高普新 張麗敏

1 工程簡介

觀景口水利樞紐工程是重慶市重點(diǎn)水源工程之一，位于巴南區(qū)五布河干流上。工程任務(wù)是以城市供水為主，同時(shí)兼顧小城鎮(zhèn)及農(nóng)村人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉。在觀景口水庫至供水用戶之間設(shè)提水泵站，泵站布置在花生基。從水庫通過壓力輸水隧洞總管引水，在泵站前叉成支管進(jìn)入泵組，經(jīng)水泵加壓后，大泵及小泵出水支管各匯成一根出水總管至出水池。泵站年運(yùn)行時(shí)間為5 006 h。

2 泵站基本條件

2.1 泵站設(shè)計(jì)流量

觀景口水庫輸水工程線路設(shè)計(jì)流量為4.76 m3/s，加大流量5.76 m3/s，最小流量2.30 m3/s。設(shè)計(jì)流量包括茶園新區(qū)城鎮(zhèn)供水流量3.32 m3/s，灌溉及人畜供水流量1.26 m3/s，小城鎮(zhèn)供水流量0.18 m3/s。初期運(yùn)行設(shè)計(jì)流量為0.5 m3/s。

2.2 水庫水位

2.3 出水池水位

2.4 進(jìn)、出水系統(tǒng)水頭損失

泵站進(jìn)、出水系統(tǒng)的水頭損失見表1。

表1 泵站進(jìn)、出水系統(tǒng)的水頭損失 m

2.5 水庫調(diào)度

供水規(guī)模（正常蓄水位281 m）/（m3· s-1）5.76

供水規(guī)模（設(shè)計(jì)水位270 m至 5.76

正常蓄水位281 m）/（m3·s-1）

死水位254 m至設(shè)計(jì)水位270 m，水庫在 3.1

降低供水區(qū)運(yùn)行，供水流量減少

供水規(guī)模（死水位254 m）（m3·s-1）

3 水泵選型

3.1 水泵基本參數(shù)

3.1.1 水泵運(yùn)行揚(yáng)程

首先根據(jù)水庫水位、出水池水位及水頭損失，確定水泵幾何揚(yáng)程及運(yùn)行揚(yáng)程，見表2。

表2 幾何揚(yáng)程及運(yùn)行揚(yáng)程 m

3.1.2 水泵設(shè)計(jì)流量

根據(jù)水庫調(diào)度運(yùn)行方式確定水泵的設(shè)計(jì)流量。在設(shè)計(jì)水位270 m時(shí)，泵站設(shè)計(jì)供水流量應(yīng)滿足加大供水流量5.76 m3/s要求；在死水位254 m時(shí)，泵站最小供水流量為3.1 m3/s。初期運(yùn)行設(shè)計(jì)流量為0.5 m3/s。

3.2 水泵型式的選擇

根據(jù)泵站的單泵流量和揚(yáng)程范圍，可選擇的泵型主要有兩種：立式單級(jí)雙吸離心泵、臥式單級(jí)雙吸離心泵。初估水泵口徑在500～600 mm及800～900 mm，如采用立式布置，水泵電動(dòng)泵組結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，廠房布置容易造成空間利用率不高。目前，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的同口徑范圍內(nèi)的水泵以臥式安裝最為常見，生產(chǎn)和制造經(jīng)驗(yàn)豐富，同時(shí)又可降低廠房高度，安裝檢修方便，故選定臥式單級(jí)雙吸離心泵。

3.3 水泵運(yùn)行方式的確定

觀景口泵站水泵揚(yáng)程范圍為18.83～48.46 m，變幅達(dá)到29.63 m。由于在揚(yáng)程變化范圍內(nèi)，還需要滿足工程確定的供水流量的要求，離心泵本身不具備此調(diào)節(jié)能力，需要采用相應(yīng)的工程措施。常用的工程措施有：（1）水泵串聯(lián)運(yùn)行。采用2臺(tái)套水泵串聯(lián)運(yùn)行，但2臺(tái)套水泵都長期穩(wěn)定工作在高效率區(qū)，難度非常大，而且調(diào)度不靈活、運(yùn)行管理不方便、檢修維護(hù)工作量大、土建投資大、可靠運(yùn)行安全性低，不適合向重要城市供水的輸水工程。（2）水泵出口裝造壓閥門。水泵按高揚(yáng)程選型，當(dāng)揚(yáng)程較低時(shí)，通過閥門造壓，水泵也能穩(wěn)定地工作在高效率區(qū)。但本工程水源水庫為年調(diào)節(jié)水庫，在高水位運(yùn)行的概率達(dá)到87.18%，這種方案不能利用水庫的水位變化，達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)目的。（3）水泵采用變頻調(diào)速的方案運(yùn)行。這種方案通過變頻器，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整水泵工作點(diǎn)，使之能夠適應(yīng)泵站揚(yáng)程和流量的變化。這種方案流量調(diào)節(jié)方便、運(yùn)行安全可靠、控制簡單靈活，在許多供水工程中都有成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，相應(yīng)機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行技術(shù)非常成熟。綜上分析，水泵采用“一對(duì)一”變頻降速調(diào)速的運(yùn)行方式。

3.4 臺(tái)數(shù)選擇

泵站在臺(tái)數(shù)選擇時(shí)，首先滿足規(guī)范要求，其次主要考慮供水流量與水泵臺(tái)數(shù)的匹配、水泵的制造水平、工程投資等。本泵站主要為茶園新區(qū)城鎮(zhèn)供水，供水規(guī)模是以2030年設(shè)計(jì)水平年城鎮(zhèn)的規(guī)劃發(fā)展規(guī)模進(jìn)行確定，供水方案采用水泵加壓，然后無壓輸水至各用水點(diǎn)。這就存在在供水工程建成初期，泵站供水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于需水用戶用水量，加上中間無有調(diào)蓄能力的水庫，造成單臺(tái)水泵頻繁啟停、運(yùn)行工況差、效率水平低，大部分水泵長期閑置的狀況。參考已建成類似供水工程實(shí)際運(yùn)行工況，同時(shí)結(jié)合工程的具體情況，推算泵站運(yùn)行初期設(shè)計(jì)流量，提出大、小泵方案，進(jìn)行水泵臺(tái)數(shù)匹配，使之更好更靈活地適應(yīng)工程實(shí)際運(yùn)行工況。

3.4.1 初期運(yùn)行水泵（小泵）臺(tái)數(shù)選擇

根據(jù)多方分析，推算泵站運(yùn)行初期設(shè)計(jì)流量0.5 m3/s，設(shè)置1臺(tái)NSC500-400-590型離心泵?？紤]到泵站初期運(yùn)行時(shí)，基本為城鎮(zhèn)生活供水，為保證供水可靠性，同時(shí)設(shè)置備用泵1臺(tái)。因此，初期運(yùn)行水泵共設(shè)置2臺(tái)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。

3.4.2 設(shè)計(jì)水平年運(yùn)行水泵（大泵）臺(tái)數(shù)選擇

根據(jù)工程整體布置，泵站水泵采用并聯(lián)運(yùn)行。在工作泵同時(shí)工作時(shí)，滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程下加大設(shè)計(jì)流量5.26 m3/s及最高揚(yáng)程3.1 m3/s設(shè)計(jì)流量要求，備用泵僅作為檢修、事故備用。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，同時(shí)結(jié)合制造廠家資料，并聯(lián)運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)最好限制在4臺(tái)以內(nèi)，但水泵臺(tái)數(shù)也不宜太少，否則運(yùn)行調(diào)度靈活性會(huì)下降。綜合考慮，工作泵臺(tái)數(shù)暫按3臺(tái)及4臺(tái)進(jìn)行比選。備用泵：3臺(tái)及4臺(tái)工作泵均設(shè)置1臺(tái)備用泵。根據(jù)確定的工作泵臺(tái)數(shù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，詳見表3。

表3 4臺(tái)及5臺(tái)泵組方案比較表

4臺(tái)泵方案（3臺(tái)工作泵）與5臺(tái)泵方案（4臺(tái)工作泵）比較，兩個(gè)方案均能滿足泵站供水功能要求，工作泵臺(tái)數(shù)滿足供水流量和揚(yáng)程變化，備用泵臺(tái)數(shù)滿足檢修事故備用。5臺(tái)泵方案單泵流量偏小，運(yùn)行時(shí)調(diào)度較靈活，但配套總功率偏大，廠房土建及機(jī)電設(shè)備投資都相對(duì)較高。4臺(tái)泵方案單泵流量相對(duì)較大，但配套總功率小，投資較小，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相差明顯。因此，設(shè)計(jì)水平年運(yùn)行水泵（大泵）選定4臺(tái)泵組方案。

綜上所述，泵站裝機(jī)按四大兩小配置，共6臺(tái)水泵。大泵4臺(tái)，3臺(tái)工作，1臺(tái)備用；小泵2臺(tái)，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。

3.5 推薦泵組性能參數(shù)

在確定水泵參數(shù)時(shí)，主要考慮：（1）泵站水泵的揚(yáng)程變幅達(dá)到29.63 m，采用水泵變頻運(yùn)行，改變工作點(diǎn)，滿足此變化要求。根據(jù)1959—2013年水庫供水月均水位過程，648個(gè)月平均水庫水位進(jìn)行分析，泵站揚(yáng)程在18.83～31.45 m范圍內(nèi)出現(xiàn)的頻率為87.18%，所以，在選定水泵參數(shù)時(shí)，此區(qū)域應(yīng)處在水泵高效率區(qū)內(nèi)；（2）根據(jù)水庫調(diào)度要求，在死水位254 m時(shí)，供水流量達(dá)到3.1 m3/s，用此工況校核大泵供水能力；（3）綜合分析各制造廠的資料。

考慮以上因素，對(duì)水泵真機(jī)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。水泵真機(jī)預(yù)測(cè)參數(shù)見表4。大泵并聯(lián)變頻運(yùn)行曲線圖如圖1所示。

表4 水泵真機(jī)預(yù)測(cè)性能參數(shù)表

圖1 大泵并聯(lián)變頻運(yùn)行曲線圖

3.6 水泵配套功率確定

水泵配套功率要根據(jù)水泵特性曲線、工程實(shí)際運(yùn)行范圍，計(jì)算有可能出現(xiàn)的最大軸功率進(jìn)行確定。本泵站大泵的最大軸功率為1 013 kW，考慮一定的安全系數(shù)，結(jié)合電動(dòng)機(jī)型號(hào)參數(shù)資料，推薦電動(dòng)機(jī)功率為1 200 kW。同理，小泵電動(dòng)機(jī)功率為400 kW。電動(dòng)機(jī)功率與水泵工作點(diǎn)的效率、工作范圍有很大關(guān)系，在招標(biāo)選定水泵參數(shù)后，應(yīng)進(jìn)一步詳細(xì)核算水泵配套功率。

3.7 水泵安裝高程

水泵的安裝高程應(yīng)按水泵運(yùn)行所需要的最大吸上高度Hs確定。經(jīng)計(jì)算Hs為-2.24 m，為保證水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行所需要的最小淹沒深度，采用水庫最低運(yùn)行水位252 m計(jì)算，得出水泵安裝高程為249.76 m，結(jié)合水工布置考慮一定裕量，確定水泵葉輪中心安裝高程為249.5 m，Hs=-2.5 m。水泵進(jìn)出水管水平中心線在葉輪中心線下大約750 mm，結(jié)合廠房和管路系統(tǒng)布置，進(jìn)、出水管水平中心線高程取248.00 m。

小泵的氣蝕余量小于大泵，安裝高程可以相應(yīng)提高。但為便于安裝布置及運(yùn)行管理，小泵與大泵統(tǒng)一進(jìn)水管高程，因此，小泵的進(jìn)、出水管高程為248.00 m。

3.8 水泵進(jìn)、出口閥門

為保證泵站的安全運(yùn)行和檢修維護(hù)，在每臺(tái)水泵的進(jìn)水管上設(shè)置1道閥門，在出水管上設(shè)置2道閥門。進(jìn)水管上的閥門為檢修閥門，其型式為電動(dòng)偏心半球閥。出水管上第一道閥門為工作閥門，閥門型式為液壓控制緩閉式蝶閥，主要用于水泵閉閥造壓啟動(dòng)、泵組正常停機(jī)和泵組突然事故失電水錘防護(hù)。第二道閥為泵組及液控緩閉蝶閥的檢修閥門，當(dāng)工作閥門拒動(dòng)，它可以一段關(guān)閉，防止事故擴(kuò)大，型式為液動(dòng)操作偏心半球閥。

4 輔助設(shè)備系統(tǒng)

（1）主廠房起吊設(shè)備。根據(jù)起吊設(shè)備重量，選用1臺(tái)16/3.2 t單小車橋式起重機(jī)?？缍?4 m，起吊高度15 m。

（2）技術(shù)供水系統(tǒng)。泵組冷卻供水系統(tǒng)采用自流供水方案。壓力鋼管取水，經(jīng)濾水器過濾后，向各臺(tái)泵組供水，經(jīng)過各冷卻器后的水排至水泵進(jìn)水檢修閥前。

（3）排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)包括廠內(nèi)滲漏排水和泵組檢修排水兩部分，共用集水井和排水泵。選用3臺(tái)潛水排水泵，正常情況下，2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。

（4）水力測(cè)量系統(tǒng)。水力測(cè)量系統(tǒng)分全廠性測(cè)量和泵組段測(cè)量兩部分。

（5）初揚(yáng)水充水系統(tǒng)。為滿足泵站在出水系統(tǒng)無水的情況下，初次起動(dòng)泵組需要，設(shè)置初揚(yáng)水水泵2臺(tái)套。

5 結(jié)語

（1）現(xiàn)在供水工程蓬勃發(fā)展，多數(shù)都通過水泵加壓提水。在水泵選型時(shí)，要充分了解水泵的工作條件，工程需求和特點(diǎn)，多與制造廠家溝通，最終確定適合工程的水泵參數(shù)。

（2）對(duì)于泵站揚(yáng)程變化大，要求供水流量穩(wěn)定的泵站，多數(shù)情況下會(huì)選用變頻水泵。在變頻水泵參數(shù)的選擇過程中，首先要分析確定水泵經(jīng)常工作的揚(yáng)程和流量范圍，確保水泵工作點(diǎn)范圍在變頻后的高效區(qū)內(nèi)。

（3）水泵制造水平日新月異，要更多的搜集國內(nèi)外先進(jìn)水泵參數(shù)，選擇出更節(jié)能、更高效的水泵。