壺關(guān)縣八泉峽供水工程泵站機(jī)電設(shè)備選配

武志蘭

（壺關(guān)縣水利局，山西 壺關(guān)047300）

1 工程概況

壺關(guān)縣八泉峽供水工程的水源工程為八泉峽水庫(kù)，位于壺關(guān)縣橋上鄉(xiāng)橋上村上游約4 km的八道水河上，流域控制面積75.7 km2，流域平均坡度50‰，流域平均寬度5.3 km，流域主河道長(zhǎng)度11.9 km，流域特征值1.1。

水庫(kù)通過修建攔河壩、提水泵站及相關(guān)輸水設(shè)施，將水提引至壺關(guān)縣城，以滿足城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水需求。供水工程設(shè)計(jì)的需水指標(biāo)，主要包括農(nóng)村飲水安全工程需水約70萬m3左右、發(fā)展鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)年預(yù)期需水1 200萬m3、節(jié)水灌溉工程預(yù)期年需水量約230萬m3，總計(jì)需水量為1 500萬m3。

由于八泉峽水庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容僅為62.29萬m3，防洪（汛期）限制水位為882.50 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇（P=0.5%），校核洪水位為891.50 m，最大泄流量為1 450.55 m3/s，總庫(kù)容為205.99萬m3，調(diào)洪庫(kù)容為62.29萬m3；設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇（P=3.33%），設(shè)計(jì)洪水位為889.4 m，最大泄流量為1 009.25 m3/s，攔洪庫(kù)容為47.24萬m3。

2 水文分析

2.1 流域降雨情況

工程區(qū)地處晉東南地區(qū)，該區(qū)受東南亞季風(fēng)影響顯著，形成了較為明顯的大陸性氣候。夏季東南亞季風(fēng)盛行，暖濕氣團(tuán)北移，直接影響該區(qū)，使降雨量集中在6～8月，占全年降水量的60%～70%；冬季受西北氣流控制，氣候干冷，雨水較少。該區(qū)年平均氣溫6℃～8℃，無霜期150～180 d，年平均蒸發(fā)量（20 cm口徑蒸發(fā)器）約1 700 mm。

根據(jù)距工程區(qū)最近的橋上雨量站1954—2005年52年實(shí)測(cè)逐月降雨量資料統(tǒng)計(jì)，工程所在區(qū)域多年平均降雨量為655.7 mm，其中汛期（7～9月）多年平均降雨量430.0 mm，約占年降雨量的65.58%。最大年降雨量1 422.7 mm（1975年），最小年降雨量250.9 mm（1986年），最大值與最小值分別為平均值的2.17倍和0.38倍，極值比達(dá)到5.67。

2.2 徑流

八泉峽供水工程項(xiàng)目區(qū)攔河壩址以上河道來流主要包括兩部分，其中主要為上游八道泉水來流，河道一年四季清水不斷，流量穩(wěn)定、均勻，年際變化不大，年內(nèi)分配均勻，此外還有一部分由汛期（6～9月）降水產(chǎn)生的洪水入流，但較泉水來流相比，洪水入流的來流量占年水量比例較小，約為17%左右。

八泉峽供水工程項(xiàng)目區(qū)，多年平均入庫(kù)徑流量為2 601萬m3，多年平均入庫(kù)流量為0.82 m3/s。其中，多年平均清水入庫(kù)徑流量為2 171萬m3，多年平均清水入庫(kù)流量為0.69 m3/s，占到多年平均總來水量的83%；多年平均洪水入庫(kù)徑流量為429萬m3，多年平均洪水入庫(kù)流量為0.13 m3/s，占到多年平均總來水量的17%。經(jīng)徑流頻率計(jì)算后，得到八泉峽水庫(kù)不同頻率年入庫(kù)徑流量，成果見表1。

表1 不同頻率年入庫(kù)徑流量成果表

在前述計(jì)算的基礎(chǔ)上，從32年徑流系列中選取了頻率P=10%、P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的5個(gè)典型代表年，分別為1975年、1977年、1985年、1997年、2001年，并進(jìn)行了徑流年內(nèi)分配計(jì)算。

2.3 洪水

八泉峽供水工程區(qū)，暴雨歷時(shí)集中，一日降雨占三日降雨的70%左右。洪水和暴雨一致，主要發(fā)生在7、8月份，且工程壩址位于太行山區(qū)峽谷地段，河道坡度較陡，匯流時(shí)間短，因此洪水峰型一般為陡漲陡落、尖瘦型的過程線。

八泉峽供水工程攔河壩控制流域面積62.8 km2，無實(shí)測(cè)洪水資料，本次計(jì)算依據(jù)1991年版《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》進(jìn)行，其中匯流分析中以推理公式法，配合概化過程線，推求設(shè)計(jì)洪水流量過程線，并輔以水文比擬法、經(jīng)驗(yàn)公式法等，對(duì)設(shè)計(jì)洪峰流量成果作合理性分析。

在經(jīng)過對(duì)《手冊(cè)》計(jì)算成果的合理性分析之后，選取推理公式法計(jì)算成果作為本次設(shè)計(jì)洪水成果，設(shè)計(jì)洪水成果參見表2。

表2 不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果表

2.4 泥沙

本次計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式，推求得到八泉峽水庫(kù)多年平均入庫(kù)懸移質(zhì)，含沙量為2.58 kg/m3，多年平均入庫(kù)懸移質(zhì)輸沙量為6.71萬t，按照0.20的推懸比，估算出八泉峽水庫(kù)多年平均入庫(kù)推移質(zhì)輸沙量為1.34萬t。

3 泵站機(jī)電設(shè)計(jì)

3.1 泵站基本參數(shù)

在95%供水設(shè)計(jì)保證率下，八泉峽提水泵站最大抽水流量（抽水規(guī)模）應(yīng)為0.5 m3/s，本次泵站設(shè)計(jì)即參照此值確定規(guī)模。

八泉峽一級(jí)泵站特征水位，站下水位變幅范圍844.0～882.5 m，站上出池設(shè)計(jì)水位1 225.5 m。泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程343～381.5 m，泵站設(shè)計(jì)流量0.5 m3/s。

芳岱二級(jí)泵站站下設(shè)計(jì)水位1 209.0 m；站上出池設(shè)計(jì)水位1 488.0 m。泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程279.0 m，泵站設(shè)計(jì)流量0.5 m3/s。

3.2 水泵工作點(diǎn)計(jì)算

計(jì)算原理根據(jù)水泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，對(duì)壓力輸水管道進(jìn)行管路損失計(jì)算。根據(jù)所求得管路損失加凈揚(yáng)程，計(jì)算出總揚(yáng)程，繪制Q-h需管路特性曲線，參考泵型樣本給定的Q-H特性曲線，求取水泵在不同運(yùn)行工況下的工作點(diǎn)參數(shù)。

各級(jí)泵站泵后壓力管道為鋼管，內(nèi)襯為涂塑PE，根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50013-2006)，采用海曾－威廉公式計(jì)算管路損失，公式如下：

式中：Q——流量，m3/s；

L——管道總長(zhǎng)度，m；

D——道總管道內(nèi)徑，m；

Cw——海曾－威廉粗糙系數(shù)，取值140。

水泵工作點(diǎn)計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

表3 八泉峽一級(jí)泵站水泵工作點(diǎn)計(jì)算成果表

表4 芳岱二級(jí)泵站水泵工作點(diǎn)計(jì)算成果表

3.3 水泵臺(tái)數(shù)選擇

根據(jù)工程供水任務(wù)以及供水規(guī)模，考慮工程運(yùn)行的靈活性，投資的經(jīng)濟(jì)性并類比同類型工程，本階段每座提水泵站均選用4臺(tái)同型號(hào)機(jī)組，設(shè)計(jì)工況為3工1備?？紤]到八泉峽一級(jí)泵站站下水位變幅大，為保證水泵在水位變幅內(nèi)均能安全高效運(yùn)行，保證用戶供水流量。八泉峽一級(jí)泵站4套水泵電動(dòng)機(jī)組，設(shè)置4套變頻調(diào)速裝置。二級(jí)泵站揚(yáng)程變幅小，但考慮到用戶需水過程的不確定性，以及梯級(jí)加壓泵站間流量匹配的需要，為芳岱二級(jí)站4套水泵電動(dòng)機(jī)，設(shè)置1套變頻調(diào)速裝置。

3.4 泵站運(yùn)行方式

（1）一級(jí)站運(yùn)行既要滿足適應(yīng)站下水位變幅，又要考慮調(diào)節(jié)流量配水。二級(jí)站水位變幅小，開機(jī)臺(tái)數(shù)一定時(shí)供水流量較為穩(wěn)定，但要適應(yīng)用戶對(duì)不同流量的需求及梯級(jí)加壓泵站的級(jí)間流量匹配的需要。

適應(yīng)站下水位變幅運(yùn)行方式，一級(jí)泵站正常運(yùn)行期站下水位變幅大，為泵站設(shè)置4套變頻調(diào)速裝置，從而保證一級(jí)站無論在設(shè)計(jì)運(yùn)行水位變幅內(nèi)的任一水位下均可抽取用戶所需的流量。

調(diào)節(jié)流量配水運(yùn)行方式根據(jù)用戶需水量的大小，當(dāng)受水點(diǎn)需水量小于設(shè)計(jì)流量時(shí)，兩座泵站可根據(jù)需要，通過改變泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)及電機(jī)頻率，共同實(shí)現(xiàn)用戶抽水流量要求。

（2）首次啟動(dòng)母管充水工況：設(shè)計(jì)在泵站某一臺(tái)固定水泵機(jī)組（配變頻調(diào)速裝置）工作閥后設(shè)旁通管路，旁通管路上設(shè)置檢修閥及工作閥，旁通管可配合工作閥，實(shí)現(xiàn)站后干管首次啟動(dòng)空管充水工況。

3.5 輔助設(shè)備

3.5.1 起吊設(shè)備

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010），廠房?jī)?nèi)起吊設(shè)備的重量，根據(jù)最重品運(yùn)部件和吊具的總重量最終確定。起重機(jī)的提升高度，應(yīng)滿足機(jī)組安裝和檢修的要求。結(jié)合本工程水泵及電機(jī)的選型重量參數(shù)，設(shè)計(jì)按規(guī)定選電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)和單軌吊。

為滿足機(jī)組設(shè)備安裝檢修起吊要求，一級(jí)、二級(jí)泵站±0.00層均安裝1臺(tái)5 t電動(dòng)單梁橋式起重機(jī)。

3.5.2 檢修設(shè)備

泵站機(jī)電設(shè)備的日常維修和檢修，基本按照在廠區(qū)內(nèi)完成考慮，泵站設(shè)簡(jiǎn)易機(jī)修設(shè)備1套。根據(jù)水泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式及其水機(jī)設(shè)備，初選小型和輕型的車床、簡(jiǎn)易立車、立式鉆床、臺(tái)鉆、小鉆床、空氣錘、電焊機(jī)、砂輪機(jī)、風(fēng)砂輪、手動(dòng)試壓泵等裝備泵站的機(jī)修車間，以滿足泵站的需求。

3.5.3 輔助系統(tǒng)設(shè)備輔助系統(tǒng)設(shè)備主要包括廠房?jī)?nèi)排水、消防、水力監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，泵站電機(jī)初步選用空冷方式。

3.5.4 排水系統(tǒng)

泵站廠房?jī)?nèi)的水泵機(jī)坑內(nèi)設(shè)有集水井，由排水泵排至廠區(qū)外溝道。

3.5.5 水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

泵站水力監(jiān)測(cè)根據(jù)泵站的實(shí)際要求設(shè)置，本階段初步確定為：水泵抽水流量、上下游水位、泵出口壓力、水泵電動(dòng)機(jī)組的油位、軸承溫度等，監(jiān)測(cè)的信號(hào)傳到中控室。

3.5.6 泵站壓力管道檢修排水

泵站要在出水干管上安裝泄空閥，根據(jù)地形直接排至溝道，以滿足壓力管道檢修要求。

4 結(jié)論

通過對(duì)八泉峽供水工程機(jī)電設(shè)備部分的泵站參數(shù)分析、水泵工作點(diǎn)計(jì)算、輔助設(shè)備運(yùn)用分析，兩座梯級(jí)提水泵站，每座提水泵站均選用4臺(tái)同型號(hào)機(jī)組，設(shè)計(jì)工況為3臺(tái)工作，1臺(tái)備用，在各種條件下均滿足規(guī)范要求，滿足工程提水需要。