西北地區(qū)高揚(yáng)程多起伏輸水工程選型設(shè)計(jì)

劉 君，賈 寶，唐 波

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

隨著我國區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略、主體功能區(qū)戰(zhàn)略和完善新型城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，具有區(qū)域資源優(yōu)勢的地區(qū)開始大力發(fā)展新型城鎮(zhèn)，而輸水工程建設(shè)是新型城鎮(zhèn)建設(shè)啟動(dòng)的必要條件之一。在我國西北地區(qū)，由于水資源匱乏及嚴(yán)重分布不均，新型城鎮(zhèn)輸水工程往往具有管線長、揚(yáng)程高、流量相對(duì)小、沿線地形起伏點(diǎn)多且對(duì)供水保證率要求高的特點(diǎn)，此外戶外水錘防護(hù)措施的選擇也需充分考慮西北地區(qū)冬季寒冷天氣的影響。

1 工程概況

陜北某新型城鎮(zhèn)輸水工程是一個(gè)典型的西北地區(qū)長距離、高揚(yáng)程、多起伏輸水工程，工程區(qū)位于陜西省最北部，地處毛烏素沙漠南緣，位于黃土高原與毛烏素沙漠的過渡區(qū)，西北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，東南部為黃土溝壑區(qū)，多年最大積雪深度120 mm，最大凍土深度146 cm。該工程位于水庫下游，輸水工程的總體布置為：通過壩內(nèi)預(yù)埋供水鋼管引至加壓泵站的進(jìn)水池，從進(jìn)水池中取水，通過一級(jí)泵站加壓，沿右岸河床輸水至下游1.26 km處并沿垂直等高線爬坡至坡頂，沿河右岸坡頂沙丘至園區(qū)東北角道路外側(cè)，然后沿道路引到水廠，輸水線路總長約10.5 km，沿線管路多起伏，最大爬坡高度約90 m。泵前輸水管道為DN500單管吸水，主輸水管道為DN800雙管平行布置。輸水能力為1.39 m3/s，泵站出水口接至水廠水池，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為157.7 m。該輸水工程的管路縱剖面示意圖如圖1所示。

圖1 輸水管路縱剖面示意圖Fig.1 Schematic of longitudinal section of water transfer pipeline

2 輸水工程選型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 管線布置及管材選擇

本輸水工程所在地的多年季節(jié)性標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為地面以下1.10～1.46 m，因此輸水管線需埋設(shè)在距地面1.5 m以下。根據(jù)規(guī)范[1]要求，輸水干管不宜少于兩條，當(dāng)有安全貯水池或其他安全供水措施時(shí)，也可修建一條?？紤]到該新型城鎮(zhèn)可能在一段時(shí)間內(nèi)為單水源供水，新型城鎮(zhèn)對(duì)供水的保證率及可靠性要求比較高，因此為了保證供水的可靠性，本工程管線按兩條輸水管線并行布置設(shè)計(jì)。當(dāng)兩條壓力輸水管并行布置時(shí)，兩管之間要有一定的防沖刷間距，以保證當(dāng)一條輸水管損壞時(shí)，另一條輸水管仍可安全運(yùn)行，本工程雙管間距按15 m設(shè)計(jì)。

在長距離輸水調(diào)水工程中，管道部分占工程總投資的比重相對(duì)較大。目前我國使用的中、大口徑輸水管材主要有鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管等。這幾種管材在經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面的對(duì)比如表1所示。

從表1中可以看到，球墨鑄鐵管具有較高承壓能力及較高的抗震能力[2]；安裝速度快，施工費(fèi)用低，DN800球墨鑄鐵管安裝工時(shí)大約30 min，能較好地滿足施工工期要求；具有良好的防腐性能，規(guī)定使用年限高于50年；接口為柔性接口，可偏轉(zhuǎn)2°～3°，可在極其軟的地基中敷設(shè)；密封性好。球墨鑄鐵管由于具有優(yōu)良的機(jī)械性能，防腐外噴鋅、涂瀝青，不需在管溝做沙墊層；對(duì)回填土無特殊要求，可使用原土回填。另外，球墨鑄鐵管的綜合造價(jià)比預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管高，但比鋼管費(fèi)用低。綜上所述，球墨鑄鐵管由于使用壽命較焊接鋼管長很多，綜合比較下來費(fèi)用要低于鋼管。在同樣使用期限內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管每年費(fèi)用相對(duì)比球墨鑄鐵管低一些，但預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管重量大，運(yùn)輸安裝較球墨鑄鐵管困難。因此通過綜合比較，本輸水工程對(duì)泵房內(nèi)的DN500/DN400輸水支管采用了鋼管，對(duì)DN800主輸水管線則采用了鋼管和球墨鑄鐵管兩種管材。

表1 輸水管道管材性能比較表Tab.1 Pipeline performance comparison table of water pipeline

2.2 設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算

設(shè)計(jì)運(yùn)行水位是計(jì)算確定設(shè)計(jì)揚(yáng)程的依據(jù)，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為凈揚(yáng)程與總水頭損失之和。本工程凈揚(yáng)程的計(jì)算中預(yù)留了水廠設(shè)備運(yùn)行所需的必要水頭。平均揚(yáng)程是泵站運(yùn)行歷時(shí)最長的工作揚(yáng)程，選擇水泵型號(hào)時(shí)，應(yīng)使其在平均揚(yáng)程工況下處于高效區(qū)運(yùn)行?？偹^損失由局部水頭損失和沿程水頭損失組成，對(duì)于圓管滿流，沿程水頭損失一般采用達(dá)西-韋伯公式計(jì)算，而達(dá)西-韋伯公式中的謝才系數(shù)C或沿程阻力系數(shù)λ與水流流態(tài)有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)于謝才系數(shù)C或沿程阻力系數(shù)λ的計(jì)算，國內(nèi)外使用較為廣泛的公式有曼寧公式和海曾-威廉公式。水頭損失計(jì)算公式都是在不同的實(shí)驗(yàn)條件中建立的，不同公式的應(yīng)用條件有所不同。曼寧公式和海曾-威廉公式的區(qū)別如下[3]：

(1)曼寧公式簡單明了，應(yīng)用方便，特別適用于較粗糙的非滿管流和明渠均勻流的水力計(jì)算，最佳使用范圍為0.5 mm≤e≤4.0 mm(e為管材內(nèi)壁當(dāng)量粗糙度)。此公式基本上為各大設(shè)計(jì)院和高校計(jì)算管道沿程水頭公式所選擇，據(jù)經(jīng)驗(yàn)，其計(jì)算結(jié)果略大于工程實(shí)際。

(2)海曾-威廉公式在給水供水管線及管網(wǎng)的水力計(jì)算中應(yīng)用廣泛。

本工程分別采用了以上兩種公式進(jìn)行沿程損失計(jì)算，其中采用謝才-曼寧公式計(jì)算的沿程損失為28.61 m(鑄鐵管粗糙系數(shù)取0.013，鋼管粗糙系數(shù)取0.012)，采用海曾-威廉公式計(jì)算的沿程損失為24.06 m(海曾-威廉系數(shù)取120)，通過分析最終采用了海曾-威廉公式計(jì)算結(jié)果。對(duì)于局部水頭損失，考慮漸變、水池進(jìn)口、出口、直流匯合、直流分支、彎管、閥門等局部損失，經(jīng)計(jì)算，單管正常供水時(shí)，局部水頭損失為6.64 m。單管正常供水時(shí)，總水頭損失=沿程水頭損失+局部水頭損失=30.7 (m)。故正常工況供水時(shí)，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程取為157.7 m。

2.3 水泵選型

2.3.1 水泵選型原則

水泵型式選擇不僅影響泵站的長期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而且影響著水工建筑物的布置方案，因此應(yīng)根據(jù)泵站特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和論證，選型原則[4]主要如下：

(1)應(yīng)滿足工程設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)揚(yáng)程及不同時(shí)期的供水需求。

(2)平均揚(yáng)程應(yīng)盡可能處于水泵最高效率區(qū)，整個(gè)運(yùn)行區(qū)域應(yīng)盡可能在水泵較高效率區(qū)。

(3)宜優(yōu)先選用技術(shù)成熟、性能先進(jìn)的產(chǎn)品。

(4)具有多種泵型可供選擇時(shí)，應(yīng)結(jié)合水泵水力性能、安裝檢修條件、土建機(jī)電工程量、總投資及后期運(yùn)維費(fèi)用等方面進(jìn)行綜合分析及論證。

(5)結(jié)合供水對(duì)象、流量變幅、工程投資等方面，合理選擇主用泵臺(tái)數(shù)和備用泵臺(tái)數(shù)，綜合考慮設(shè)置變頻電機(jī)的必要性。

2.3.2 泵型及臺(tái)數(shù)

根據(jù)上述水泵選型原則按照下列步驟選擇合適的水泵。根據(jù)本輸水工程的揚(yáng)程范圍，選擇離心泵。多級(jí)離心泵揚(yáng)程很高、流量小，單級(jí)單吸立式離心泵揚(yáng)程偏小，而雙吸離心泵具有揚(yáng)程高、流量大、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，故本輸水工程采用雙吸離心泵。水泵采用自灌式充水，水泵外殼頂點(diǎn)低于進(jìn)水池內(nèi)的最低水位。

在日供水量變化幅度基本確定，機(jī)組工作特性基本可比的情況下，擬定機(jī)組方案為：方案一：5臺(tái)(3用2備)；方案二：6臺(tái)(4用2備)；方案三：7臺(tái)(5用2備)。3用2備方案，一期供水若采用一臺(tái)泵供水，流量偏??；采用兩臺(tái)泵，則流量偏大，供水量變幅的適應(yīng)性較差，為了使加壓泵站在運(yùn)行上具備必要的適應(yīng)能力，機(jī)組配置數(shù)量不宜過少。5用2備方案，一期供水若采用2臺(tái)泵供水，流量偏??；采用3臺(tái)泵供水，則流量偏大，而且在二期供水中，并聯(lián)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)超過4臺(tái)，工作點(diǎn)偏移較大，且一般隨著臺(tái)數(shù)增加，配電盤柜數(shù)量增多，費(fèi)用增加。故本工程最終采用方案二：6臺(tái)(4用2備)。

2.3.3 水泵特性參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

最終確定的水泵型號(hào)為ASP250-690R，其主要參數(shù)見表2所示。

表2 ASP250-690R型水泵性能表Tab.2 ASP250-690R type pump performance table

水泵葉輪為雙吸，閉式，整體結(jié)構(gòu)，加工平滑，且經(jīng)過動(dòng)靜平衡試驗(yàn)，其材料為雙向不銹鋼。葉輪與軸采用鍵緊固安裝，上泵殼和下泵殼能固定裝有軸承組件的軸承箱、軸及葉輪，抗壓力-密封性能好。傳動(dòng)軸為優(yōu)質(zhì)不銹鋼-雙向不銹鋼，其將動(dòng)能傳給葉輪及水，軸密封將吸入端的水和空氣隔離、密封。在泵體密封處內(nèi)有填料、密封水環(huán)、填料壓蓋、調(diào)節(jié)填料箱螺柱和密封水接口。密封形式為單機(jī)械密封。

2.4 水泵指標(biāo)校核及電動(dòng)機(jī)選擇

(1)水泵運(yùn)行工作點(diǎn)推求。為了確保泵型及管路布置方案匹配合理，應(yīng)進(jìn)行水泵裝置工作點(diǎn)計(jì)算，確保工作點(diǎn)處于水泵高效率區(qū)，否者應(yīng)重新選泵，或更改管路布置方案，或進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。ASP25-690R型號(hào)泵效率曲線較為平緩；當(dāng)同一水力單元的兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)(設(shè)計(jì)工況)，兩臺(tái)泵供水流量為0.76 m3/s，單泵流量為0.38 m3/s，揚(yáng)程約154 m，水泵效率為84%，滿足設(shè)計(jì)流量的要求，且效率較高。隨著該工程投入運(yùn)行時(shí)間的增長，管道損失增大，兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)的流量會(huì)往小流量、高揚(yáng)程偏移，但仍滿足設(shè)計(jì)流量(單泵0.35 m3/s)的輸水要求。

(2)最大軸功率。當(dāng)單泵運(yùn)行時(shí)，軸功率最大?？紤]到水廠初期投入運(yùn)行或出水池檢修放空后，出水池的水位很低，在此種情況下推求最不利工況最大軸功率工作點(diǎn)。

由圖2可知，最大軸功率發(fā)生在Q=0.52 m3/s，H=130.5 m時(shí)，此時(shí)最大軸功率計(jì)算值為853.5 kW。由于水泵在生命周期內(nèi)存在效率降低的趨勢，以及泵可能無法達(dá)到樣本現(xiàn)有最大效率，故在當(dāng)前效率值要減去一個(gè)效率裕度3%。此外考慮到損失計(jì)算是經(jīng)驗(yàn)公式，本工程又是長距離輸水，隨著管道材料、技術(shù)工藝的發(fā)展和進(jìn)步，管道實(shí)際水頭損失可能會(huì)略小于公式計(jì)算值，實(shí)際運(yùn)行工作點(diǎn)可能會(huì)進(jìn)一步向大流量和低揚(yáng)程處略偏移，導(dǎo)致實(shí)際軸功率可能繼續(xù)偏大。主電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)按水泵運(yùn)行可能出現(xiàn)的最大軸功率選配并預(yù)留適當(dāng)裕度。

圖2 最大軸功率推求點(diǎn)計(jì)算示意圖Fig.2 Schematic diagram of maximum shaft power calculation

(3)電動(dòng)機(jī)特性參數(shù)及主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組不需要與其他電源連接，因此異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、運(yùn)維方便、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)異步電機(jī)具有較高的效率。根據(jù)水泵額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min和配套功率1 000 kW，本工程選用6臺(tái)1RQ1450-4JA80型箱式三相異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)臥式安裝，防護(hù)等級(jí)IP55，冷卻方法采用全空冷，電機(jī)定子鐵芯選用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片。電動(dòng)機(jī)設(shè)有防潮加熱裝置，電機(jī)能在最大反轉(zhuǎn)飛逸轉(zhuǎn)速歷時(shí)30 min而不產(chǎn)生有害變形。電動(dòng)機(jī)為S1工作制，能24 h連續(xù)、長期正常穩(wěn)定運(yùn)行，表3為1RQ1450-4JA80型電動(dòng)機(jī)性能表。

表3 1RQ1450-4JA80型電動(dòng)機(jī)性能表Tab.3 1RQ1450-4JA80 type motor performance table

2.5 水錘防護(hù)措施的優(yōu)化與選擇

本輸水系統(tǒng)管線長，高差大，沿線局部高點(diǎn)較多，在發(fā)生事故停泵時(shí)，很容易出現(xiàn)嚴(yán)重的水柱分離及再彌合現(xiàn)象，產(chǎn)生巨大的水錘壓力，從而給管線系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來很大威脅，因此防護(hù)水錘是本工程需關(guān)注的重點(diǎn)問題[5-7]。據(jù)工程所在地的氣象站多年實(shí)測值，工程所在地多年平均氣溫8.7 ℃，多年最冷月月平均氣溫-15 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-27.9 ℃。因此在水錘防護(hù)措施的選擇上，應(yīng)首先考慮戶外水錘防護(hù)設(shè)備能在西北地區(qū)冬季寒冷天氣下連續(xù)正常穩(wěn)定工作。

經(jīng)過大量計(jì)算比選及分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓塔方案的水錘防護(hù)結(jié)果最為安全、可靠，但存在冬季防凍的問題，而空氣罐水錘防護(hù)方案的造價(jià)較大，不夠經(jīng)濟(jì)，因此通過優(yōu)化最終采用了注氣微排閥+泵控閥+超壓泄壓閥的綜合防護(hù)方案，大大節(jié)省了投資。由于本工程管線起伏較大，部分位置的注氣微排閥在過渡過程時(shí)進(jìn)氣量較大，因此在進(jìn)氣量較大的位置布置兩個(gè)注氣微排閥，注氣微排閥采用牛角狀布置，進(jìn)氣口徑為100 mm，排氣口徑為8 mm。

在每臺(tái)水泵出口裝設(shè)一個(gè)直徑為400 mm的多功能泵控閥，用以防止水泵在停泵、事故停電或關(guān)閥時(shí)可能發(fā)生的水錘，可有效地提高泵站和管道系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，泵控閥無需人力、電氣、電磁等方式控制，具有節(jié)能效果。對(duì)于泵控閥，要求零流量時(shí)大閥瓣落到位，小閥瓣能按給定的慢關(guān)時(shí)間關(guān)閉。通過大量計(jì)算及優(yōu)化，最終推薦0～3.5 s關(guān)閉90%、3.5～20 s全關(guān)的兩階段關(guān)閥方案。此外在母管處裝設(shè)了口徑為400 mm的超壓泄壓閥，其起跳壓力為180 m，全開壓力190 m，回座壓力160 m。計(jì)算結(jié)果顯示同一水力單元的2臺(tái)泵同時(shí)事故停泵工況下，輸水系統(tǒng)的最大壓力207.34 m，是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行最大壓力的1.26倍；最小壓力-4.63 m，系統(tǒng)中沒有出現(xiàn)汽化現(xiàn)象。水泵最大倒流流量-0.029 m3/s，沒有出現(xiàn)水泵倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖3 設(shè)計(jì)工況下輸水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的壓力線Fig.3 Pressure line during steady state operation of water transfer system under design condition

圖4 事故停泵工況下的輸水系統(tǒng)最大壓力線和最小壓力線Fig.4 Maximum pressure line and minimum pressure line of the water transfer system under accidental pump stop condition

3 結(jié) 語

對(duì)于長距離高揚(yáng)程多起伏輸水工程，管線布置、管材選擇、設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算、水泵選型、水泵指標(biāo)校核、電動(dòng)機(jī)選擇及水錘防護(hù)措施的合理選擇，是確保輸水工程安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)和可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，應(yīng)對(duì)技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行充分的比較。本文以陜北某新型城鎮(zhèn)輸水工程為例，介紹了西北地區(qū)長距離高揚(yáng)程多起伏輸水工程的關(guān)鍵技術(shù)問題，可供類似輸水工程的選型設(shè)計(jì)參考。本工程自2015年通水以來，至今運(yùn)行安全、穩(wěn)定，為陜北某新型城鎮(zhèn)提供了可靠的生產(chǎn)生活用水，有效地保障了新型城鎮(zhèn)的健康發(fā)展。

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