農(nóng)村水池工程中泵站水力機(jī)械選型及電氣設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：農(nóng)村水池；泵站；水力機(jī)械；電氣設(shè)備；供水工程

0 引言

農(nóng)村調(diào)蓄水池工程是做好農(nóng)村供水工程的重要保障[1]。內(nèi)官調(diào)蓄水池工程建設(shè)的任務(wù)是解決引洮工程停水檢修期甘肅省定西市安定區(qū)城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水的調(diào)蓄任務(wù)，兼顧內(nèi)官盆地調(diào)蓄水池下游1 733.33 hm2蔬菜和藥材高效節(jié)水灌溉調(diào)蓄任務(wù)。經(jīng)內(nèi)官水廠需水量預(yù)測(cè)分析，內(nèi)官水廠在引洮干渠檢修期總需調(diào)蓄容積168.5 萬m3，是引洮農(nóng)村供水工程的重要一環(huán)。調(diào)蓄水池如果設(shè)計(jì)不合理就會(huì)影響農(nóng)民的生活用水和農(nóng)作物的灌溉，給農(nóng)民造成不可估量的損失。

1 泵站水力機(jī)械設(shè)備選擇

內(nèi)官水池建設(shè)包括新建集中供水點(diǎn)調(diào)蓄水池1 座、新建泵站1 座、管理房1 座，以及與現(xiàn)有供水工程的對(duì)接管線。本階段水力機(jī)械工作任務(wù)是為供水體系中的泵站、水池等選擇合適的機(jī)電設(shè)備，為供水管線選擇合理的閥門，以及為滿足上述設(shè)備檢修、運(yùn)行的附屬機(jī)電設(shè)備[2]。

1.1 水泵

水泵選擇要考慮流量、特征水位、特征揚(yáng)程等主要參數(shù)，也要考慮設(shè)計(jì)規(guī)范、當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)等情況[3]。

1.1.1 主要選擇依據(jù)

①所需流量、揚(yáng)程及其變化規(guī)律；②GB 50265—2022《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》；③GB/T 50649—2022《水利水電工程節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范》；④地區(qū)規(guī)劃，包括所在地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、地區(qū)未來規(guī)劃，綜合考慮各部門對(duì)該工程建設(shè)的要求；⑤科學(xué)研究與試驗(yàn)成果，包括泵站模型水泵裝置試驗(yàn)；⑥水泵及機(jī)電設(shè)備產(chǎn)品目錄及樣本等。

1.1.2 選型原則和主要要求

水泵型式與泵站安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行有關(guān)，并且影響水工建筑物的結(jié)構(gòu)、設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)。水泵選型應(yīng)根據(jù)泵站特點(diǎn)進(jìn)行充分論證。選型原則和主要要求有以下4 點(diǎn)。

（1）水泵選型不僅要考慮設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的比轉(zhuǎn)速，還應(yīng)順及整個(gè)運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的比轉(zhuǎn)速變化。在比轉(zhuǎn)速重疊，顯示兩種泵型均可選用時(shí)，應(yīng)根據(jù)泵站特點(diǎn)進(jìn)行充分比較論證[4]。

（2）盡可能選擇高效水泵，平均揚(yáng)程應(yīng)在水泵最高效率點(diǎn)附近，整個(gè)運(yùn)行區(qū)域應(yīng)盡可能在水泵高效區(qū)內(nèi)，以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性能和節(jié)能效果。

（3）應(yīng)按泵站運(yùn)行揚(yáng)程范圍確定水泵最大汽蝕余量，對(duì)揚(yáng)程變幅大的低揚(yáng)程泵站，要注意零揚(yáng)程附近工況的水泵氣蝕。

（4）設(shè)計(jì)揚(yáng)程必須滿足設(shè)計(jì)流量的要求，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)水泵的年運(yùn)行時(shí)間等其他因素，從運(yùn)行效率和水泵轉(zhuǎn)速等方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，確定設(shè)計(jì)工況的合適范圍[5]。

1.1.3 泵軸功率與電機(jī)配套功率計(jì)算

根據(jù)內(nèi)官水池供水范圍、供水時(shí)段及檢修期內(nèi)官水廠水量配置分析，內(nèi)官水池在引洮骨干工程檢修期可向內(nèi)官水廠供水102.1 萬m3，同時(shí)現(xiàn)有調(diào)蓄池、集雨水窖、當(dāng)?shù)氐叵滤商峁┧?40.0 萬m3，按引洮工程檢修期30 d，每天水泵運(yùn)行時(shí)間24 h 計(jì)，內(nèi)官水池平均日供水流量0.39 m3/s，考慮水廠日變化系數(shù)1.3，確定提水泵站設(shè)計(jì)提水流量0.5 m3/s，根據(jù)泵站、水池、水廠位置高程關(guān)系，由于泵站與水廠格柵間落差較小，初步選定水泵采用3 臺(tái)SN350-N19/289 型單級(jí)雙吸離心泵（兩用一備），額定揚(yáng)程20 m，單臺(tái)額定功率75 kW。

配套電機(jī)功率是初功率的1.1～1.3 倍（小泵取大值，大泵取小值），計(jì)算得軸功率60.42 kW，配套電機(jī)功率選75 kW 可行。本次選泵為離心泵，比轉(zhuǎn)速范圍40～300。比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式

計(jì)算得出離心泵比轉(zhuǎn)速N=287。

管路特性曲線如圖1 所示，泵站提水最高點(diǎn)為內(nèi)官水廠格柵間進(jìn)水管進(jìn)水高程2 096.85 m，加壓泵站提水管線總管長(zhǎng)2 251 m，提水管采用Φ=813 mm 鋼管，壁厚δ=7.1 mm。在進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，其水頭損失包括沿程損失和局部損失兩部分。根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》及供水工程相關(guān)技術(shù)規(guī)范規(guī)定，局部損失按沿程損失的10% 計(jì)算。沿程水頭損失計(jì)算公式為

水泵特性曲線如圖2 所示。根據(jù)布置的管路特性曲線和所選水泵特性曲線求得單臺(tái)水泵工況點(diǎn)Q=0.25 m3/s，H=20 m，η=80%，必需汽蝕余量5.1 m，所選水泵泵型滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行要求。

1.1.4 水泵安裝高程計(jì)算

提水泵站布置于海拔高程2 084 m，根據(jù)大氣壓與海拔高度的關(guān)系， 當(dāng)?shù)卮髿鈮?.3 m 水柱（ 1 m 水柱=9.8 kPa），40 °C 水的汽化壓力0.75 m 水柱，安全余量0.5 m 水柱。則泵允許吸入高度計(jì)算

經(jīng)計(jì)算得H允許=1.73 m。

本設(shè)計(jì)水泵為自充式離心泵，綜合考慮最低水位淹沒離心泵葉輪頂，確定泵軸安裝高程2 080.765 m?？紤]水廠日變化系數(shù)1.3，確定提水泵站設(shè)計(jì)提水流量0.5 m3/s，根據(jù)泵站、水池、水廠位置高程關(guān)系，由于泵站與水廠格柵間落差較小，初步選定水泵采用3 臺(tái)SN350-N19/289 型單級(jí)雙吸離心泵（兩用一備），額定揚(yáng)程20 m，單臺(tái)額定功率75 kW。2 臺(tái)水泵并聯(lián)時(shí)的特性曲線如圖3 所示，所選泵型性能參數(shù)如表1 所示。

1.2 水力機(jī)械輔助設(shè)備

依據(jù)選定的水泵型號(hào)及運(yùn)行工況，結(jié)合工程總體布置，本設(shè)計(jì)水泵輔助設(shè)備主要為水泵進(jìn)出水管道控制閥門、泵站出水及調(diào)蓄池進(jìn)水管計(jì)量設(shè)備、調(diào)蓄池及泵站必要的監(jiān)測(cè)設(shè)備等。

①節(jié)制閥。引（提）水管線根據(jù)管道供（蓄）時(shí)段的調(diào)節(jié)，設(shè)有節(jié)制閥，兼做管道檢修閥，基本選定為蝶閥。②放空閥。為滿足供水管道檢修時(shí)的放空，在該段低凹處或末端設(shè)置放空閥以及放空管道， 基本選定為閘閥。③空氣閥。供水管線上空氣閥的主要作用是在管道充水、運(yùn)行過程中補(bǔ)氣和排氣，以維持管線壓力在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。④電動(dòng)蝶閥（調(diào)節(jié)型）。

布設(shè)于引水管道取水閥井、引（提）水管線檢修井內(nèi)及泵房?jī)?nèi)水泵出水管。⑤電動(dòng)蝶閥（開關(guān)型）。布設(shè)于水池出水管檢修井內(nèi)、泵房?jī)?nèi)水泵進(jìn)水管。⑥電磁流量計(jì)。引水管入調(diào)蓄池前布設(shè)，調(diào)蓄池出水管道布設(shè)，并與前后檢修蝶閥的距離滿足前5 后3 的要求。⑦多功能水泵控制閥。布設(shè)于泵房?jī)?nèi)水泵出水管道。⑧進(jìn)、排氣閥。依據(jù)引（提）管道縱段，在管道凸起處布設(shè)。

根據(jù)工程泵站揚(yáng)程雖調(diào)蓄池水位變化浮動(dòng)范圍大，即水池高水位下泵站揚(yáng)程較低，低水位下泵站揚(yáng)程較高，為提高泵站能效，防止電機(jī)在低揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過載，3 臺(tái)水泵機(jī)組采用變頻調(diào)速方式，布設(shè)與水泵電機(jī)同功率變頻器3 套。在調(diào)蓄池布設(shè)液位變送器，水泵進(jìn)水總管及各水泵進(jìn)水管設(shè)壓力變送器及壓力表[6]。泵房集水井內(nèi)設(shè)液位儀及液位開關(guān)，便于集水井內(nèi)積水自動(dòng)排出。

2 泵站電氣選擇

2.1 用電負(fù)荷等級(jí)及負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

本設(shè)計(jì)屬城鎮(zhèn)主要基礎(chǔ)設(shè)施，每年持續(xù)用電時(shí)間在1 個(gè)月左右，為內(nèi)官水廠檢修時(shí)備用的調(diào)蓄水池，分析中斷用電將對(duì)經(jīng)濟(jì)及供電單位的影響，依據(jù)GB50052－2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)負(fù)荷分級(jí)的規(guī)定，本設(shè)計(jì)為3 級(jí)用電負(fù)荷。各工藝處理設(shè)備按照3級(jí)電力負(fù)荷設(shè)計(jì)，變配電室及控制室室內(nèi)照明按照3級(jí)電力負(fù)荷設(shè)計(jì)。有自帶蓄電池的燈具照明、庫(kù)區(qū)道路照明等生產(chǎn)輔助設(shè)施。電氣設(shè)備安裝容量總計(jì)320 kW、工作容量241.7 kW 和永久用電負(fù)荷約221 kVA。

2.2 供電方案

由于施工臨時(shí)用電負(fù)荷遠(yuǎn)大于永久用電負(fù)荷，用電方案設(shè)計(jì)以永臨結(jié)合為主，變配電室設(shè)計(jì)時(shí)，按施工用電需求確定接線方式配置配電設(shè)備。

根據(jù)所提供供電接入系統(tǒng)及位置， 內(nèi)官水池1.6 km 左右有10 kV 內(nèi)官水廠電源點(diǎn)可用。供電方案：主電源直接從內(nèi)官水廠10 kV 供電電網(wǎng)引一回路10 kV線路，總長(zhǎng)度約1.6 km、導(dǎo)線型號(hào)JKLGYJ-10/70 的電線路供電。

設(shè)置1 臺(tái)S13-315 kVA/10±5%kV/0.4 kV 節(jié)能型油浸式變壓器，戶外桿上架設(shè)安裝，進(jìn)線側(cè)設(shè)置由當(dāng)?shù)毓╇姴块T提供專門的進(jìn)線計(jì)量箱，用做電能計(jì)量。0.4 kV 低壓配電電纜型號(hào)選擇ZR-YJV22-3×4+1×2.5～ 3×185+1×95。在水池泵站外終端桿設(shè)10 kV/0.4 kV 柱上變壓器。具體供電設(shè)計(jì)接入點(diǎn)及接線圖由供電部門提供。根據(jù)水池負(fù)荷分布情況，在池區(qū)建一座配電室，內(nèi)設(shè)低壓配電室、控制室、值班室等，正常情況下一路電源承擔(dān)池區(qū)內(nèi)100％的用電負(fù)荷，池區(qū)內(nèi)各建筑物的低壓配電采用電纜放射式饋送[7]。

2.3 供電線路

根據(jù)變電所位置及永久用電負(fù)荷的分布情況，充分結(jié)合施工用電架設(shè)的線路，需0.4 kV 配電電纜約0.2 km（變壓器至泵房配電室），10 kV 供電線路約1.6 km（內(nèi)官水廠至內(nèi)官水池變壓器）。

（1）設(shè)計(jì)基本要求。符合10 kV 配電線路設(shè)計(jì)規(guī)范要求，力求線路短、耗材少、投資??；導(dǎo)線截面選擇滿足5～10 年用電負(fù)荷發(fā)展要求；盡可能避開果林、防護(hù)林、通信線路、易燃易爆廠房及庫(kù)房等；10 kV 導(dǎo)線最低點(diǎn)對(duì)地最小距離6.5 m；電桿、導(dǎo)線、金具和絕緣子均符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定；線路終端桿的位置根據(jù)用電變配電室的位置確定。

（2）導(dǎo)線截面計(jì)算。架空送電線路導(dǎo)線截面一般按經(jīng)濟(jì)電流密度來選擇，用電壓損失、機(jī)械強(qiáng)度及發(fā)熱等技術(shù)條件加以校驗(yàn)[8]。

（3）按允許電壓降進(jìn)行校驗(yàn)。

（4）導(dǎo)線截面計(jì)算選擇。考慮到發(fā)展的需要，導(dǎo)線以選用鋼芯鋁鉸線為宜， 導(dǎo)線設(shè)計(jì)應(yīng)力確定10.8 kg/mm2，安全系數(shù)2.5。根據(jù)規(guī)定，10 kV 及以下供電允許電壓損失≤7%，線路電壓損失滿足要求。

2.4 泵站配電

2.4.1 泵站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

泵站采用功率75 kW 水泵3 臺(tái)，兩用一備運(yùn)行，廠用電負(fù)荷約75 kW，工程電氣設(shè)備安裝容量總計(jì)320 kW、工作容量241.7 kW、有功計(jì)算負(fù)荷Pc=207.88 kW，無功計(jì)算負(fù)荷Qc=147.61 kVar，視在計(jì)算負(fù)荷Sc=255.16 kVA；電容補(bǔ)償100 kVar。

泵站為人飲供水加壓泵站，根據(jù)電力負(fù)荷等級(jí)的劃分原則和供電可靠性的需求，負(fù)荷等級(jí)全部劃為3級(jí)供電負(fù)荷，泵站由就近變壓器引一回直埋電纜供電。

2.4.2 泵站與電源連接方式

泵站供電原則是由近區(qū)10 kV 電壓變壓后，由S13-315 kVA/10±5%kV/0.4 kV 變壓器低壓側(cè)引出，釆用直埋電纜ZR-YJV22-2（3×185+1×95）線路引接至低壓進(jìn)線柜連接[9]。

2.4.3 泵站電氣主接線

（1）泵站電機(jī)電壓確定?？紤]功率220 kW 及其以上電機(jī)電壓選用10 kV，功率220 kW 以下電機(jī)電壓選用0.4 kV。

（2）0.4 kV 低壓泵站電氣主接線。本設(shè)計(jì)0.4 kV低壓泵站電氣主接線因泵站裝機(jī)臺(tái)數(shù)較少，在本階段不做方案比較。對(duì)于0.4 kV 水泵電機(jī)的泵站10 kV 側(cè)采用線路?變壓器組接線方式，設(shè)置降壓變壓器1 臺(tái)。接線方式優(yōu)點(diǎn)：接線簡(jiǎn)單清晰，運(yùn)行維護(hù)方便；可采用戶外成套設(shè)備，布置靈活，繼電保護(hù)也較簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是當(dāng)變壓器故障時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)加壓泵站停止運(yùn)行。

（3）廠用電接線方式。結(jié)合工程特點(diǎn)，由室外變壓器饋線引出電源至低壓配電室進(jìn)線柜，由進(jìn)線柜饋線至低壓配電柜為低壓設(shè)備供電，變壓器選用S13-315 kVA/ 10±5%kV/0.4 kV 電力變壓器， 變壓器容量315 kVA，聯(lián)結(jié)方式為D，yn11 接線方式。

0.4 kV 電氣接線采用單母線連接不分段，該種接線的優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單清晰，設(shè)備較少，運(yùn)行維護(hù)方便。便于釆用成套配電設(shè)備，簡(jiǎn)化布置，繼電保護(hù)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是當(dāng)母線故障或檢修時(shí)，需全站停電。

2.5 泵站主要電氣設(shè)備電流計(jì)算

泵站電氣設(shè)備的電流計(jì)算結(jié)果由各段阻抗、短路電流計(jì)算，以及短路電路總阻抗、總電阻和總電抗3部分組成，如表2、表3 和表4 所示。

2.6 自動(dòng)控制保護(hù)設(shè)備

根據(jù)無人值班（少人值守）的設(shè)計(jì)原則，泵站監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，所有泵站均采用遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化與現(xiàn)地控制相結(jié)合的運(yùn)行方式。系統(tǒng)由站級(jí)計(jì)算機(jī)、機(jī)組現(xiàn)地控制單元（LCU）等部分組成。泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)方工程運(yùn)行管理中心之間可實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)的功能。泵站自動(dòng)化系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、LCU 監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和電力綜合保護(hù)系統(tǒng)等。監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用光纖以太網(wǎng)，監(jiān)控主機(jī)、通信計(jì)算機(jī)及LCU 均掛在以太網(wǎng)上[10]。

3 結(jié)束語

水池泵站的設(shè)計(jì)涉及內(nèi)容較多，如管道的選擇設(shè)計(jì)等，只介紹了泵站水力機(jī)械設(shè)備的選擇和泵站電氣設(shè)備的選擇。本設(shè)計(jì)通過專家論證已用于內(nèi)官水池建設(shè)項(xiàng)目，系統(tǒng)運(yùn)行兩年來性能比較穩(wěn)定，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。