yùn)行。各級(jí)泵站的單泵運(yùn)行最小頻率(小流量時(shí))和達(dá)到額定流量時(shí)的運(yùn)行頻率見(jiàn)表2。

表2 各級(jí)泵站單臺(tái)變頻泵運(yùn)行頻率匯總

通過(guò)此次調(diào)試，可以看出空氣壓力罐作用明顯，支線3級(jí)泵站停泵水擊壓力為工作壓力的1.2倍；變頻水泵啟動(dòng)和運(yùn)行穩(wěn)定，最大電流為額定電流的0.7～0.9倍，起到了節(jié)能、安全、穩(wěn)定的作用。

4.5 聯(lián)合調(diào)度

梯級(jí)泵站的難點(diǎn)和重點(diǎn)是聯(lián)合調(diào)度和各站之間流量的適配，同時(shí)也是自動(dòng)化系統(tǒng)的落腳點(diǎn)。本工程自動(dòng)化系統(tǒng)包括自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和語(yǔ)音通信系統(tǒng)，分為2級(jí)控制。中控室位于管理處，設(shè)置監(jiān)控工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器和打印機(jī)等，進(jìn)行全線各現(xiàn)地站的監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。各級(jí)泵站現(xiàn)地設(shè)置集中控制設(shè)備和現(xiàn)地控制設(shè)備。

考慮到流量受水泵性能和計(jì)量誤差的影響，各站不以流量計(jì)數(shù)值統(tǒng)一作為聯(lián)控的主要依據(jù)，而以流量值的范圍作為報(bào)警和事故信號(hào)。主要控制信號(hào)為讀取的各站前池水位，各站的前池水位同時(shí)也是上一級(jí)站的出水池。根據(jù)泵站的布置，前池內(nèi)設(shè)定死水位、最低運(yùn)行水位、啟泵水位、最高運(yùn)行水位和溢流水位等，以保證前池不溢流和不抽空為控制原則。最高運(yùn)行水位至溢流水位之間容積150m3，事故情況下在最大設(shè)計(jì)流量時(shí)仍有6min的調(diào)節(jié)時(shí)間，通過(guò)本次調(diào)試證明時(shí)間足夠。當(dāng)超過(guò)最高或最低運(yùn)行水位時(shí)，本級(jí)水泵開(kāi)始調(diào)節(jié)，穩(wěn)定后調(diào)節(jié)上一級(jí)或下一級(jí)水泵，依次類推，直至平衡。調(diào)整的步長(zhǎng)仍需要在運(yùn)行中逐漸摸索。

單站調(diào)試完成后，隨即開(kāi)始了第1個(gè)雪季的供水。由于用水量小且工程屬于試運(yùn)行階段，故采用單泵供水，供水流量維持在600m3/h左右，根據(jù)下游工程和雪場(chǎng)情況進(jìn)行了斷續(xù)供水，同時(shí)對(duì)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)和自動(dòng)化控制進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)試，共供水60萬(wàn)m3。供水期間歷經(jīng)了斷電停泵、開(kāi)停機(jī)、流量調(diào)整和10級(jí)泵站的聯(lián)調(diào)聯(lián)動(dòng)等各種工況，甚至包括了誤操作，整個(gè)供水過(guò)程說(shuō)明工程及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，經(jīng)受了50年一遇極寒天氣的考驗(yàn)，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)工程首次充水調(diào)試并試運(yùn)行的成功，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)理念的可靠，并為2022年冬奧會(huì)的順利舉辦提供了堅(jiān)實(shí)的水源保障。

(2)工程位于張家口赤城縣和崇禮縣境內(nèi)山區(qū)，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，路由選定難度大，對(duì)設(shè)計(jì)、施工和設(shè)備的要求高。該工程的順利通水，泵站級(jí)數(shù)之多，總揚(yáng)程之大，在河北省尚屬首例，實(shí)現(xiàn)了河北省水利工程一個(gè)新的突破，在長(zhǎng)距離、高揚(yáng)程引調(diào)水工程設(shè)計(jì)中也具有一定的代表性。

(3)泵站級(jí)數(shù)確定合理。選擇單級(jí)離心泵、幾何揚(yáng)程控制在150m以內(nèi)、管材壓力等級(jí)控制在2.5MPa、空氣壓力罐容積控制在10m3等條件滿足了工程使用和運(yùn)行的可靠度要求，同時(shí)也突破了已建類似工程的揚(yáng)程范圍，減少了泵站級(jí)數(shù)，節(jié)省了運(yùn)行管理人員和費(fèi)用。

(4)由于是初次運(yùn)行，自動(dòng)化控制和程序編制需要進(jìn)一步完善，運(yùn)行人員的熟練程度需要進(jìn)一步磨合，操作經(jīng)驗(yàn)和操作手冊(cè)需要進(jìn)一步優(yōu)化，才能使得工程的運(yùn)行更加規(guī)范和可靠。同時(shí)，為類似工程積累更豐富的經(jīng)驗(yàn)。

［1］GB50265-2010.泵站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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1672-2469(2017)03-0066-04

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.025

2017-01-17

楊建中(1972年—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。