山西潞安樹脂廠供水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張其軍，沈金娟，吳建華

（1.山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

山西潞安樹脂有限責(zé)任公司20萬t/年離子膜燒堿、20萬t/年聚氯乙烯項(xiàng)目是經(jīng)山西省發(fā)展和改革委員會(huì)批準(zhǔn)的項(xiàng)目。該項(xiàng)目供水規(guī)模為750萬m3/年，年供水時(shí)間按8 000 h計(jì)算，生活污水排放量為220 m3/h。經(jīng)過對(duì)該地區(qū)的水資源論證，工程引水水源確定為位于長(zhǎng)治市郊區(qū)和屯留縣境內(nèi)的漳澤水庫。本優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方案根據(jù)現(xiàn)有的工程資料及實(shí)測(cè)的帶狀和局部地形資料而完成的。該研究針對(duì)該工程的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行幾個(gè)方案的技術(shù)論證和分析，初步確定了工程主要技術(shù)要點(diǎn)和技術(shù)方案，對(duì)未來系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)、依據(jù)等別和防洪標(biāo)準(zhǔn)

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

供水規(guī)模：年供水量為750萬t/a，年運(yùn)行時(shí)間：8 000 h；供水保證率：95%。

供水點(diǎn)預(yù)留水頭20 m；管道中心標(biāo)高925.80 m。

1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50265—97）；《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013—2006）。

1.3 工程等別和標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》SL252-2000，按照供水對(duì)象重要程度為中等，確定該泵站為中型泵站，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物引渠、泵站廠房、供水線路為3級(jí)，其他次要建筑物為4級(jí)，臨時(shí)建筑物為5級(jí)。

1.4 防洪標(biāo)準(zhǔn)

（1）泵站主要建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。

（2）輸水管線及建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

1.5 地震設(shè)防烈度

根據(jù)《建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》及附圖、《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB18306—2001）圖A1與《中國地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖（GB18306—2001）圖B1，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。工程區(qū)地震基本烈度為6度，相應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為6度。

2 工程布置的優(yōu)化

依據(jù)上述的特征參數(shù)要求，考慮到該工程的具體安全運(yùn)行要求，本研究對(duì)供水系統(tǒng)的主要技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化研究，以其為工程的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支持。

2.1 供水管線布置

2.1.1 供水管材選擇

有壓輸水管道目前國內(nèi)常用的管材種類很多，從管材材質(zhì)類型來看，用于工業(yè)供水的管材大致可分為剛性管材和柔性管材兩大類，其中剛性管材主要有鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）等，柔性管材主要有給水用聚乙烯（PE）管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料加砂管（RPMP，即玻璃鋼管）等。剛性管材一般抗外壓性能較好，但價(jià)格較高；柔性管材造價(jià)較低，但抗外壓性能較差。因此，柔性管材一般多用于自壓或低揚(yáng)程輸水工程，對(duì)于泵壓輸水管道由于管內(nèi)壓力波動(dòng)較為頻繁，會(huì)影響其可靠性。因此，首要的問題是該研究對(duì)剛性管材進(jìn)行比較研究。以下通過市場(chǎng)調(diào)查和水力計(jì)算，對(duì)于輸水管道的管材比較分析見表1、表2。

表1 有壓輸水管道管材技術(shù)性能比較

表2 有壓輸水管道管材造價(jià)比較

從以上比較可以看出，3種管材由于均屬于剛性管材，各項(xiàng)技術(shù)性能差距不大，而鋼管在抗外壓、抗水錘等方面有較明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于鋼管接頭采用焊接，其抗?jié)B能力以及抵抗地基不均勻變形能力均優(yōu)于采用承插接口的其他兩種管材，但造價(jià)明顯高于其他兩種管材?？紤]到本工程供水線路穿過多處城鎮(zhèn)密集地區(qū)及交通道路，受外界環(huán)境的影響較大；同時(shí)，由于沿線基本上都處在煤礦采空區(qū)，管道地基發(fā)生不均勻沉陷的可能性較大，需要管道有較高的適應(yīng)性。因此，可選用鋼管作為剛性管材的推薦管材。

2.1.2 供水方案及管徑的優(yōu)化選型

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》，工業(yè)供水輸水管道不宜少于兩條，當(dāng)有安全調(diào)節(jié)蓄水池或其他安全供水措施時(shí)，也可設(shè)一條。由于本工程的水源是用水戶的唯一水源，而且要求供水保證率高，因此，采用單管或雙管方案的主要區(qū)別就是是否設(shè)置調(diào)節(jié)蓄水池，以滿足管線事故搶修或正常檢修要求時(shí)的正常供水需要，兩方案的工程措施和運(yùn)行條件有明顯的不同。

（1）單管方案。輸水管線設(shè)一條，其管徑按照滿足設(shè)計(jì)流量的要求確定為DN630 mm，同時(shí)在供水點(diǎn)設(shè)調(diào)節(jié)蓄水池。調(diào)節(jié)蓄水池的容積按照滿足管線停水2天的用水量確定，約為4.1萬m3。水量調(diào)節(jié)方式為：在正常運(yùn)行期間，管道一方面向用水戶正常供水，另一方面將調(diào)節(jié)水池充滿水，待管線因事故或正常檢修需要停水時(shí)（停水時(shí)間不超過2天），由蓄水池繼續(xù)供水。

（2）雙管方案。輸水管線設(shè)兩條，其每條管管徑按照滿足70%設(shè)計(jì)流量的要求確定為DN500mm，即在一條管停水時(shí)，另一條管可按設(shè)計(jì)流量的70%應(yīng)急供水。供水點(diǎn)調(diào)節(jié)蓄水池的容積可按照滿足調(diào)節(jié)日用水量不均勻變化的要求確定，為2000m3。

（3）方案優(yōu)選。在大量的水力計(jì)算的基礎(chǔ)上，兩方案的管線、調(diào)節(jié)水池的投資見表3。

表3 單雙管方案投資比較表（單位：萬元）

從表3可以看出，在考慮調(diào)蓄工程投資的情況下，雙管方案的工程投資要略低于單管方案，而且單管方案還需要建設(shè)容積較大的調(diào)節(jié)水池，增加了工程占地，從而增加了建設(shè)成本，而且也增加了運(yùn)行管理的難度。因此，本工程擬采用雙管方案輸水。

2.1.3 水力機(jī)械的選型優(yōu)化

供水泵站位于距供水點(diǎn)9 km的漳澤水庫岸邊903高程，泵站提水后經(jīng)兩根DN500地埋聚乙烯（簡(jiǎn)稱PE管）輸水至樹脂廠廠區(qū)。泵站設(shè)計(jì)特征參數(shù)：設(shè)計(jì)取水位896.09m，最低取895.69 m；出水管中心高程925.80 m，出口要求剩余水頭20.00 m；泵站地形揚(yáng)程40.353 m（按最低取水位同時(shí)加剩余水頭計(jì)算）；泵站設(shè)計(jì)流量0.28 m3/s，出水總管長(zhǎng)度8 050 m，在以上測(cè)量成果的基礎(chǔ)上，泵型、機(jī)組臺(tái)數(shù)及水泵工作點(diǎn)的優(yōu)化方案如下：根據(jù)泵站設(shè)計(jì)特征參數(shù)，經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定泵型采用已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的定型水泵設(shè)備?？紤]運(yùn)行方式的要求，以及泵站運(yùn)行靈活、管理方便的要求，選取用3臺(tái)工作機(jī)組，兩工一備。

表4 水泵電機(jī)機(jī)性能參數(shù)表

水泵選用單級(jí)雙吸離心泵，水泵型號(hào)250S-65。水力機(jī)械水泵電機(jī)性能參數(shù)見表4。

根據(jù)泵站的流量和出水壓力管道長(zhǎng)度、直徑，計(jì)算水泵工作點(diǎn)。機(jī)組進(jìn)、出水管徑為DN350和DN300，出水總管為兩根DN500的鋼管，總長(zhǎng)8 050 m。

3 優(yōu)化成果的合理性檢驗(yàn)

按照相關(guān)的規(guī)范要求，在大量計(jì)算的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)優(yōu)化成果以計(jì)算機(jī)模擬的方式進(jìn)行了驗(yàn)算，在計(jì)算確定各個(gè)工況點(diǎn)時(shí)，采用圖解法，利用水泵特性曲線和泵站管路特性曲線交點(diǎn)求得水泵運(yùn)行工作點(diǎn)流量、揚(yáng)程、效率及軸功率。在計(jì)算過程中采用計(jì)算機(jī)編程。

3.1 計(jì)算模型

式中：H：水泵的工作揚(yáng)程，m；

HST：水泵的凈揚(yáng)程，m；

Σh：各管段水頭損失之和，m；

h：管路的水頭損失，m；

Σhe：各管段沿程摩阻水頭損失，m；

Σhm：各局部阻力水頭損失，m；

he：沿程摩阻水頭損失，m；

Qj，Q：計(jì)算流量，m3/s；

A：管道的比阻，m；

D：管道直徑，m；

L：管路長(zhǎng)度，m；

ξ：局部阻力系數(shù)，m；

v：管中水流速度，m/s。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行工作點(diǎn)的計(jì)算

計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 水泵工作點(diǎn)計(jì)算結(jié)果表

考慮水泵廠家制造工藝差別，揚(yáng)程增加5%～10%裕量，確定正常運(yùn)行工況下水泵流量為0.13 m3/s、揚(yáng)程為62 m。由于本工程水質(zhì)含沙量較高，實(shí)際運(yùn)行時(shí)軸功率會(huì)比計(jì)算值偏高，為了避免機(jī)組運(yùn)行時(shí)發(fā)生電動(dòng)機(jī)超載，配套電機(jī)功率取160 kW。

4 系統(tǒng)運(yùn)行安全防護(hù)措施的選擇

依據(jù)《泵站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)事故停泵時(shí),其瞬態(tài)特征參數(shù)：最高壓力不應(yīng)超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍，離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。由于本項(xiàng)目供水管線較長(zhǎng)，為了防止系統(tǒng)突然斷電時(shí)，機(jī)組倒轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)組部件造成破壞，在水泵的出水管上安裝液控制止回半球閥，作為水泵事故水錘防護(hù)閥。當(dāng)停機(jī)時(shí)或斷電時(shí)分兩段關(guān)閉，能有效地防止破壞性水錘，將倒轉(zhuǎn)速度限制在規(guī)定范圍內(nèi)，止回閥規(guī)格為DN300，PN1.0MPa。

5 結(jié)論

該研究針對(duì)供水工程的供水管材、供水方案、管徑及水力機(jī)械等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了選型優(yōu)化比較，并進(jìn)行了技術(shù)論證和分析，初步確定了工程主要技術(shù)要點(diǎn)和技術(shù)方案，對(duì)類似工業(yè)供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及未來系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。