多級泵站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

周富強(qiáng)

（新疆維吾爾自治區(qū)草原畜牧工程勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院，新疆烏魯木齊830049）

多級泵站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

周富強(qiáng)

（新疆維吾爾自治區(qū)草原畜牧工程勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)院，新疆烏魯木齊830049）

一般情況下，設(shè)計(jì)多級泵站輸水系統(tǒng)時(shí)，主要將系統(tǒng)分為輸水子系統(tǒng)和泵站子系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，需要先對這兩個(gè)子系統(tǒng)的合計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，然后綜合比較大系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出最合理的方案。基于此，本文對多級泵站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完善措施進(jìn)行探討。

多級泵站；輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)；完善措施

1 工程概況

某工程位于我國西北地區(qū)，地理環(huán)境差，干旱少雨，水資源匱乏，主要由小型水庫進(jìn)行供水，設(shè)計(jì)流量為1～3m3/s。需要加壓泵站、管道、儲(chǔ)水池等設(shè)施提供生活用水和生產(chǎn)用水，工程主要包括取水泵站、配水支管、加壓泵站、輸水干管等。其中管線的主干線長度為47km，輸水管的總長度為68.2km。輸水方案采用D N 3600×2雙管方案。如圖1所示。

圖1 輸水方案布置系統(tǒng)

2 多級泵站輸水系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)

多級泵站輸水系統(tǒng)主要分為輸水子系統(tǒng)和泵站子系統(tǒng)。對多級泵站輸水系統(tǒng)進(jìn)行完善主要是為了滿足經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)、安全性目標(biāo)和輸水大系統(tǒng)優(yōu)化控制目標(biāo)。

（1）經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。要為裝機(jī)容量小、裝機(jī)臺(tái)數(shù)少、泵站中泵組型號(hào)一致創(chuàng)造條件。要便于管理，保證運(yùn)行費(fèi)用和工程建設(shè)費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性。

（2）可靠性和安全性的目標(biāo)。使用P C C P作為輸水管材，管道的工作壓力要保持在0.6MP a以內(nèi)［1］。要保證近期供水和遠(yuǎn)期供水水量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且保證遠(yuǎn)期和近期合理的銜接，要可以達(dá)到水廠安全棄水和調(diào)節(jié)日供水流量的基本要求。

3 優(yōu)化輸水子系統(tǒng)

3.1優(yōu)化輸水干線系統(tǒng)

結(jié)合工程的實(shí)際情況，要求輸水系統(tǒng)既要達(dá)到遠(yuǎn)期供水水壓和水量的基本要求，又要可以達(dá)到近期供水水壓和供水水量的要求，由于遠(yuǎn)期和近期水流量的比例為1.457∶1，且主管段水頭的損失差在17m以內(nèi)，尤其是近期最小或遠(yuǎn)期最大兩種情況下水頭之間的損失差為26m，如果再對最高水位和枯水位差進(jìn)行考慮，會(huì)明顯減小水泵站泵組效率。為了兼顧遠(yuǎn)期目標(biāo)和近期目標(biāo)，需要對輸水干線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1 優(yōu)化揚(yáng)程

兩級直供運(yùn)行主要是根據(jù)工程遠(yuǎn)期和近期輸水規(guī)模變幅過大和差距過大的基本特征采取的措施。優(yōu)化的重點(diǎn)是調(diào)整240萬m3/d水頭損失差和350萬m3/d取水泵站和泵站前池的水頭損失差，使配水泵站和各個(gè)水廠的供水壓力相差不要過大。結(jié)合本工程的實(shí)際情況，使用跨越直供的方式進(jìn)行輸水，當(dāng)遠(yuǎn)期小流量和近期小流量輸水時(shí)，從配水泵站上方跨過輸水干線來為尾端進(jìn)行供水［2］。在對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)從配送泵站一側(cè)的管路跨過。

3.1.2 優(yōu)化調(diào)配流量

在泵站實(shí)際使用過程中，當(dāng)出現(xiàn)事故、水位變化、水點(diǎn)變化等情況時(shí)，輸水量會(huì)隨著供水量的變化而出現(xiàn)變化。為了在流量出現(xiàn)變化后，可以采取相應(yīng)的措施，需要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

（1）當(dāng)供水流量大于需求時(shí)進(jìn)行棄水。當(dāng)需水量產(chǎn)生故障或者水量產(chǎn)生變化后，需要立即丟棄掉剩下的水量，為了可以方便將多出的水量排到河道中，使用溢流井布設(shè)在配水站前池。

（2）當(dāng)流量達(dá)不到要求時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水。為了可以在流量不足時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水，設(shè)計(jì)使用十臺(tái)配水泵站泵組進(jìn)行作業(yè)。為了防止泵站設(shè)備故障或者進(jìn)行緊急補(bǔ)水，需要使用三臺(tái)配水泵組作為備用［3］。要確保泵組可以持續(xù)保持在一個(gè)高效率的運(yùn)行狀態(tài)下。為了達(dá)到流量要求，可以對運(yùn)行工況進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，使用調(diào)頻和定速結(jié)合的方式作為泵組運(yùn)行方式。

3.2優(yōu)化輸水支線系統(tǒng)

作為水廠和配水站之間的輸水管道，在對輸水支線進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要達(dá)到線路流量要求和布置要求，合理的選擇輸水管線布置方案，結(jié)合線路情況對設(shè)計(jì)進(jìn)行完善［4］。本項(xiàng)目中B支線和A支線使用單雙線混合的方式進(jìn)行布置。使用單線方案作為前2.34km的方案，并互相作為備用管線。

4 優(yōu)化泵站子系統(tǒng)

在優(yōu)化泵站子系統(tǒng)時(shí)，主要考慮選擇泵站級數(shù)、輸水子系統(tǒng)和泵站連接方式的完善，進(jìn)一步優(yōu)化容量。

4.1優(yōu)化泵站級數(shù)

優(yōu)化泵站級數(shù)主要為了使系統(tǒng)水壓和供水量可以達(dá)到規(guī)定。因此，要在保證系統(tǒng)運(yùn)行方便、可靠和安全的基礎(chǔ)對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在達(dá)到環(huán)保要求并且降低投資的基礎(chǔ)上，使泵站的級數(shù)降低［5］。在對泵站級數(shù)進(jìn)行確定時(shí)，需要根據(jù)輸水管線水頭損失情況進(jìn)行確定。進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可以使用下述公式∶

hf＝10.2936×L×n2×Q2/d5333（1）公式中，hf為沿線水頭損失，m；n為管道糙率；L為計(jì)算段管道長度，km；Q為輸水流量，m3/s；d為管道直徑，m。從公式可以將沿程水頭損失情況計(jì)算出來，按照文獻(xiàn)要求，為了將泵組需要供給的供水壓頭最大值，需要按照10%取局部損失。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 泵站壓頭計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)使用二級泵站子系統(tǒng)方案進(jìn)行施工，設(shè)計(jì)取水泵站的最低揚(yáng)程為10.1m，最高揚(yáng)程為37.1m，不需要設(shè)置加壓泵站，配水泵站近期和遠(yuǎn)期直供分別為13.95～20.84m3/s。管道正常壓力為0.4MP a，設(shè)計(jì)裝機(jī)總?cè)萘繛?8000kW，總投資金額為527683萬元，年運(yùn)行費(fèi)用為15612萬元，由于少了一個(gè)泵站，總投資金額更小，在進(jìn)行泵站配水和取水的分配時(shí)也更加的合理，可以在取水量變化過大以及水位變幅過大的各類工況中進(jìn)行使用，適應(yīng)性更佳。

4.2優(yōu)化輸水子系統(tǒng)和泵站的連接方式

當(dāng)前，輸水系統(tǒng)和泵站連接的方式主要有泵站前設(shè)前池、直抽增壓、出水池三個(gè)方式。為了保證運(yùn)行效率、裝機(jī)容量以及系統(tǒng)輸配水流量的平衡性，設(shè)計(jì)使用兩級泵站配水泵站前設(shè)置前池的方式［6］。按照計(jì)算，前池?fù)Q水系數(shù)為半個(gè)小時(shí)，有效容積大小為5.6萬m3，為了保證配水泵站和泵組運(yùn)行過程中具有良好的穩(wěn)定性，降低水位的波動(dòng)，設(shè)計(jì)使用面積為10000m2的前池。

4.3優(yōu)化配水泵站泵組的容量、數(shù)量和型號(hào)

優(yōu)化的主要目的是為了降低泵組數(shù)量和泵站容量，并且保證型號(hào)一致。因此，需要重點(diǎn)對泵組的揚(yáng)程進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合泵站使用前池連接的方式進(jìn)行連接，配水泵站中利用配水支線水力學(xué)計(jì)算來對支線的管道直徑進(jìn)行優(yōu)化和控制。經(jīng)計(jì)算，三個(gè)水廠需要的供水壓力在22.3m左右，因此只需要設(shè)置八臺(tái)泵就可以達(dá)到使用要求。為了節(jié)約投資，達(dá)到機(jī)組公用的目的，使用相同型號(hào)的泵組，同時(shí)也有效保證了遠(yuǎn)期輸水泵和近期輸水泵可以保持較高的運(yùn)行效率［7］。因?yàn)榱髁亢退^損失是成正比的，因此對流量分配進(jìn)行合理的調(diào)整可以達(dá)到配水泵站的使用要求，并且可以在實(shí)際運(yùn)行過程中多次進(jìn)行切換［8］。為了達(dá)到水廠運(yùn)行和管網(wǎng)的基本要求，便于調(diào)節(jié)流量大小，使用小泵和大泵組合的施工方案進(jìn)行施工，選用臥式雙吸離心泵。根據(jù)水廠和管網(wǎng)的基本情況，為了滿足未來使用，實(shí)際安裝時(shí)一共安裝了十二臺(tái)泵組，其中C支線和A支線的泵組按照兩大兩小的要求進(jìn)行配置，B支線按照一小三大的設(shè)計(jì)進(jìn)行布置，每條支線都設(shè)置了一臺(tái)備用泵。

5 優(yōu)化后輸水系統(tǒng)控制方案及評價(jià)

5.1輸水系統(tǒng)的控制方案

（1）對F取水口的泵站進(jìn)行加壓以后，利用輸水管道將水直接送到泵站，然后再送到各個(gè)城市的水廠中。

（2）將旁通管布置在配送泵站前池的干管上，并從配水泵站直接跨過為城市水廠進(jìn)行供水，同時(shí)滿足近期供水量和遠(yuǎn)期小流量工程的要求。

（3）將進(jìn)水前池布置在配水泵站前，以降低地形的影響，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

（4）為了可以對供水量進(jìn)行調(diào)配，需要使用變頻和定速結(jié)合的方式進(jìn)行運(yùn)行，并在配水泵站前部設(shè)置管路系統(tǒng)和溢流井，保證棄水的快速性以及安全性。

5.2運(yùn)行效果評價(jià)

引水工程按照設(shè)計(jì)方案開展后，引水量的最大值為262萬m3，順利實(shí)現(xiàn)了各個(gè)城市之間水廠原水之間的切換，并實(shí)現(xiàn)了配水泵站聯(lián)合和跨越兩種工況下運(yùn)行的設(shè)計(jì)要求。持續(xù)運(yùn)行兩年后，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性良好，具有較高的可靠性和安全性，管理也比較方便，優(yōu)化效果良好。

6 結(jié)語

在對多級泵站輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善時(shí)，要在達(dá)到配水和輸水要求的基礎(chǔ)上，為將來投產(chǎn)以后設(shè)備的控制和運(yùn)行創(chuàng)建有利條件，將運(yùn)行和設(shè)計(jì)組成一個(gè)整體。對輸水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化主要是為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，綜合考慮遠(yuǎn)期目標(biāo)和近期目標(biāo)，降低投資金額，取得良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

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：1672-2469（2016）05-0107-03

D0I∶10.3969/j.i s s n.1672-2469.2016.05.038

2015-12-14

周富強(qiáng)（1983年—），男，工程師。