楊　旭

?

萬家寨引黃入晉工程泵站清水系統(tǒng)改造設(shè)計

楊旭

摘要引黃入晉工程清水系統(tǒng)設(shè)備及管路從一期工程投入運行至今已十多年，大部分設(shè)備已老化損壞且原系統(tǒng)設(shè)計存在不足造成用水量過大，通過對清水系統(tǒng)原設(shè)計進行優(yōu)化，保證各泵站安全穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞調(diào)水工程引黃入晉工程清水系統(tǒng)

1　工程概況

引黃工程包括萬家寨水庫取水口、總干線工程、下土寨分水閘、向太原供水的南干線工程和聯(lián)接段工程以及向大同、平朔等地區(qū)供水的北干線工程。共設(shè)置6座提水泵站，其中：總干線3座、南干線2座、北干線1座。在南、北干線共用的總干線，3座泵站分別為：總干線一級泵站和總干線二級泵站均為地下廠房，設(shè)計各裝設(shè)10臺高揚程立式單級單吸離心式水泵電動機組，單泵設(shè)計流量6.45 m3/s，水泵設(shè)計揚程140 m，配套電動機功率12 000 kW；總干線三級泵站地面廠房，設(shè)計裝設(shè)10臺高揚程立式單級單吸離心式水泵電動機組，單泵流量6.45 m3/s，水泵設(shè)計揚程76 m，配套電動機功率6 500 kW；南干線一級泵站和南干線二級泵站地面廠房，設(shè)計各裝設(shè)6臺高揚程立式單級單吸離心式水泵電動機組，單泵設(shè)計流量6.45 m3/s，水泵設(shè)計揚程140 m，配套電動機功率12 000 kW?？傃b機42臺套、總裝機容量449 MW。

2　5座泵站原有清水系統(tǒng)設(shè)計

2.1泵站基本資料

泵站基本資料見表1。

表1　泵站基本參數(shù)表

根據(jù)工程的需要，清水系統(tǒng)的用戶主要為主軸密封用水、輔機冷卻潤滑用水等。泵組主軸密封用水根據(jù)現(xiàn)使用水泵廠家提供的資料，每臺泵組的用水量為1.38 m3/h（見表2）。

表2　清水水源用水量表　m3/h

2.2原清水系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)水井分布和泵組的運行要求，5個泵站的供水方式均由地下取水至地面蓄水池再通過水泵加壓送至高位水池，然后自流到主廠房主軸密封供水總管并分至各臺機組和其他用戶。

3　清水系統(tǒng)現(xiàn)存在的問題及改造的必要性

3.1水源現(xiàn)狀及問題

根據(jù)引黃公司檢修中心及各泵站提供資料，總干二級泵站、總干三級泵站、南干一級泵站、南干二級泵站泵站深井出水量及潛水泵運行基本正常，總干一級泵站泵站目前兩口深井供應(yīng)全廠的主軸密封及其他清水，出水量約20 m3/h，不足以滿足全廠的用量，故需另外打一口深井，其出水量應(yīng)不小于20 m3/h。

3.2加壓泵房現(xiàn)狀及問題

5座泵站加壓泵房均裝設(shè)清水加壓泵3臺，1臺工作、1臺熱備用，1臺檢修備用。

據(jù)引黃公司檢修中心反映，存在的問題主要為加壓泵的密封形式都為填料密封，易漏水，其他方面工作正常。

3.3水泵主軸密封水實際運行情況

從引黃公司提供的水泵主軸密封用水量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)看，5座泵站投產(chǎn)泵組實際主軸密封用水量遠(yuǎn)大于水泵廠家給出的水泵主軸密封用水量，這是由于整個清水系統(tǒng)在設(shè)計時，設(shè)定的進泵組主軸密封壓力值偏高或者沒有設(shè)計減壓措施，造成了主軸密封用水量過大，影響了工程的經(jīng)濟性。

4　清水系統(tǒng)的改造設(shè)計

根據(jù)一期工程清水系統(tǒng)設(shè)計，各級泵站深井?dāng)?shù)量及出水量、深井配套設(shè)備、一級蓄水池、加壓泵數(shù)量及流量配置、高位水池容積、從高位水池至泵站廠內(nèi)供水管路等均按照最終規(guī)模設(shè)置。清水系統(tǒng)設(shè)備及管路從一期工程投入運行至今已十多年，大部分設(shè)備已老化且出現(xiàn)不同程度的損壞，綜合分析，有兩種改造完善方案可行：（1）維持原高位水池方案，將清水系統(tǒng)所有水泵、管路及自動化元件等設(shè)備進行更換。（2）棄用高位水池，采用變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案，即利用原深井及一級蓄水池，從一級蓄水池通過變頻加壓泵直接將清水送至廠房，接廠房主軸密封供水總管。

4.1維持原高位水池方案

引黃總干、南干5座泵站清水系統(tǒng)原設(shè)計方案均為從深井取水至一級蓄水池，水池的一部分水由加壓泵送水至高位水池，然后通過2根無縫鋼管自流到主廠房，本方案維持原系統(tǒng)設(shè)計方案。清水系統(tǒng)設(shè)備及管路經(jīng)過十幾年運行，已出現(xiàn)老化、損壞的問題，在本次改造中除豎井內(nèi)管路外將其他設(shè)備及管路全部更換。

一期清水系統(tǒng)從高位水池自流至泵組的水壓可以滿足各個泵站最多運行臺數(shù)所需主軸密封水量，但如果運行臺數(shù)減少，就會造成進入泵組主軸密封的清水量增加，造成清水浪費，為了能保證清水水量合理利用及不造成浪費，在總干三級泵站、南干一級泵站、南干二級泵站每臺泵組主軸密封支管上設(shè)置減壓閥（總干一級泵站、總干二級泵站一期已在廠內(nèi)主軸密封總管上設(shè)置減壓閥，故不需要在支管重復(fù)設(shè)置），設(shè)置減壓閥后總干三級泵站壓力為0.55 MPa，南干一級泵站、南干二級泵站壓力為1.0 MPa，這樣就保證無論幾臺主泵運行，都可以保證主軸密封水用水量不浪費。

4.2變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案

一期清水系統(tǒng)需從加壓泵房通過長距離管路引水至高位水池，再從高位水池通過長距離管路自流至廠房，這樣管線和加壓泵揚程有一定的不經(jīng)濟性。本次清水系統(tǒng)的改造設(shè)計，考慮仍利用一期已建成的一級蓄水池及加壓泵房，通過變頻調(diào)速給水系統(tǒng)，直接從一級蓄水池引水至廠房接廠內(nèi)主軸密封水總管。

變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案是在普通加壓泵站給水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加變頻器和控制系統(tǒng)，指揮變頻調(diào)速給水系統(tǒng)在運行過程中根據(jù)清水系統(tǒng)對水量、水壓的實際變化需要進行工作，即指揮控制變頻器調(diào)節(jié)水泵電動機的供電頻率，使電動機帶動水泵按清水系統(tǒng)實際用水量的大、小和壓力高、低變化參數(shù)進行變壓、變流量供水，以滿足要求。

變頻水泵運行臺數(shù)的增、減和切換過程將引起給水系統(tǒng)壓力波動、流量變化，應(yīng)設(shè)氣壓水罐調(diào)節(jié)流量變化和穩(wěn)定給水系統(tǒng)壓力，在運行過程中存在水泵故障、備用泵啟動延時等很多可能造成供水短暫中斷的問題，故氣壓水罐的貯藏調(diào)節(jié)水量應(yīng)不小于180 s用水量的有效調(diào)節(jié)水量。

氣壓罐應(yīng)設(shè)置2個壓力值，最高壓力值和最低壓力值。主加壓泵在向廠內(nèi)清水系統(tǒng)供水的同時逐步向氣壓罐內(nèi)補水至最高壓力值，當(dāng)水泵出現(xiàn)故障備用泵啟動延時的一段時間內(nèi)，由氣壓罐內(nèi)的調(diào)節(jié)水量向廠內(nèi)清水系統(tǒng)供水。當(dāng)清水系統(tǒng)用水量很小的情況下，如所有主泵不工作只需提供深井潤滑水等情況時，為了不頻繁啟動加壓泵，設(shè)置2個小調(diào)節(jié)水泵（不變頻）向氣壓罐內(nèi)補水，當(dāng)氣壓罐內(nèi)壓力為最低壓力值時，調(diào)節(jié)泵啟動補水，到達(dá)最高壓力值時，調(diào)節(jié)泵停泵。

4.3方案比選

4.3.1安全、可靠性比較

高位水池和變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐兩個方案同樣使用一期已建成的一級蓄水池，如潛水電泵出現(xiàn)故障或向一級蓄水池供水管路出問題時，一級蓄水池容積可以讓加壓泵運行時間上相差不大，但高位水池方案中，如從加壓泵房到高位水池供水管路或加壓泵本身出現(xiàn)問題時，高位水池備用容積可以滿足機組運行多小時，但變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐中如一旦遇到停電或自控失靈等突發(fā)事故時，只能依靠氣壓水罐中調(diào)節(jié)水量維持機組運行，受加壓泵房尺寸限制，氣壓水罐中調(diào)節(jié)水容積不可能做到很大，這樣就會對泵站安全、可靠運行造成安全隱患。

另一方面，高位水池方案從高位水池由管路自流至主廠房，而變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案由加壓泵房經(jīng)加壓泵及長距離管路送水至主廠房，這個管線一直為有壓運行，如遇設(shè)備故障或管線出現(xiàn)問題，會造成水錘現(xiàn)象，雖然設(shè)置的氣壓水罐有一定緩解水錘作用，但是，還是給工程安全留有安全隱患。

綜上所述，高位水池方案在安全及可靠性上優(yōu)于變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案。

4.3.2運行方式及控制方案比較

高位水池方案因是從高位水池自流至主廠房，只要在主廠房進各個泵組前設(shè)置減壓閥，控制減壓閥后進泵組主軸密封前水壓力，就可以控制進入泵組清水量，不會造成水量浪費，而潛水電泵及加壓泵的啟停均由安裝在深井、一級蓄水池及高位水池的水位計控制，控制方案較簡單。

變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案直接從一級蓄水池經(jīng)加壓泵及長距離管路送水至主廠房，1臺變頻加壓泵水量可以滿足2臺主泵清水量要求，在主廠房主軸密封清水管路上設(shè)置壓力變送器，不同主泵運行壓力值不同，根據(jù)此壓力值控制加壓泵房內(nèi)變頻加壓泵運行臺數(shù)，加壓泵根據(jù)主泵所需流量變化而進行變頻運行（如3臺主泵運行，則2臺加壓泵需變頻運行），防止造成清水水量浪費，當(dāng)主廠房清水水量運行很少時，用氣壓水罐內(nèi)調(diào)節(jié)水量為主廠房供水，由2臺調(diào)節(jié)泵為氣壓水罐補水，這樣可以不會造成加壓泵啟動過于頻繁。由于此方案上水有壓管線較長，不同臺數(shù)主泵運行造成主管流量變化而影響管線損失，使水泵揚程變化而導(dǎo)致加壓泵會頻繁啟停及變頻運行且加壓泵一般不可能全在高效區(qū)運行，平均效率低，控制程序比較復(fù)雜且運行靈活性不高。

綜上所述，高位水池方案在運行靈活性及控制可靠性上優(yōu)于變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案。

4.3.3經(jīng)濟性比較

主要投資見表3。

表3　主要投資比較萬元

從表3可以看出，高位水池方案建筑工程投資比變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案高81.56萬元，機電設(shè)備及安裝工程投資高229.39萬元，總投資高310.95萬元。

5　結(jié)語

雖然高位水池方案在投資上高于變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案，但所有建筑物均可利用一期已形成建筑物，且在工程安全、可靠性、運行靈活性及控制可靠性上均由于變頻調(diào)速給水系統(tǒng)+氣壓水罐方案，所以推薦維持原高位水池方案。

引黃入晉工程所在地區(qū)地下水量不足，本次清水系統(tǒng)改造可以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計從而減小各泵站清水用水量，降低5座泵站運行風(fēng)險，為整個萬家寨引黃入晉工程安全可靠供水提供了有力保證。

中圖分類號TV734

文獻(xiàn)標(biāo)識碼B

文章編號1007-6980（2016）01-0031-03

作者簡介

楊旭男工程師中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司天津300222

收稿日期（2015-11-10）