淺談移動式取水泵站設(shè)計與應(yīng)用

奚蘭美

（江蘇河海給排水成套設(shè)備有限公司，江蘇泰州 225403）

在江河湖泊或山區(qū)水庫邊建造汲水泵站，傳統(tǒng)辦法是先圍堰筑壩，將圍堰區(qū)域內(nèi)的水全部抽干，建造泵房，再安裝水泵、閥門、管路、控制等。其特點是：①施工周期長，圍堰工作量大，費用高；②泵房造價高，水位落差越大，泵房造價越高；③因取水口固定在低水位以下，取出的水永遠(yuǎn)是底層的原水，泥砂含量較高；④進(jìn)水管一直沉在水底，如遇污物堵塞，無法發(fā)現(xiàn)且清理困難；⑤泵站建設(shè)時對環(huán)境影響大，安全系數(shù)低。

為了克服傳統(tǒng)汲水泵站建造使用時存在的缺點，針對不同特殊取水要求，研發(fā)出現(xiàn)了移動式取水泵站。移動式取水泵站適合在江、河、湖泊、水庫邊汲水，制造簡單方便，周期短，造價低；取水效率高，水質(zhì)好，安全可靠；不受水位變化、漲落頻率變化等因素的影響。主要應(yīng)用作為自來水廠、電廠、化工廠、生物制藥廠、造紙廠、水利灌溉、礦場等工程的永久性取水設(shè)施及各類大型工程建設(shè)時的臨時取水設(shè)施。

移動式取水泵站是個系統(tǒng)工程，涉及到船舶、電氣、給排水、高低壓控制系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)、防腐學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)等多門專業(yè)?，F(xiàn)以武凱迪綠色能源開發(fā)有限公司1×30 MW機(jī)組配套的移動式取水泵站為例，闡述移動式取水泵站的設(shè)計、性能等方面的技術(shù)。

1 移動式取水泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計

武漢凱迪電廠的泵站取水水源為湘江干流祁陽段，取水口位于廠區(qū)東面，湘江西岸。取水口河岸現(xiàn)為沙場，該河段含沙量較小。取水口河段的設(shè)計洪水位為85.26 m（P=2%），取水口斷面枯水位為68.76 m（P=97%）；水流最大流速為2 m/s。

根據(jù)以上工況，我公司為該項目設(shè)計了長14 m、寬6 m、深1.3 m的泵船。移動式取水泵船平面布置見圖1。

圖1 移動式取水泵船平面布置圖

泵船主要有船體3、泵房11、搖臂輸水管12、懸臂梁4組成。在船體泵房內(nèi)安裝了兩臺水泵5，一用一備，在水泵的進(jìn)水端安裝真空引水罐9，通過吸水彎管2從河中吸水，吸水彎管的外圍裝有攔污柵罩1，防止水中漂浮物進(jìn)入吸水管，在水泵的出口端裝電動蝶閥6和微阻緩閉止回閥7。第一次啟動泵前，先關(guān)閉電動蝶閥，開啟真空引水罐的注水管和溢流管的閥門，向真空引水罐內(nèi)注入清水，隨注入水位升高筒內(nèi)和泵體內(nèi)空氣逐漸被排出，當(dāng)真空引水罐溢流管口有水流出時將溢流口和注水管的閥門關(guān)閉。然后啟動水泵，打開電動蝶閥，水泵抽吸水筒的儲水，隨著筒內(nèi)水位的下降，空間容積不斷增大，因真空引水罐處于密閉狀態(tài)，此時罐內(nèi)壓強(qiáng)下降，形成負(fù)壓，隨著水的不斷外排，筒內(nèi)真空度增高，當(dāng)液面下降達(dá)到一定的負(fù)壓后，在大氣壓作用下吸水彎管下的水不斷地被吸入筒內(nèi)，水泵開始正常工作。當(dāng)水泵發(fā)生故障不能工作時，由于水壓的作用水會倒流，微阻緩閉止回閥關(guān)閉，將消除水錘對水泵的影響。在搖臂輸水管的兩邊安裝了懸臂梁，可抵抗水流、風(fēng)浪對泵船的推力，泵船通過旋轉(zhuǎn)套筒15與搖臂輸水管連接，搖臂輸水管通過旋轉(zhuǎn)支座16與岸主支墩相連。當(dāng)河內(nèi)水位升降時，水對船體向上、向下的推動力帶動搖臂輸水管沿岸邊支墩軸上下擺動，實現(xiàn)移動式取水泵站隨著水位漲落而自動升降，水泵與吸水口的位置始終保持不變。最高和最低水位移動泵站橫剖面見圖2。

圖2 最高和最低水位浮動泵站橫斷面圖

2 設(shè)計移動式取水泵站的注意事項

2.1 移動式取水泵站取水位置的選擇

移動式取水泵站取水雖有較強(qiáng)的適應(yīng)性，位置選擇不像固定式取水構(gòu)筑物那樣要求嚴(yán)格，但如位置選擇不當(dāng)，同樣會給供水安全、運(yùn)行管理帶來不良的后果。在確定移動式取水泵站取水位置時，除應(yīng)選擇滿足河岸較為穩(wěn)定、沒有嚴(yán)重的沖刷或淤積，并能保證取得所需要的水量和良好的水質(zhì)，離用水單位近，施工方便等一些基本條件外，尚應(yīng)注意以下幾點：

（1）河岸坡度要適宜。主要是指位于洪水位以下既不過緩、也不太陡的河岸。坡度過緩會增加搖臂輸水管的長度，當(dāng)搖臂輸水管長達(dá)到50 m時，則不適宜用1根搖臂輸水管；坡度過陡雖可縮短搖臂輸水管的長度，但也會給移船操作、上下交通及搖臂輸水管施工帶來困難，工人上下船操作管理很不方便。河床中有突出河底的礁石等障礙物處，不宜選作移動式取水泵站取水位置。

（2）水流要求平穩(wěn)，應(yīng)避開大的洄流、急流和大風(fēng)浪區(qū)。在大洄流區(qū)，洪水期有大量漂浮物聚集，易堵塞吸水頭，廢水在洄流區(qū)也不易排走，水質(zhì)不良，同時也常有泥沙沉積，影響取水。急流區(qū)，流速大，浮船不易錨固，易被漂木、行船碰撞，常發(fā)生纜索被撞斷，船體被撞壞、沖走等事故。因此，取水位置宜選在水流平穩(wěn)、河道平直的河段上。

（3）不受江河航行、放筏的影響。移動式取水泵站位置要與航道保持一定距離，以免相互碰撞。

（4）枯水期間應(yīng)有足夠的水深。水深應(yīng)根據(jù)浮船噸位、吃水深度確定。對于一般浮船水深最好為2 m或更大些，如水深不足，稍有淤積，浮船將會擱淺。因此，在決定浮船取水所在位置的水深時，應(yīng)充分考慮到淤積情況和沖淤變化，設(shè)計水深應(yīng)留有余地。

2.2 搖臂輸水管的計算

一般情況下，搖臂輸水管較長，自重大，受力復(fù)雜，必須進(jìn)行強(qiáng)度與剛度計算。如不能滿足設(shè)計要求，就須加固。加固后，按新的組合斷面重新復(fù)核。

搖臂輸水管可按簡支梁的公式計算。

作用于搖臂輸水管的載荷，一般考慮以下7項，并應(yīng)根據(jù)搖臂輸水管的具體使用條件進(jìn)行組合運(yùn)算：

（1）垂直方向均布荷載，如：搖臂輸水管自重、水重。

（2）水平方向均布荷載，如：風(fēng)力、水流對搖臂輸水管的作用力。

（3）加速附加應(yīng)力，即：在風(fēng)浪的作用下，船體突然起伏產(chǎn)生的加速對搖臂輸水管造成慣性作用而產(chǎn)生的一種彎曲應(yīng)力。

（4）管內(nèi)水壓力。

（5）船受風(fēng)浪、水流作用產(chǎn)生的推拉力，當(dāng)錨纜失效且風(fēng)向、水流方向與搖臂輸水管一致時，作用于搖臂輸水管的力為風(fēng)力與水流作用阻力之和。

（6）船體縱向顛簸產(chǎn)生的扭矩，其值等于套筒接頭的摩擦力矩。

（7）活動荷載，聯(lián)絡(luò)管作為交通或考慮檢修時的活荷載。

搖臂輸水管最大撓度計算公式：

式中：

f—搖臂輸水管最大撓度，cm；

q—單位長度荷載，kg/cm；

L—搖臂輸水管長度，cm；

E—彈性模量，kg/cm2，對于鋼E=2.1×106kg/cm2；

J —慣性力矩，cm4；

［f］—允許撓度，cm。

對于加固后的J值應(yīng)按加固后的整個截面計算，允許撓度［f］為L/200～L/300。

2.3 運(yùn)行平衡問題

搖臂輸水管和懸臂梁均布置在靠岸邊一側(cè)，上水時必然產(chǎn)生不平衡，所以在臨水側(cè)，必須設(shè)置平衡壓載艙，依靠灌注水來保持平衡。

2.4 移動式取水泵站的錨固形式

錨固設(shè)施應(yīng)根據(jù)取水河段地形地質(zhì)、水文條件（如流速、風(fēng)浪、水位變幅及漲落速度、有無洄流等）及航行等因素確定。錨固一般分為岸邊主搖臂及輔助懸臂、岸邊系留與船艏艉拋錨、岸邊系留與船艏艉拋錨增設(shè)角錨3種形式：

（1）岸邊主搖臂及輔助懸臂，適用于水庫上的小型浮船，風(fēng)速及水流速度較小的情況。

（2）岸邊系留與船艏艉拋錨，適用于水面較寬對航行影響較小的河段，可適應(yīng)浮船向岸邊或江心移動，操作方便。

（3）岸邊系留與船艏艉拋錨增設(shè)角錨，適用于水流湍急，水面寬闊，岸邊平坦，浮船停泊位置距岸較遠(yuǎn)又不影響航行的河段。其錨固可靠，但布置復(fù)雜，一般較少采用。

3 移動式取水泵站的優(yōu)點

通過對不同工況移動式取水泵站的設(shè)計、應(yīng)用實踐，總結(jié)出移動式取水泵站有以下優(yōu)點：

（1）適用于江、河、湖泊邊的各種取水工程，水位漲落變化時，浮動泵站隨著水位漲落而自動升降，水泵與吸水口的位置始終保持不變；水泵吸水口一直保持在液面以下1～2 m的位置，取出的水泥砂含量低，污物少。

（2）不論取水口是否需具備通航條件，都能建造浮動泵站。

（3）泵站穩(wěn)性提高，滿足三倉進(jìn)水泵站不沉的設(shè)計理念。

（4）與土建泵房相比，無需圍堰施工，工程進(jìn)度加快，工期縮短，造價降低（水位落差越大，造價節(jié)省越明顯），且施工簡單、安全，對周邊環(huán)境影響小。

（5）解決了固定泵站進(jìn)水管埋在水底易堵塞且難清理的問題。

（6）安全設(shè)施齊全，使用放心可靠。

（7）配備起吊設(shè)施，檢修保養(yǎng)方便。

（8）搖臂接頭密封可靠，轉(zhuǎn)動靈活。