高揚程提水工程泵站分級方案分析

袁 芳,張 陽,呂曉娟,張先帥

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

泵站作為中國水利工程的重要組成部分，在解決干旱缺水、洪澇災(zāi)害、水循環(huán)利用、水環(huán)境惡化等方面起著不可替代的作用，承擔(dān)著區(qū)域防洪、灌溉、排澇、調(diào)水和供水的重要任務(wù)[1]。國內(nèi)的泵站工程按其服務(wù)對象、揚程和地理位置不同，主要分布在3個地區(qū)，即長江中下游及珠江三角洲地區(qū)、黃河中上游地區(qū)和其他地區(qū)[2]。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)生活用水需求日益增長，為實現(xiàn)不同時空水資源優(yōu)化配置、解決水資源供需矛盾，大型梯級泵站調(diào)水工程越來越多，這類工程具有管線長、揚程高、沿線地形起伏大等特點[3]，如甘肅景泰川電力提灌工程、寧夏固海揚水工程、陜甘寧鹽環(huán)定揚黃工程、貴州省懷仁市共和水庫供水工程等[4]。以甘肅景泰川工程為例，一期工程11個梯級泵站，總凈揚程445 m；二期工程輸水干渠100多公里，總凈揚程602 m。另外，陜西東雷二級泵站安裝了國內(nèi)最大的農(nóng)用離心泵，單泵揚程225 m、單泵功率8 000 kW[5]。

根據(jù)近些年國內(nèi)梯級泵站建設(shè)研究情況，主要集中在梯級泵站的調(diào)度運行、自動化控制、節(jié)能措施、經(jīng)濟(jì)優(yōu)化、系統(tǒng)運行效率等方面[6-10]。高揚程長距離輸水工程，其投資費用較大，運行管理費用較高，如何減少綜合投資，提高工程效益，是當(dāng)前研究的主要課題[11]。對于高揚程提水工程，泵站的分級數(shù)量及站址選擇直接決定工程的投資和運行管理，故合理確定泵站分級數(shù)量及站址位置成為工程設(shè)計中的首要問題[12]。本文針對梯級泵站無分水任務(wù)的供水系統(tǒng)，以工程投資費用最小為目標(biāo)，結(jié)合工程實際，分析泵站的級數(shù)[13]，并以某高揚程提水工程為例，分析工程選址過程，確定工程總布置及泵站分級方案，分析泵站級數(shù)對工程布置、工程投資和運行管理等方面的影響，為高揚程提水工程泵站的工程設(shè)計提供參考。

1 泵站分級方案分析

1.1 工程概況

西南地區(qū)某大型提水工程主要任務(wù)為增加團(tuán)山水庫的供水能力，向市區(qū)供水，滿足市區(qū)城鎮(zhèn)生活、生產(chǎn)及一座經(jīng)濟(jì)文化片區(qū)一期工業(yè)等用水需要。工程年供水量3011萬m3，設(shè)計流量1.32 m3/s。工程從1座電站庫區(qū)取水，設(shè)計揚程1 140 m，輸水線路總長17.5 km，由3段隧洞工程和5段管道工程組成，其中泵后壓力管道長8.37 km，沿線無分水，采用DN1000無縫鋼管。

工程位于我國西南山區(qū)，全區(qū)地形地貌復(fù)雜，有山地、盆地(俗稱壩子)、河谷三大類型，地形陡峭，植被茂密。區(qū)域內(nèi)出露的地層主要為古生界二疊系上統(tǒng)玄武巖組、中生界三疊系、新生界下第三系和第四系地層。工程區(qū)穿越四條斷裂帶和一座滑坡體，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，新構(gòu)造運動、深部構(gòu)造變形、斷裂活動、現(xiàn)代地殼形變等均較強(qiáng)烈，屬于構(gòu)造穩(wěn)定性差的地區(qū)，對應(yīng)的地震烈度為Ⅷ度。

1.2 工程選線及總體建設(shè)條件

工程選線、選址需避開滑坡體和斷裂帶等不良地質(zhì)條件。根據(jù)區(qū)內(nèi)地形地質(zhì)情況，選擇文化溝兩側(cè)(南側(cè)與北側(cè))進(jìn)行線路比選。經(jīng)綜合比選分析后，選擇布置相對緊湊、干擾小、裝機(jī)小、線路短、施工條件好的南線方案。該方案的工程首部位于電站壩址上游21 km處金沙江右岸，其余泵站均位于山坡上。工程首部沿線有公路通過，但通往各個建筑物場址需修建部分臨時道路或拓寬村道，道路總體縱坡較大，橫向邊坡亦較高；工程附近可選渣場位置不多，多處布置條件較好的位置因基本農(nóng)田不能征用，同時受后期規(guī)劃水庫等不能堆埋；工程區(qū)有10kv線路通過，首部施工用水可直接從庫區(qū)抽取，其他施工點距離水源較遠(yuǎn)。

1.3 泵站分級方案比選

泵站分級盡量采用流量匹配合理，等設(shè)計揚程的水泵，以減少水泵型號，便于設(shè)備采購、運行維護(hù)及管理。梯級泵站站址應(yīng)根據(jù)總功率最小的原則，根據(jù)工程總體規(guī)劃、泵站規(guī)模、運行特點和綜合利用要求，考慮地形地質(zhì)、樞紐布置、對外交通、占地、拆遷、施工、管理等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定[14]。根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件，泵站級數(shù)擬定從三級提水、四級提水和二級提水3種方案中選擇。一級泵站由于地形條件和水位變幅限制，采用浮船取水；方案比選在水泵臺數(shù)一致的基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)機(jī)組數(shù)量比選結(jié)果，每座泵站均選用4用2備共6臺機(jī)組。

(1) 方案1(三級提水方案)

按照流量匹配、盡量減少泵型原則，3座泵站揚程按總揚程等分確定，即3座水泵均在揚程380 m左右。結(jié)合泵站選址條件，一級泵站采用浮船式，位于電站壩址上游21 km處金沙江右岸，出水管長812 m；二級提水泵站位于一級泵站東側(cè)山坡約0.8 km處，出水管長1068 m；三級提水泵站位于二級泵站西北方向約1 km處，出水管長6 493 m，泵站布置見圖1。

(2) 方案2(四級提水方案)

該方案是在方案一的基礎(chǔ)上增加一級泵站，以減小泵站的揚程，降低單機(jī)功率。一級泵站為浮船式泵站，結(jié)合工程實際地形地質(zhì)情況和浮船運行管理情況，盡量降低浮船泵站揚程。方案初定一級浮船泵站揚程110 m，出水管長310 m；二、三、四級泵站揚程等分，每級約340 m，出水管長分別為690 m、820 m和6 550 m，泵站布置見圖2。

(3) 方案3(二級提水方案)

該方案在四級提水方案上，將一級泵站揚程適當(dāng)抬高至揚程220 m，再將二、三、四級泵站合為1座泵站，直抽至頂，揚程940 m。即一級泵站為浮船式泵站，揚程220 m，出水管長380 m；二級泵站揚程940 m，出水管長7 995 m，泵站布置見圖3。

圖1 方案1泵站布置圖

圖2 方案2泵站布置圖

圖3 方案3泵站布置圖

(4) 方案比選

綜上所述，分析3種方案的主要設(shè)計參數(shù)和優(yōu)缺點對比詳見表1。

表1 方案比選分析表

根據(jù)上述3個方案設(shè)計情況可知，二級提水(方案3)雖然便于選址、建設(shè)條件較好，但二級泵站揚程太高，壓力過大，國內(nèi)暫無類似高揚程、長距離提水工程的成功經(jīng)驗可借鑒，工程運行安全難以保證，首先排除該方案。三級提水和四級提水方案總裝機(jī)相差不大，水錘壓力及防護(hù)錘措施亦差別不大；投資及占地方面四級提水泵站稍大，三級提水相比于四級提水具有級數(shù)少、占地小、站址地形較緩、交通條件較好、土建工程量較少、后期運行管理較簡單等優(yōu)點。而四級提水泵站占地面積大，選址均在山坡上，地形陡峭，基本無對外交通道路，建設(shè)征地和施工難度較大。因此，從工程建設(shè)條件和后期運行管理方面看，三級提水方案更優(yōu)，但對于一級浮船泵站揚程較高，國內(nèi)類似高揚程浮船泵站較少的問題，需做好方案論證和浮船廠家的技術(shù)調(diào)研工作，以確保一級泵站在技術(shù)上的可行性。

2 結(jié)論與建議

2.1 結(jié) 論

本提水工程梯級泵站分級數(shù)量受地形影響較大，方案選擇中主要考慮以下幾點：

(1) 本提水工程的3個分級方案總裝機(jī)及投資相差不大，從壓力角度考慮，方案3(二級提水)壓力過大，從工程運行安全方面考慮，在沒有技術(shù)論證和實踐經(jīng)驗可借鑒的情況下盡量不選用。

(2) 方案2(四級提水)壓力小，更加安全可靠，且浮船泵站揚程低，制造安裝都相對簡單，成功案例較多，但工程區(qū)地形陡峭，對外交通條件較差，泵站選址受到極大影響；同時考慮建成后的運行管理，推薦了級數(shù)較少的方案1(三級提水)，但該方案存在的問題也較明顯，如一級浮船泵站揚程較高，國內(nèi)類似的高揚程浮船泵站較少，工程技術(shù)的可行性需進(jìn)一步論證。

(3) 本提水工程的總揚程與肅北縣馬鬃山鎮(zhèn)供水工程相似，均為千米以上揚程，沿途無分水輸水系統(tǒng)。肅北縣馬鬃山鎮(zhèn)供水工程設(shè)計揚程1 111 m，設(shè)計流量0.617 m3/s，泵后壓力管道114 km，工程對10級、12級和14級泵站3種分級方案對比，最終選定12級方案，每級揚程約90 m，總裝機(jī)21 150 kW[6]。本工程由于地形地質(zhì)條件和建設(shè)條件與肅北縣馬鬃山鎮(zhèn)供水工程差異較大，最終選定的泵站級數(shù)差異也較大。由此可知，梯級泵站的級數(shù)確定受地形地質(zhì)條件和交通、施工等建設(shè)條件影響較大，同時需結(jié)合設(shè)備選型、水錘壓力等方面綜合考慮，是一個綜合各方面因素分析的過程。

(4) 無論哪個方案，在高揚程泵站中，水錘壓力對泵和管道的沖擊影響均較大，需要詳細(xì)分析其水力過渡過程，并采取可靠的防護(hù)措施，以保證工程的運行安全。

2.2 建 議

對類似工程的梯級泵站分級問題提出以下建議：

(1) 充分了解各類水泵的適用條件、性能、運行要求等，選擇合適的水泵類型，分析確定水泵臺數(shù)，在水泵類型及數(shù)量一致的前提下擬定多個方案進(jìn)行比選。

(2) 分級方案的擬定應(yīng)充分結(jié)合各級泵站的選址條件、對外交通條件、施工技術(shù)條件，同時考慮工程投資、后期運行管理等要求。

(3) 分級方案應(yīng)結(jié)合管道壓力、水錘壓力，尤其是泵后壓力管道較長的高揚程水泵，盡量降低揚程以減小水錘壓力，降低爆管風(fēng)險和停泵時水錘壓力對泵的沖擊影響。

(4) 分級方案的確定是一個綜合比較的過程，應(yīng)具體問題具體分析。方案比選時，需多個專業(yè)共同參與，如地質(zhì)、水機(jī)、交通、電氣等，不遺漏任何一個影響因素，才能制定出最優(yōu)的方案。