引黃濟(jì)臨供水工程水力機(jī)械設(shè)計(jì)和運(yùn)行

胡斌超，劉有亮，王開喜

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省臨夏州引黃濟(jì)臨供水工程主要任務(wù)是解決臨夏市城鄉(xiāng)生產(chǎn)生活用水，年供水量4970萬(wàn)m3。工程由劉家峽水庫(kù)提水，輸水至臨夏市新莊水廠、北塬區(qū)和肖家水廠，設(shè)計(jì)流量1.95m3/s，總提水揚(yáng)程約456m，輸水管線總長(zhǎng)40.5km。工程區(qū)地處隴西黃土高原西北部，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫、山巒起伏，管線布置受地形限制，采用水泵加壓和重力有壓相結(jié)合的輸水方式。

水力機(jī)械設(shè)計(jì)主要參考現(xiàn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1-3]和國(guó)內(nèi)外類似工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，本文主要介紹了主泵選型、豎井泵房設(shè)備布置、輸水控制及安全防護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

1 工程布置

工程輸水系統(tǒng)主要由取水樞紐、梯級(jí)泵站、輸配水管線、凈水廠等組成[4]。取水樞紐布設(shè)于劉家峽水庫(kù)蓮花碼頭東側(cè)500m處，主干管經(jīng)一級(jí)和二級(jí)泵站加壓輸水至出水池，再以重力流輸水至馮家臺(tái)分水點(diǎn)。之后分為兩支，一分干重力流輸水至新莊水廠，再通過(guò)北塬一級(jí)和二級(jí)泵站加壓分水至北塬區(qū)。二分干沿北濱河路重力流輸水至東郊公園，再經(jīng)二分干泵站加壓輸水至肖家水廠。工程輸水系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 工程輸水系統(tǒng)示意圖

2 泵站加壓輸水工程

2.1 泵站設(shè)計(jì)參數(shù)

工程共設(shè)有5座泵站，其中主干管線起始端設(shè)置2座梯級(jí)泵站，北塬管線設(shè)置2座泵站，二分干管線末端設(shè)置1座泵站。泵站設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 泵站設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 主泵選型

2.2.1 水泵型式

各級(jí)泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程在61～144m之間，水泵型式均選定為臥式雙吸離心泵，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高且高效區(qū)寬、運(yùn)行維護(hù)方便。

2.2.2 主泵臺(tái)數(shù)與運(yùn)行方式

在提水揚(yáng)程和流量一定時(shí)，機(jī)組臺(tái)數(shù)越多，調(diào)度靈活性越好，同時(shí)由于臺(tái)數(shù)的增加，設(shè)備投資增加，泵房加大，工程總投資加大；機(jī)組臺(tái)數(shù)少，備用機(jī)組容量增大，但土建工程量減小，工程總投資減小。

一級(jí)泵站和二級(jí)泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程相近，輸水流量相同，級(jí)間無(wú)分流，為滿足泵站級(jí)間配合的要求，在泵型選擇中需保持主泵臺(tái)數(shù)及提水流量一致。綜合考慮工程投資、水泵裝置效率、長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用、運(yùn)行調(diào)度等因素，2泵站均裝機(jī)4臺(tái)，設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)3臺(tái)工作、1臺(tái)備用。

根據(jù)泵站總揚(yáng)程和輸水流量，選定北塬一級(jí)、北源二級(jí)和二分干泵站均裝機(jī)3臺(tái)，設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)2臺(tái)工作、1臺(tái)備用。

2.2.3 流量調(diào)節(jié)

劉家峽水庫(kù)水位變幅較大，一級(jí)臨庫(kù)泵站揚(yáng)程范圍為61.7～93.5m，水位變化時(shí)引起水泵出水量偏離設(shè)計(jì)值。一級(jí)和二級(jí)泵站輸水管道長(zhǎng)度相差較大，分別為11.8和2.9km，導(dǎo)致兩級(jí)泵站在流量變化時(shí)的管道損失揚(yáng)程差異較大，當(dāng)輸水流量在1.95～0.325m3/s之間調(diào)節(jié)時(shí)易引起級(jí)間不平衡。

二分干泵站輸水管道較長(zhǎng)，前池和出水池均不具備調(diào)蓄能力，水泵的運(yùn)行方式受末端用戶的制約較大。

為滿足泵站級(jí)間匹配和流量調(diào)節(jié)要求，上述3座泵站水泵機(jī)組均選用變頻調(diào)節(jié)[5]。

北塬一級(jí)和二級(jí)泵站輸水量較小，出水池均具有一定的調(diào)蓄能力。

2.2.4 選定機(jī)組參數(shù)和泵站運(yùn)行工況

選定機(jī)組參數(shù)見表2，典型運(yùn)行工況如圖2(一級(jí))和圖3(北塬一級(jí))所示。

2.3 泵站水錘防護(hù)設(shè)計(jì)

工程各級(jí)泵站揚(yáng)程較高，壓力管道較長(zhǎng)，在泵站事故失電時(shí)水泵最高升壓和最高反轉(zhuǎn)速度均較大，管路中多處出現(xiàn)水柱斷裂。根據(jù)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算成果，采用以下防護(hù)措施[6]：①一級(jí)、二級(jí)和二分干泵站水泵出口裝設(shè)2階段關(guān)閉液控止回偏心半球閥，北塬一級(jí)和二級(jí)泵站水泵出口裝設(shè)多功能水泵控制閥；②各泵站出水總管設(shè)置壓力波動(dòng)預(yù)止閥；③工程輸水管道沿線設(shè)置空氣閥。主要防護(hù)成果見表3。

表2 選定機(jī)組參數(shù)

圖2 一級(jí)泵站運(yùn)行工況

圖3 北塬一級(jí)泵站運(yùn)行工況

表3 泵站水錘防護(hù)成果

2.4 泵房設(shè)備布置

工程各泵站主泵均采用負(fù)吸程安裝，除一級(jí)泵站外，均采用矩形干室型泵房，泵房?jī)?nèi)機(jī)組一列式布置。

一級(jí)臨庫(kù)泵站采用圓形(豎井式)干室型泵房，主泵房井深約25m。為減小泵房尺寸，節(jié)省工程投資，機(jī)組采用雙列交錯(cuò)式布置，泵組旋轉(zhuǎn)方向2臺(tái)順時(shí)針，2臺(tái)逆時(shí)針。一級(jí)泵站設(shè)備布置如圖4所示。

圖4 一級(jí)泵站設(shè)備布置

3 重力有壓輸水工程

3.1 重力有壓輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

主干輸水管線在二級(jí)泵站出水池后，以重力流輸水至馮家臺(tái)分水點(diǎn)，之后一分干重力流輸水至新莊水廠，二分干重力流輸水至二分干泵站。重力有壓輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 重力有壓輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 重力有壓輸水控制防護(hù)設(shè)備選擇

3.2.1 末端控制閥

工程重力流管線生產(chǎn)運(yùn)行中調(diào)節(jié)流量時(shí)，均采用末端控制閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免關(guān)閉上游閥門造成局部管道拉空和明滿流交替現(xiàn)象，引起管道水錘破壞。

根據(jù)管線布置特點(diǎn)，一分干重力有壓輸水管道末端壓差較小，設(shè)置調(diào)節(jié)型蝶閥做為末端控制閥。

二分干重力有壓輸水管道接入泵站前池，壓差變化較大，直接影響前池水位和水泵運(yùn)行工況。當(dāng)設(shè)計(jì)流量輸水時(shí)管道末端壓差較小，采用調(diào)節(jié)型蝶閥控制；小流量輸水時(shí)末端壓差較大，采用小口徑隔膜式數(shù)字控制調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行流量和壓力調(diào)節(jié)。2閥并聯(lián)設(shè)置，根據(jù)閥前壓力值自動(dòng)切換。在設(shè)計(jì)流量關(guān)閥時(shí)，調(diào)流調(diào)壓閥亦配合調(diào)節(jié)型蝶閥開啟、關(guān)閉，以保證系統(tǒng)安全。

3.2.2 管道沿線設(shè)備

重力流輸水管道根據(jù)地形情況，主要采用復(fù)合式空氣閥來(lái)解決流量調(diào)節(jié)和充水放空過(guò)程中的局部水力波動(dòng)。各段長(zhǎng)輸水管道均設(shè)置有檢修閥和放空閥，并分段設(shè)置了流量和壓力量測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.3 重力流水錘防護(hù)

本工程重力有壓輸水管線距離較長(zhǎng)且起伏較大，選定的主要防護(hù)方案為：優(yōu)化末端控制閥的動(dòng)作規(guī)律，并在沿線布設(shè)空氣閥[7]。經(jīng)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算，各管線最大水錘壓力滿足規(guī)范規(guī)定，均無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生。主要計(jì)算成果見表5。

表5 重力有壓輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)成果

4 通水聯(lián)調(diào)

4.1 充水

工程輸水管線總長(zhǎng)40.5km，充水流速按0.3～0.4m/s控制，管網(wǎng)總體充水原則為：從上游到下游、先主干管后分干管、依次逐級(jí)順序進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)沿線空氣閥的排氣狀態(tài)觀察，以及現(xiàn)場(chǎng)壓力和流量監(jiān)測(cè)記錄，實(shí)際充水過(guò)程與設(shè)計(jì)充水要求基本一致。操作程序如下。

4.1.1 主干管線充水

主干單管充水流量控制在0.33m3/s左右，啟動(dòng)一級(jí)泵站1臺(tái)變頻泵，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使水泵以穩(wěn)定充水流量向管道充水。當(dāng)二級(jí)泵站前池到設(shè)計(jì)水位時(shí)，啟動(dòng)二級(jí)泵站1臺(tái)變頻泵充水至出水池。本段充水時(shí)長(zhǎng)共約14h。

打開二級(jí)泵站出水池旁通充水閥向主干重力流管道充水，當(dāng)分水點(diǎn)處壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力(0.55MPa)時(shí)，本段充水時(shí)長(zhǎng)約2h。

4.1.2 分水點(diǎn)至一、二分干管線充水

打開一分干旁通充水閥進(jìn)行充水，當(dāng)管道末端壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力(0.23MPa)時(shí)，調(diào)節(jié)型蝶閥投入自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)新莊水廠水位自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度。本段充水時(shí)長(zhǎng)約4h。

打開二分干旁通充水閥向重力流管道充水，當(dāng)管道末端壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力(0.46MPa)時(shí)，調(diào)流調(diào)壓閥和調(diào)節(jié)型蝶閥投入自動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)二分干泵站前池水位自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度。本段充水時(shí)長(zhǎng)約6h。

啟動(dòng)二分干泵站1臺(tái)變頻泵以0.15m3/s的流量向管線充水，當(dāng)肖莊水廠水池到設(shè)計(jì)水位時(shí)，本段充水時(shí)長(zhǎng)約7h。

4.1.3 北塬管線充水

啟動(dòng)北塬一級(jí)泵站1臺(tái)水泵，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，保持以0.06m3/s的流量向管線充水。當(dāng)北塬二級(jí)泵站前池到設(shè)計(jì)水位時(shí)，啟動(dòng)北塬二級(jí)泵站1臺(tái)泵，保持以0.04m3/s的流量充水至蓄水池。北塬管線充水時(shí)長(zhǎng)約6h。

4.1.4 開啟出口沖洗管道

全線充水完畢后，沖洗流量按管道流速0.8m/s控制。

4.1.5 全線通水帶壓實(shí)驗(yàn)

當(dāng)管道出口水質(zhì)達(dá)到要求后，將出口關(guān)閉，進(jìn)行24h全線通水帶壓實(shí)驗(yàn)。

4.2 啟動(dòng)運(yùn)行

(1)首先開啟一級(jí)泵站第1臺(tái)水泵，二級(jí)泵站及之后泵站的前池水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位后，開啟二級(jí)泵站第1臺(tái)水泵。在開啟后監(jiān)測(cè)各水池水位的變化，適當(dāng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，保持流量平衡。

(2)觀察啟泵之后的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)壓力流量等參數(shù)恒定時(shí)，再準(zhǔn)備開啟第2臺(tái)水泵，間隔不少于60s。

(3)正常運(yùn)行中，水泵的啟停和變頻調(diào)節(jié)根據(jù)輸水量要求及水池水位進(jìn)行控制。各泵站前池水位異常變化時(shí)及時(shí)調(diào)節(jié)各梯級(jí)泵站水泵工作流量，保證上、下游泵站之間的流量匹配。

(4)一分干和二分干重力流采用末端控制閥調(diào)節(jié)流量，其開度根據(jù)水池液位自動(dòng)控制。

(5)重力流管線末端閥門關(guān)閉時(shí)，均采用勻速關(guān)閉。雙管運(yùn)行時(shí)，先關(guān)閉一根管道閥門，再關(guān)閉第二根管道閥門，間隔不少于60s。

(6)短期停水時(shí)，關(guān)閉管道末端閥門，保持輸水管道的滿流狀態(tài)。

5 設(shè)計(jì)思考和總結(jié)

引黃濟(jì)臨供水工程于2016年9月進(jìn)行調(diào)試通水并投入初期運(yùn)行，對(duì)工程的跟蹤觀測(cè)結(jié)果表明，目前系統(tǒng)輸水平穩(wěn)，設(shè)備運(yùn)行正常，調(diào)節(jié)性能良好，總體滿足預(yù)期目標(biāo)。水力機(jī)械主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。

(1)工程輸水流量受末端用戶制約，變幅較大，在保證梯級(jí)泵站主泵選型滿足基本臺(tái)數(shù)和流量匹配的前提下，水泵電動(dòng)機(jī)組采用了變頻調(diào)節(jié)，不僅解決了流量調(diào)節(jié)和級(jí)間銜接問(wèn)題，而且高效節(jié)能。

(2)一級(jí)臨庫(kù)泵站布置型式為圓形(豎井式)干室型泵房，主泵房井深約25m，泵房?jī)?nèi)機(jī)組采用雙列交錯(cuò)式布置，節(jié)省了占地面積。

(3)泵站水錘防護(hù)設(shè)施動(dòng)作靈敏，維護(hù)方便，運(yùn)行安全可靠。重力有壓系統(tǒng)控制防護(hù)設(shè)計(jì)采用蝶閥和調(diào)流調(diào)壓閥并聯(lián)運(yùn)行方式，兼顧了流量調(diào)節(jié)、輸水安全和工程投資的要求。

(4)長(zhǎng)距離輸水工程在初期調(diào)試時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄與目標(biāo)參數(shù)的比對(duì)，實(shí)時(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，為工程長(zhǎng)期運(yùn)行積累經(jīng)驗(yàn)。