柳林縣薛家坪村二級(jí)泵站設(shè)計(jì)

韓婧，高昌珍

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

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柳林縣薛家坪村二級(jí)泵站設(shè)計(jì)

韓婧，高昌珍*

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：為了充分發(fā)揮泵站工程在農(nóng)田灌溉中的作用，根據(jù)“蓄、引、提相結(jié)合，機(jī)、電、水合理匹配，排灌、供水、發(fā)電多功能綜合利用，大、中、小站合理布局”的規(guī)劃原則,運(yùn)用泵站工程設(shè)計(jì)原理，選定了4臺(tái)SLOW250-610×2AT型雙級(jí)雙吸離心泵，得出了：水泵安裝高程為856.0 m，水泵運(yùn)行工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為210.00 m，對(duì)應(yīng)流量為340.0 L·s(-1),壓力管路壁厚為18 mm，確定了泵房和進(jìn)出水池的布置型式及尺寸。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田灌溉；二級(jí)泵站；設(shè)計(jì)

The design of the second stage pump station in Xue Jiaping village of Liu Lin county

Han Jing，Gao Changzhen*

(CollegeofEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801，China)Abstract:In order to exert the function of pumping station project in the irrigation, according to the planning principles, which were the combination of storage、guide and lift，the reasonable matching of engine、electricity and water，the multi-functional comprehensive utilizations of irrigation and drainage、water supply and power generation as well as the rational distribution of large stations、middle stations and little stations, by using the principle of the pumping station project design，we selected four SLOW250-610×2AT Double Double suction centrifugal pumps，and obtained the pump installation height of 856.0 meters、pump working point corresponding to the head of 210.00 meters 、the flow rate of 340.0 L·s-1and pressure pipe wall thickness of 18 mm. The pump room and in and out of pool’s type and size were also determined.

Key words:Farm irrigation; The secondary pump station; Design

泵站工程是運(yùn)用水泵機(jī)組傳輸轉(zhuǎn)換能量[1]，以實(shí)現(xiàn)排水灌溉或補(bǔ)給水源的水利工程。尤其是大型泵站工程，在區(qū)域性[1]的灌溉、除澇、調(diào)水和供水中承擔(dān)著重要任務(wù)[2],在國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和全面建設(shè)小康社會(huì)中占有非常重要的地位[3]。柳林縣薛家坪提黃泵站工程位于黃河干流上，取水口位于柳林縣孟門鎮(zhèn)薛家坪村上游約110 m。為了充分發(fā)揮泵站工程的作用，針對(duì)該泵站的工程特點(diǎn)，就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算設(shè)計(jì)。

1工程概況

該灌溉工程由提水工程和灌溉工程兩部分組成。提水工程由取水零級(jí)泵站、一級(jí)泵站、二級(jí)泵站、輸水管道及其附屬建筑物組成，沿線共設(shè)二級(jí)站，5座出水池，加壓輸水管線長11.35 km(一級(jí)站6.13 km，二級(jí)站5.22 km)，有壓重力輸水管線長11.3 km，管道沿線設(shè)置排氣閥井、排水閥井、檢修閥井、流量計(jì)井等建筑物。

灌溉工程由管道及配套建筑物組成，管道一共設(shè)立為二級(jí)，均為固定式，其中干管總長約為11.3 km，四片灌溉泵站供水管路總長約為5.07 km(均由原始勘探資料提供)。

2二級(jí)泵站工程地質(zhì)條件

二級(jí)泵站輸水線路上的泵站和出水池均位于黃土地區(qū)，所以工程地質(zhì)為黃土地基處理，各泵站站址均無地下水影響。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)得出本工程等級(jí)為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型[4]。建筑物級(jí)別如下：提水泵站為3級(jí)建筑物，輸水線路為3級(jí)建筑物，次要建筑物為4級(jí)[5，6]。

工程地質(zhì)勘察工作按國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[6]，巖石總體走向呈南北向，向西緩傾斜，傾角較小，巖層產(chǎn)狀近水平狀。

3水泵選型

3.1確定設(shè)計(jì)揚(yáng)程和設(shè)計(jì)流量

由原始設(shè)計(jì)資料可得二級(jí)泵站供水設(shè)計(jì)流量[7]Q=0.75 m3·s-1。根據(jù)理論公式[7]：

H=H凈+H損

(1)

實(shí)際中可將公式轉(zhuǎn)化為[7]：

H=(1+0.1)H凈

(2)

式中：H凈表示進(jìn)、出水池設(shè)計(jì)水位差(其中進(jìn)、出水池設(shè)計(jì)水位由勘探資料提供)，即工業(yè)園區(qū)方向1 053.0-858.0=195 m；二片灌區(qū)方向1 060.0-858.0=202 m，則H凈取其中間值即可；H損—管路水頭損失,取為0.1H凈(此項(xiàng)是根據(jù)單泵流量范圍，查水泵進(jìn)口直徑與流量對(duì)照表查出管道直徑范圍，再對(duì)照管路水頭損失估計(jì)表得出)，則H=1.1×201.00=221.10 m。

3.2確定水泵型號(hào)和臺(tái)數(shù)

根據(jù)泵站的設(shè)計(jì)流量0.75 m3·s-1和設(shè)計(jì)揚(yáng)

程221.10 m，選用SLOW型雙級(jí)雙吸中開式離心泵(使用范圍：流量240～1 550 m3·s-1，揚(yáng)程9～140 m)；查閱水泵資料[7]中的水泵性能參數(shù)得：SLOW150—570×2與SLOW250—610×2AT兩種泵型均符合要求。

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)流量，主泵臺(tái)應(yīng)選3～8臺(tái)，由公式：

(3)

得：SLOW250—610×2AT型泵n=0.75/0.25=3，取3臺(tái)。兩種泵型方案性能主要從經(jīng)濟(jì)、安全和效率三個(gè)方面進(jìn)行水泵選型。

從上述三方面得出：本設(shè)計(jì)采用3臺(tái)SLOW250—610×2AT型泵這一方案，而且由此方案對(duì)流量調(diào)節(jié)作用比較好，可以不設(shè)備用機(jī)組。

3.3確定水泵安裝高程

參照水泵廠家資料[8]，查出水泵氣蝕余量[△h]值，根據(jù)理論公式計(jì)算水泵安裝高程[8]。

▽安=▽進(jìn)+[h吸]

(4)

(5)

式中：▽進(jìn)表示進(jìn)水池最低水位；h吸表示水泵允許吸上高度；H大氣表示水池水面高程對(duì)應(yīng)的大氣壓力；P汽/r表示工作水溫時(shí)的汽化壓力；[△h]表示水泵必需汽蝕余量；h吸表示吸水管路的損失。

根據(jù)計(jì)算，依照泵站地形情況及供水保證率的要求，確定各泵站水泵安裝高程(如表1)所示。

表1　泵站水泵安裝高程

3.4電機(jī)設(shè)備選型與配套

當(dāng)水泵選定后，由于水泵必須在動(dòng)力機(jī)的帶動(dòng)下工作，除泵廠已有的配套動(dòng)力機(jī)外，還需要選定合適的動(dòng)力機(jī)。

一般情況下，灌溉排水泵站常用的動(dòng)力機(jī)是電動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)，由于站址附近有10 kV電力線路，因此選擇電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力機(jī)。

由表2和表3可得：二級(jí)站(工業(yè)園區(qū)方向)泵站總裝機(jī)2 700 kW，2片灌區(qū)方向泵站總裝機(jī)900 kW。

表2　水泵的選擇

表3　電動(dòng)機(jī)的選擇

4泵房設(shè)計(jì)

泵站的廠房一般由主廠房、副廠房和檢修間三部分組成，主廠房主要布設(shè)主機(jī)組；副廠房布設(shè)電器設(shè)備；檢修間用于檢修機(jī)組及電氣設(shè)備。泵房布置主要包括這三部分相對(duì)位置的確定及其內(nèi)部的布設(shè)。

4.1泵房結(jié)構(gòu)型式

泵房分為固定式和浮動(dòng)式，固定式泵房又可按基礎(chǔ)及水下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為分基型、干室型、濕室型和塊基型四種型式。對(duì)于北方地區(qū)，主要采用分基型和干室型兩種[9]。

臥式離心泵選用的泵房型式應(yīng)根據(jù)理論公式[10]：

H效吸=▽安-Ζ1-Ζ2-▽進(jìn)

(6)

式中：Z1表示水泵基準(zhǔn)面至底座間距離，取0.85 m；Z2表示水泵基礎(chǔ)高出機(jī)坑地面高度，取0.45 m；則H效吸=6-0.85-0.45=4.7 m。

再根據(jù)理論公式[10]：

水源水位變幅：

△H=水源最高運(yùn)行水位-最低運(yùn)行水位

(7)

式中：水源最高運(yùn)行水位858.0 m，最低運(yùn)行水位854.0 m；則△H=4.0m

因此泵房結(jié)構(gòu)選負(fù)值進(jìn)水的分基型泵房。

4.2內(nèi)部設(shè)備布置

4.2.1主機(jī)組布置

為了減小泵房長度與進(jìn)水池寬度，減少工程量，本設(shè)計(jì)有四臺(tái)水泵，故采用一列布置，即主機(jī)組位于同一條直線上，布設(shè)整齊且廠房跨度小。查資料[7]得：采用4臺(tái)套機(jī)組單列布置(如圖1)。主機(jī)組間總長為22.5 m。其中，軸向總長度3.9 m，設(shè)備頂端至墻面凈距0.75 m，設(shè)備頂端間凈距1.8 m。

圖1　主機(jī)組平面布置圖Fig.1　The arrangement plan of major unit

4.2.2輔助設(shè)備布置

包括副廠房、檢修間、排水槽、工作通道、起重機(jī)等設(shè)施。

(1)副廠房：副廠房分為高壓開關(guān)室、低壓配電室、啟動(dòng)室和中控室(見圖2)，由于所需面積較大，此設(shè)計(jì)在主廠房的平行側(cè)。其中高壓開關(guān)室放置高壓變電柜，需8臺(tái)高壓柜(G)和1臺(tái)主控柜(C)；低壓配電室需變壓器1臺(tái)(ZB)和低壓柜5臺(tái)(P)；

圖2　副廠房平面圖Fig.2　The floor plan of deputy factory

啟動(dòng)室需變頻器1臺(tái)(BP)和軟啟動(dòng)柜3臺(tái)(RQ)；中控室需中控臺(tái)1個(gè)、地控單元柜1臺(tái)(LUC)、空氣開關(guān)柜(B)2臺(tái)、直流電柜(ZL)2臺(tái)、單向電流柜1臺(tái)(DD)、SCP柜1臺(tái)和TX柜1臺(tái)(如圖2)。

(2)檢修間：電動(dòng)機(jī)拆卸所需軸向長度為1.71×2=3.42 m，在四周留0.7 m便于活動(dòng)，實(shí)際所需面積為(3.42+2×0.7)2=23.23 m2。其跨度與主廠房跨度一致，取6 m，布置于泵房內(nèi)。

(3)排水槽：地面明溝排水，沿各主管線繞主機(jī)組基礎(chǔ)布置，以1%的底坡坡向大溝槽。

(4)通道：泵房內(nèi)主要通道寬1.5 m，布置：泵房的出水側(cè)，并與泵房兩端的配電間、檢修間接通；工作便道寬0.9 m，布置于泵房的進(jìn)水側(cè)，并與配電間、檢修間用踏步梯連接。

(5)起重設(shè)備：6 t電動(dòng)雙軌吊車。

4.3泵房尺寸擬定

4.3.1泵房平面尺寸確定：

(1) 長度L[10]:L=L機(jī)組+L間距+L檢

其中：機(jī)組總長度為3.9×4+1.8×3=21 m，機(jī)組與廠方兩側(cè)的間距為1.5+0.75+0.75=3 m，檢修間、安裝間開間為6 m，則

L=21+3+6=30 m。

(2) 跨度B[10]：

b=b0+b1+b2+b3+b4+b5+b6+b7+b8+b9+b10

其中：b0為電動(dòng)閘閥長，為0.46 m；b1為偏心漸縮接管長，為0.56 m；b2為水泵寬，為1.2 m；b3為排水溝槽寬，為0.3 m；b4為同心漸擴(kuò)接管長，為0.58 m；b5為伸縮接頭，為0.37 m；b6為液控止回閥，為0.25 m；b7為傳力接頭，為0.37 m；b8為電動(dòng)閘閥，為0.41 m；b9為漸縮管距墻的距離，取2.0 m；b10為電動(dòng)閘閥距墻的距離，取2.0 m；B=8.51 m，則根據(jù)單層工業(yè)廠房建筑B=9.0 m(如圖3)。

4.3.2泵房立面尺寸確定

立面尺寸包括主機(jī)間地面、主通道地面與房頂?shù)瓤刂聘叱?。水泵的安裝高程確定后，泵房內(nèi)各部分高程在此基礎(chǔ)上可相應(yīng)定出。

(1)主機(jī)間地面高程▽安取854.5 m；

(2)主廠房工作通道地面高程▽道與副廠房、檢修間地面齊平。由公式[11]：

(8)

式中：▽安為水泵安裝高程，為856.0 m；h1為電纜溝與出水管立交凈間距，為0.10 m；h2為電纜溝高度，考慮壁厚5 cm，為0.8 m；D為出水管路直徑，為0.5 m。

則▽道=857.15 m?？紤]管壁厚度等因素，取857.20 m。

(3)泵房外地面高程[11]：

▽地=▽道-h散水

(9)

式中：▽道表示主廠房工作通道地面高程；h散水表示散水在地面的高度，本設(shè)計(jì)取0.2 m。

(4)泵房頂高程由檢修間地面至房頂間凈高度來確定。泵房高度H由起重設(shè)備控制，用下式[12]計(jì)算：

H=h1+h2+h3+h4+h5

(10)

式中，h1為大型板車高度，取1.1 m；h2為板車面至最高吊物底的凈距離，為3.34 m；h3為吊索垂直尺寸，取水泵軸向尺寸的0.85倍，為1.62 m；h4為吊鉤至屋架底梁間距，為0.62 m；h5為泵房頂?shù)搅洪g的距離，為1.57 m；則H=8.26 m，取8.3 m。

圖3　泵房的平面尺寸Fig.3　Plane dimension of the pump room

5進(jìn)出水池建筑物

5.1進(jìn)水池(同一級(jí)泵站出水池)

進(jìn)水池是水泵或進(jìn)水管直接從中取水的水工建筑物，布置在前池和泵房之間。型式和尺寸應(yīng)滿足水泵吸水性能好、機(jī)組運(yùn)行安全、維修方便和工程造價(jià)低的原則。

5.1.1型式

采用直徑為18 m的圓形進(jìn)水池[7]。

5.1.2尺寸確定

(1)池頂高程[13]：

▽頂=▽max+h超

(11)

式中：▽max表示進(jìn)水池最高水位，本設(shè)計(jì)為858.00 m；h超表示安全超高，取1.7 m；

則：▽頂=858.00+1.7=859.7 m，取860.00 m。

(2)池底高程[14]：

▽底=▽min-(h1+h2)

(12)

式中：▽min表示進(jìn)水池最低運(yùn)行水位，本設(shè)計(jì)為857.7 m；h1表示進(jìn)水管中心線到最低運(yùn)行水位距離，取5.05 m；h2表示進(jìn)水管中心線到池底距離，取0.75 m；

則：▽底=857.7-(5.05+0.75)=851.9 m。

5.2出水池

二級(jí)站出水池由2片灌區(qū)出水池和高位出水池組成。其中，2片灌區(qū)出水池為D=18 m、H=8 m的圓形出水池，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池底高程1 054.0 m，基礎(chǔ)和墊層共厚1.0 m，邊墻厚0.4～0.5 m，設(shè)計(jì)水位1 060.0 m；高位出水池(4個(gè))尺寸為D=18 m、H=8 m的圓形出水池，4個(gè)池子相互連通，采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，池底高程1 047.0 m，基礎(chǔ)和墊層共厚1.0 m，邊墻厚0.4～0.5 m，設(shè)計(jì)水位1 053.0 m[15]。

6設(shè)計(jì)結(jié)果

為了更好地把當(dāng)?shù)靥崴托钏嘟Y(jié)合、農(nóng)業(yè)提灌和工業(yè)供水相結(jié)合、電力提灌和水能開發(fā)相結(jié)合，充分發(fā)揮水資源的綜合效益，通過對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)基本參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)資料的分析研究，按照《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》等設(shè)計(jì)手冊(cè)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)成果主要有：

(1)由設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程，選定4臺(tái)SLOW250-610×2AT型雙級(jí)雙吸離心泵；

(2)水泵的安裝高程設(shè)定為856.0 m；

(3)水泵運(yùn)行工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程為210.00 m，對(duì)應(yīng)流量為340.0 L·s-1；

(4)確定了泵房的布置型式和尺寸，及進(jìn)出水池的型式和尺寸；

設(shè)計(jì)選型滿足泵站設(shè)計(jì)規(guī)范，泵站效率達(dá)到有關(guān)要求，設(shè)計(jì)基本合理。

參考文獻(xiàn)

[1]張旭.中國泵站工程的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2002，12(4)：210-211.

[2]劉光臨.中國泵站工程50年的建設(shè)與發(fā)展[J].中國農(nóng)村水利水電，1999(10):5-7.

[3]孫惠蘭.陽泉市娘子關(guān)供水二期工程一級(jí)泵站方案優(yōu)化[J].山西水利科技，2002(1):36-39.

[4]長江水利委員會(huì)長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)(SL 252—2000)[S].北京：龍門書局出版社，2000.

[5]中國水利水電研究院.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(SL 203—97)[S].北京：中國電力出版社，2001.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2001)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[7]中華人民共和國水利部.泵站設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T 50265—97)[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[8]成立.泵站水流運(yùn)動(dòng)特性及水力性能數(shù)值模擬研究[D].河海大學(xué)，2006.

[9]段正忠，李援農(nóng).灌溉泵站設(shè)計(jì)參數(shù)的確定及水泵選型[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2008,19(5):78-80.

[10]李智，劉波波.單級(jí)泵站不同機(jī)組流量分配的優(yōu)化研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2015,13(4):691-707.

[11]姜乃昌.泵站工程[W].北京：中國建筑工業(yè)出版社(第5版)，158.

[12]匡科，袁永欽.西江引水工程泵站的設(shè)計(jì)[J].中國給水排水，2012,28(20):1-4.

[13]沈繼華，張少華，馬東亮，等.南水北調(diào)東線第一期工程泵站設(shè)計(jì)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2005(1):39-43.

[14]史超.萬家寨引黃工程總干二級(jí)泵站接地系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)分析[J].山西水利，2015(8):38-39.

[15]王剛.泵站進(jìn)、出水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)方法研究[D].揚(yáng)州大學(xué)，2012.

(編輯：李曉斌)

中圖分類號(hào)：S274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)04-0294-05

基金項(xiàng)目：山西省農(nóng)業(yè)科技推廣示范行動(dòng)(SNJTGSFXD201203)

作者簡介：韓婧(1988-)，女(漢)，山西長治，在讀碩士，研究方向：農(nóng)田水利工程*通訊作者：高昌珍，教授，碩士生導(dǎo)師，tel：13835401815，E-mail：497470495@qq.com

收稿日期：2016-01-13修回日期：2016-01-21