已運(yùn)行水庫(kù)中新建提水泵站機(jī)組選型研究

鄭錄艷，黃正財(cái)，范小娟，楊 超

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

貴州省三岔河引子渡提水工程擬從已運(yùn)行的引子渡電站水庫(kù)取水(水庫(kù)總庫(kù)容5.31億m3，引子渡電站裝機(jī)為36萬(wàn)kW)，經(jīng)泵站加壓后輸至受水區(qū)。本工程的主要特點(diǎn)在于：①泵站是從已建并投入運(yùn)行的水庫(kù)取水；②泵站提水流量(8100m3/h)大、提水揚(yáng)程(總揚(yáng)程284.79m)高。本工程位于貴州省中部的平壩縣境內(nèi)，擬從三岔河引子渡水庫(kù)庫(kù)區(qū)右岸大寨村附近新建泵站從庫(kù)內(nèi)提水至雞場(chǎng)壩埡口的高位水池，然后自流進(jìn)入秀洞河，經(jīng)由秀洞河自流入石朱橋水庫(kù)后進(jìn)入紅楓湖。取水泵站站址距離引子渡水庫(kù)大壩約10km，位于主河道右側(cè)，工程布置如圖1所示。

圖1 工程布置示意圖

在本工程中水泵是心臟，其選型是否合理直接影響到工程的安全和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)泵站選型進(jìn)行分析研究[1-3]。依據(jù)本工程特點(diǎn)，綜合考慮水下施工對(duì)水庫(kù)建筑物的影響、施工難度、施工風(fēng)險(xiǎn)、水泵機(jī)組產(chǎn)品的成熟度、機(jī)組運(yùn)行可靠性等因素，對(duì)泵站進(jìn)行選型。

2 泵站基礎(chǔ)資料

本工程新建泵站基礎(chǔ)資料見(jiàn)表1。

表1 泵站基礎(chǔ)資料

3 布置方案選擇

本工程取水水庫(kù)為已建并投入運(yùn)行的引子渡電站水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容達(dá)5.31億m3，引子渡電站裝機(jī)為36萬(wàn)kW。取水總流量為8100m3/h、提水總揚(yáng)程284.79m，水庫(kù)為已建成電站庫(kù)區(qū)，電站及水庫(kù)規(guī)模大，布置方案選擇應(yīng)盡量降低對(duì)已建工程建筑物影響和運(yùn)行影響。

根據(jù)泵站規(guī)模，可選機(jī)型有臥式離心泵和長(zhǎng)軸深井泵。

(1)采用臥式離心泵布置于地下泵站，取水泵站站址基礎(chǔ)為P1m灰色中厚至厚層塊狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，溶溝溶槽發(fā)育，產(chǎn)狀較平緩，巖體透水性較強(qiáng)，存在以下幾個(gè)不利因素：①引子渡庫(kù)區(qū)為已建成電站水庫(kù)，水位較高，地下廠房開(kāi)挖過(guò)程易產(chǎn)生透水等施工風(fēng)險(xiǎn)，且后期運(yùn)行時(shí)，廠房邊墻受外水壓力較大，對(duì)結(jié)構(gòu)要求高；②泵站取水隧洞需采用巖塞爆破施工，施工難度大，且地下廠房需在巖塞爆破前施工完成，使得巖塞爆破對(duì)泵站混凝土結(jié)構(gòu)造成不利影響；③地下廠房通風(fēng)、采光、交通等運(yùn)行條件差。故不推薦臥式離心泵布置于地下泵站的布置型式。

(2)采用臥式離心泵布置于浮船泵站，選址困難：①站址位于三岔河河道右岸水跳崖支流匯口時(shí)，匯口段長(zhǎng)約300m，寬度50～100m，水庫(kù)消落水深度較大，河道較窄、坡度較陡，不宜布置浮船泵站；②站址位于主河道匯口以上時(shí)，河道寬度約150m，水庫(kù)有航道要求，因此也不宜布置浮船泵站；③站址位于主河道匯口下游時(shí)，河道寬度約300～500m，岸坡穩(wěn)定性較差，已有局部滑坡，因此也不宜布置浮船泵站。

(3)采用長(zhǎng)軸深井泵布置于岸邊排架式廠房，需對(duì)河床基礎(chǔ)進(jìn)行樁基施工，水庫(kù)水位變幅大，河床地質(zhì)條件復(fù)雜，存在以下不利因素：①地下結(jié)構(gòu)開(kāi)挖前需進(jìn)行灌漿減少滲漏，岸邊地形坡度對(duì)巖體防滲灌漿施工不利；②巖塞爆破取水口低于水庫(kù)淤沙高巖塞爆破施工難度大。

(4)采用長(zhǎng)軸深井泵布置于拱橋式泵站可以避免出現(xiàn)上述布置方式中出現(xiàn)的各種不利因素，因此設(shè)計(jì)方案結(jié)合地形、地質(zhì)條件，在匯口內(nèi)側(cè)布置拱式結(jié)構(gòu)作為泵站基礎(chǔ)，采用長(zhǎng)軸深井泵提水。

4 提水方案的選擇

本工程提水總揚(yáng)程為284.79m(含水損)，提水總流量為8100m3/h，

我們鄉(xiāng)下有個(gè)習(xí)慣，計(jì)算時(shí)間不是論鐘點(diǎn)，而是論黑白。這是從先祖那里繼承來(lái)的。先祖這么分自有他們的道理，因?yàn)樵纠咸鞝斁桶讶伺砂滋熘粫?huì)用身體干活，夜里才能用腦子做夢(mèng)想事情的動(dòng)物。你不見(jiàn)人類(lèi)所有重大的事情都是在夜里完成的，包括傳宗接代？但是我們這些進(jìn)城打工的年輕人卻把陰陽(yáng)顛倒了。工廠里三班倒。要是早班和晚班還好，那樣白天睡覺(jué)晚上干活，腦子都被冰涼的鐵器占據(jù)著，不敢有半點(diǎn)差錯(cuò)?？梢前装嗄蔷碗y受了。五點(diǎn)半下班，吃完飯，躺在“煙箱子”里的床上緩過(guò)力氣，坐起來(lái)抽幾棵煙，搓搓腳泥，就閑得慌了。

(1)采用單級(jí)取水。泵站可能選布置方式拱橋式泵房設(shè)置長(zhǎng)軸泵方案。

(2)采用分級(jí)取水。一級(jí)泵站可能選布置方式拱橋式泵房設(shè)置長(zhǎng)軸泵，二級(jí)泵站采用地面式泵房設(shè)置臥式離心泵。

針對(duì)“單級(jí)提水方案”和“兩級(jí)提水方案”，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見(jiàn)表2。

從表2可以看出：①單級(jí)提水總投資30420萬(wàn)元，兩級(jí)提水總投資25528萬(wàn)元，分級(jí)提水投資較?。虎趩渭?jí)提水方案中單泵流量1350m3/h、揚(yáng)程達(dá)到284.79m，類(lèi)似工程的業(yè)績(jī)極少，產(chǎn)品不夠成熟，分級(jí)提水方案產(chǎn)品相對(duì)成熟一些；③另外由于水庫(kù)水位變幅較大，水泵下井深度達(dá)到42m，機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大，采用分級(jí)提水方式，降低機(jī)組容量一定程度上可降低運(yùn)行中軸系穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，工程采用分級(jí)提水的布置方式。一級(jí)泵站名稱(chēng)為穿洞泵站，二級(jí)泵站名稱(chēng)為楓香田泵站。

表2 提水方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)分級(jí)方案的選擇，本工程二級(jí)取水泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為107.50m，二級(jí)泵站布置方式、機(jī)組選型上沒(méi)有什么條件限制，選擇地面泵房布置4臺(tái)機(jī)臥式離心泵，配套電機(jī)功率為1120kW，為常規(guī)成熟產(chǎn)品，故本文僅對(duì)一級(jí)穿洞泵站選型進(jìn)行詳細(xì)描述。

5 穿洞泵站機(jī)型選擇

5.1 機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇

根據(jù)分級(jí)方案的選擇，本工程一級(jí)取水泵站揚(yáng)程范圍為141.43～177.79m，提水總流量為8100m3/h，下井深度42m，水泵臺(tái)數(shù)選擇需要考慮水泵制造水平并結(jié)合供水水量變化要求綜合考慮，在滿足兩者的前提下，宜盡量減少臺(tái)數(shù)，降低運(yùn)行成本。根據(jù)上述要求，工作泵臺(tái)數(shù)可初步考慮5和6臺(tái)2種方案，對(duì)應(yīng)單泵流量分別為1620 和1350m3/h。根據(jù)規(guī)范要求2種方案均設(shè)置2臺(tái)備用泵，見(jiàn)表3。

表3 機(jī)組臺(tái)數(shù)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由表3看出，2個(gè)方案投資懸殊不大，方案2單機(jī)容量達(dá)1250kW，根據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)軸深井泵單機(jī)功率能達(dá)到這種規(guī)模的業(yè)績(jī)極少[4-5](應(yīng)用統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表4)。本泵站流量大、揚(yáng)程高且下井深度較長(zhǎng)，考慮泵房水泵機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行因素本階段考慮水泵機(jī)組臺(tái)數(shù)推薦方案一，即6用2備方案。

表4 國(guó)內(nèi)部分大型長(zhǎng)軸深井泵的應(yīng)用統(tǒng)計(jì)

5.2 機(jī)組參數(shù)確定

結(jié)合布置方案、分級(jí)方案及供水規(guī)模，一級(jí)泵站選定的長(zhǎng)軸深井泵，泵房共設(shè)8臺(tái)(6用2備)長(zhǎng)軸深井泵，內(nèi)雙列布置，每列布置4臺(tái)。單泵設(shè)計(jì)流量為1350m3/h，揚(yáng)程范141.43～177.79m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為 177.29m。最大軸功率為874.51kW，取備用系數(shù)1.1[6]，計(jì)算配套電機(jī)功率為961.96kW，取標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)為1000kW。

為提高水泵效率，葉輪合理分級(jí)也非常重要，單機(jī)葉輪比轉(zhuǎn)數(shù)ns在90～210之間效率較優(yōu)[7]。本工程初擬分為3級(jí)，單級(jí)葉輪比轉(zhuǎn)速ns=156～186。機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 機(jī)組性能參數(shù)

5.3 提高泵站運(yùn)行可靠性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本工程單泵流量1350m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程177.29m，配套立式電機(jī)功率1000kW，下井深度42m。目前國(guó)內(nèi)同等規(guī)模長(zhǎng)軸深井泵甚少，為提高機(jī)組運(yùn)行可靠性主要從以下兩個(gè)方面入手。

5.3.1軸系穩(wěn)定

本工程單泵流量大，提水程高的同時(shí)下井深度較大，所以軸系穩(wěn)定性[8-11]直接影響機(jī)組運(yùn)行可靠性。為了提高軸系穩(wěn)定性，考慮采用以下措施：①在水泵頂部設(shè)可靠性較高的知名品牌推力軸承，使得水泵具備較高的自平衡能力，不將力傳遞給電機(jī)；②水泵主軸分段鏈接，各分段軸采用套筒聯(lián)軸器，而不是常規(guī)的螺紋聯(lián)接；③傳動(dòng)構(gòu)件采用彈性膜片式聯(lián)軸器，傳動(dòng)軸與泵軸剛性聯(lián)接，整個(gè)軸系與聯(lián)軸系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)動(dòng)態(tài)平衡試驗(yàn)驗(yàn)證；④水泵在啟動(dòng)之前， 應(yīng)進(jìn)行葉輪軸向間隙調(diào)整，并且要對(duì)傳動(dòng)軸導(dǎo)軸承進(jìn)行澆水預(yù)先潤(rùn)滑，以減少摩擦阻力便于機(jī)組啟動(dòng)[12]。

5.3.2揚(yáng)水管抗風(fēng)穩(wěn)定

水庫(kù)水位變幅較大，水泵下井深度較大，泵站位于埡口地形，故水泵揚(yáng)水管在低水位時(shí)的抗風(fēng)穩(wěn)定性至關(guān)重要，因此在每臺(tái)主泵揚(yáng)水管外設(shè)有護(hù)管，并在主拱下部布置折線拱對(duì)水泵護(hù)管進(jìn)行約束(如圖2所示)，考慮到結(jié)構(gòu)承載能力，水泵護(hù)管重量由上部主拱承擔(dān)，下部折線拱僅提供水平約束，護(hù)管穿過(guò)折線拱部分采用柔性材料填充鋼管與開(kāi)孔之間的間隙，護(hù)管之間用工字鋼焊接在一起以增強(qiáng)穩(wěn)定性。

圖2 穿洞泵站立面圖

6 結(jié)語(yǔ)

(1)在已運(yùn)行水庫(kù)中新建提水泵站，主要原則為：保證新建提水泵站供水功能；盡量減小其對(duì)已運(yùn)行水庫(kù)的結(jié)構(gòu)影響、運(yùn)行影響。

(2)本工程新建提水泵站具有流量大、揚(yáng)程高的特點(diǎn)，取水點(diǎn)位于已運(yùn)行大型水電站庫(kù)區(qū)。設(shè)計(jì)選型時(shí)泵房型式為拱橋式泵房，水泵型式為長(zhǎng)軸深井泵，避免對(duì)已運(yùn)行水庫(kù)建筑物結(jié)構(gòu)的影響、最大限度的減少水下施工對(duì)水庫(kù)運(yùn)行的影響。

(3)拱橋式泵房長(zhǎng)軸深井泵下井深度較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)提出增加軸系穩(wěn)定及揚(yáng)水管抗風(fēng)穩(wěn)定等具體解決措施。

本文以貴州省三岔河引子渡提水工程為例，對(duì)已運(yùn)行水庫(kù)中新建大型提水泵站機(jī)組選型、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行研究，為類(lèi)似工程泵站設(shè)計(jì)提供了很好的借鑒。