楊莊水庫提水泵站取水方式及水泵選型設(shè)計(jì)

趙曉棟

(山西萬水水利勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030024)

取水泵閘是水庫工程的重要組成部分，對于揚(yáng)程低、揚(yáng)程相對變動(dòng)幅度大、流量大的泵站，國內(nèi)可以參考借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)較少。水泵選型既影響取水泵站運(yùn)行過程的安全穩(wěn)定，又因不同水泵效率相差較大而對泵站運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用有較大影響。為此，必須充分結(jié)合取水泵站實(shí)際，采取安全穩(wěn)定為主，兼顧運(yùn)行效率和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的選型原則，保證提水泵站經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的順利發(fā)揮。

1 工程概況

楊莊水庫于1979 年4 月建成蓄水，水庫總庫容21.63×104m3，是一座主要承擔(dān)防洪任務(wù)以及灌溉功能的小(二)型水庫，該水庫大壩上游控制流域面積9.5 km2，發(fā)源于任村實(shí)堰溝，主河道6 km 長?，F(xiàn)狀為20 年一遇洪水設(shè)計(jì)，100 年一遇洪水校核標(biāo)準(zhǔn)。楊莊水庫受益灌區(qū)總灌溉面積1250 hm2，灌區(qū)共分為兩大片區(qū):一是酥梨基地提水灌溉工程片區(qū);二是渠道改造工程片區(qū)。河床高程806 m～808 m，提水泵站所在地面高程805 m～807 m，采用一級提水灌溉方式，該泵站控制灌溉面積設(shè)計(jì)灌溉定額35 m3/hm2，當(dāng)前所對應(yīng)的灌溉水利用系數(shù)為0.855，灌溉時(shí)間24 h/d，灌水延續(xù)時(shí)間16 d/次，提水泵站的總流量設(shè)計(jì)值為0.56 m3/s。

泵站所在地層上部主要為3.6 m～4.2 m 厚的人工堆積堆渣，而下部地層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積(Q4pal)低液限粉土、卵石混合土層，該地層中低液限粉土層厚度為1.9 m～3.3 m;而卵石夾雜的混合地層結(jié)構(gòu)較為松散，不具備較好的分選性，局部還夾雜有低級配砂透鏡體，粒徑最大值為15 cm，卵礫石中主要為砂巖和灰?guī)r，并表現(xiàn)為次棱角、次圓狀，卵石混合土層勘探深度內(nèi)未見底。

2 主提水泵站指標(biāo)

2.1 出水管水頭損失

該提水泵站進(jìn)水池和出水池水位分別為806.70 m 和891.35 m，出水管水頭損失采取分段計(jì)算方式，結(jié)果具體見表1，考慮水泵自身水頭損失3 m 后管道沿程總水頭損失18.18 m，則得泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為105.66 m，考慮到不可見因素，設(shè)計(jì)揚(yáng)程按109.00 m 計(jì)。

表1 出水管水頭損失結(jié)果

2.2 管道水力計(jì)算

確定提水泵站采用4 臺(tái)離心泵，單臺(tái)水泵設(shè)計(jì)流量為0.153 m3/s(550 m3/h)，設(shè)計(jì)揚(yáng)程109 m。主管道沿閆燦河布置，沿線設(shè)置7 處分水口，各分水口高程沿管道水流方向呈遞增關(guān)系，考慮到離提水泵站較近位置的分水口可利用管道內(nèi)壓力水流的富余水頭，所以經(jīng)過水力計(jì)算，本管道由北向南前四個(gè)分水口設(shè)置分水閥，利用該位置富余水頭壓送水至高位水池，不再建二級泵站，后三個(gè)分水口由于富余水頭不足，則需新建二級泵站，加壓后輸水至高位水池。管道水力計(jì)算見表2。

表2 主管道水力計(jì)算

3 泵站取水方式

該提水泵根據(jù)設(shè)計(jì)主要從楊莊水庫取水，當(dāng)庫水位面臨較大幅度變化時(shí)，可以借鑒類似取水工程，在以下取水方式中進(jìn)行選擇:①浮船式取水方式，即將多級臥式離心泵安裝在浮船上實(shí)施一級提水，此種取水方式下，所使用泵站數(shù)量少，運(yùn)維管理簡便;②岸坡式取水，即通過深井泵平硐+深井的方式達(dá)到取水目的，考慮到該提水泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程，故在該設(shè)計(jì)下必須分兩級取水;③壩后固定式取水，即主要借助多級臥式離心泵實(shí)現(xiàn)一級提水;④圓筒式深井泵兩級取水。

3.1 浮船式取水

因楊莊水庫庫水位變幅均值為26.85 m，以上所提到的取水方式中，浮船取水適用于河床穩(wěn)定且10 m～60 m 河流水位變動(dòng)幅度的情形，故應(yīng)首選，并且當(dāng)聯(lián)絡(luò)管接頭為搖臂式設(shè)計(jì)時(shí)，岸坡角度應(yīng)控制在45°?？紤]到隨著河水漲落浮船會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)取水，并且所取水為表層水，所以取水質(zhì)量高，含砂量少。此種取水方式下，吸水泵室較淺，所配備的清污設(shè)備也較為簡單，這種浮船式取水方式下不用修建固定式取水構(gòu)筑物，并且投資也比固定式取水方式更為節(jié)省。

但是這種浮船式取水在洪水期內(nèi)受水流陡漲陡落的影響較大，其輸水管接頭拆換也較為頻繁，還必須加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)防銹防腐處理，運(yùn)行管理成本較高。

為保證這種取水方式下泵船的安全及取水性能，必須加強(qiáng)泵船穩(wěn)定性、抗沉性、錨泊定位及對水庫暴漲暴落適應(yīng)能力[1]等的控制。(1)取水泵船的穩(wěn)定性與船舶自身重心及風(fēng)力直接相關(guān)，該提水泵站所用泵船有較大寬深比，且重心低，穩(wěn)定性較好;(2)取水泵船因受到較大風(fēng)力以及水流沖刷力的影響后如果其自身錨泊系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性和可靠性，也會(huì)造成移動(dòng)，楊莊水庫提水泵站泵船應(yīng)當(dāng)采取地錨型式設(shè)計(jì)，通過拋錨以將泵船固定于水庫中;(3)如遇水庫水位陡漲陡落，輸水管便以泵船上所安裝的萬向搖臂接頭為中心自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到適應(yīng)水位變化的目的;(4)因水體自身的緩沖作用，取水泵船所具備的抵御地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的能力也比岸上各類船舶等構(gòu)筑物更加優(yōu)良。

3.2 岸坡式取水

楊莊水庫取水泵站揚(yáng)程設(shè)計(jì)較高，為此必須實(shí)施兩級取水泵站設(shè)計(jì)，其中一級按照岸邊深井泵房形式設(shè)計(jì)，即先在水庫岸邊打設(shè)直徑5.3 m、深30 m豎井，并通過開挖直徑2.0 m、長40 m 水平隧洞與水庫實(shí)現(xiàn)穿連，達(dá)到引水入豎井的工程目的;二級泵站則主要按照水池取水形式設(shè)計(jì)，借助提水管線實(shí)現(xiàn)與一級泵站的連接。這種設(shè)計(jì)模式的運(yùn)行成本比浮船式取水方式高出850 萬元。

3.3 壩后固定式取水

此種取水泵站為岸坡式設(shè)計(jì)，取水管和大壩導(dǎo)流洞相連，壩后預(yù)留的長度2400 m 的提水鋼管穿越河道，且在這種取水方式下，大壩樞紐設(shè)置較為復(fù)雜，投資額也比浮船式取水方案高出785 萬元，且提水管線運(yùn)行缺乏可靠性;取水泵站與壩軸線、溢洪道進(jìn)口等構(gòu)筑物的直線距離均太近，提水泵站將遭溢洪道泄洪等的干擾較大。

3.4 圓筒式深井泵取水

這種取水方式必須在水庫內(nèi)新建設(shè)計(jì)直徑16 m、設(shè)計(jì)厚度2.0 m、高度35 m 的圓筒形深井泵房，以便進(jìn)行水泵機(jī)組等的安裝，庫底水主要借助壓力鋼管引入高水池內(nèi)。該取水方式下樞紐設(shè)置復(fù)雜，總建設(shè)成本也比浮船式取水方案高。

綜合以上對不同取水方式的比較，浮船式取水方式投資最為節(jié)省，并且為一級提水，泵站運(yùn)行過程中維護(hù)費(fèi)用也更低，為此，楊莊水庫提水泵站最終選擇浮船式取水方案。

4 水泵選型

結(jié)合泵站設(shè)計(jì)特征參數(shù)以及取水條件，借鑒國內(nèi)類似規(guī)模泵站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水泵應(yīng)當(dāng)采用定型泵型，具體而言，主提水泵站主要采用單級雙吸臥式離心泵;而各沿線二次加壓泵站和元臺(tái)溝提水站、梁村西提水站和梁村東提水站則均采用立式下吸式潛水電泵。因楊莊水庫庫水抽送介質(zhì)中含有一定量泥沙，此外，單泵運(yùn)行時(shí)軸功率會(huì)加大。為此，在電動(dòng)機(jī)選配過程中必須適當(dāng)增大備用系數(shù)[2]。

針對楊莊水庫所存在的年內(nèi)提水流量、揚(yáng)程和水位變幅均較大的客觀情況，所選擇的水泵揚(yáng)程均值必須能保證其在265 m 工況下運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率性，以使單位能耗達(dá)到最小水平。在確定工況點(diǎn)計(jì)算時(shí)，借助圖解法以及水泵特性曲線、泵站管路特性曲線的交點(diǎn)從而進(jìn)行工作點(diǎn)流量、揚(yáng)程、效率及軸功率等參數(shù)[3]確定。

楊莊水庫提水泵站初選水泵性能參數(shù)及配套電機(jī)基本參數(shù)見表3 和表4。

表3 主提水泵站水泵及配套電動(dòng)機(jī)表

表4 各加壓泵站水泵及配套電動(dòng)機(jī)表

5 結(jié)論

通過本文分析表明，對于漲落速度不超過2.0 m/h，庫水位變幅在10 m～60 m 范圍內(nèi)且河床穩(wěn)定的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用浮船式泵站取水方式，既能優(yōu)化工程布置，節(jié)省投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，又能縮短工期，使提水泵站工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益及早發(fā)揮，對于揚(yáng)程較高的情況還能實(shí)施一級提水，提升水泵運(yùn)行效率，降低能耗。在考慮楊莊水庫提水泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程的情況下采用了浮船式一級提水，因與長軸深井泵相比，多級臥式離心泵在各揚(yáng)程工況下的效率均較高，故該提水泵站運(yùn)行后可節(jié)省電量47 萬kW·h/a，按照工程所在地工業(yè)用電收費(fèi)水平，年節(jié)省電費(fèi)額約29.4 萬元，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。