千米揚程梯級泵站的調試運行

楊建中

千米揚程梯級泵站的調試運行

楊建中

(河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021)

張家口市區、崇禮縣補水一期工程從云州水庫調水至崇禮縣滑雪場主蓄水池，以解決2022年冬奧會各滑雪場地的供水水源問題，總提水高度1029m，由10級梯級泵站和3條隧洞組成。該工程技術復雜，冬季運行條件惡劣，設計中采用了岸邊式取水口布置、泵站級數優化和揚程匹配、無壓隧洞加有壓管道的輸水系統、泵站進口調壓塔的設置、大容量立式內膽式水錘消除罐以及高壓變頻機組等技術。經過18d的首次充水和調試運行，一次性試車成功，并隨即完成了第1個雪季的供水。為長距離、高海拔、高揚程地區梯級泵站的設計、施工與運行積累了經驗。

冬奧會；崇禮縣滑雪場；千米揚程；梯級泵站；調試；運行

1 概述

張家口市區、崇禮縣補水一期工程從云州水庫引水至崇禮縣翠云山頂主蓄水池(海拔2055m)，總提水高度1029m，設計流量0.4m3/s，供水時段為10月至次年3月，供水量為每個雪季484萬m3，可滿足千萬平米雪道的造雪要求，為2022年冬奧會的舉辦提供水源保障。該工程跨越白河、清水河2個流域，設置了10級梯級泵站以及21.89km的壓力管道和8.11km的無壓輸水隧洞。歷經5年的施工，該工程于2015年10月基本完工，具備了試運行條件。2015年10月23日～11月9日，進行了聯合試運行，一次試車通水成功。并隨即開始了第1個雪季的供水，供水總量60萬m3。通過此次的充水、試車、調試、運行檢驗，工程達到了設計要求和建設目標。本文對此次的調試過程作一介紹。

2 工程布置及主要設備

2.1 工程總體布置

本工程供水保證率為90%，設計取水最低水位為云州水庫死水位，即1026.67m。取水口處現狀庫底高程低，上游植被好，水庫淤積量小，具備岸邊式取水口的條件。由于死水深較大，配合真空泵，將最低取水水位調至1024.1m，進一步提高了供水可靠程度，減小了結冰影響。

該工程全部位于山區，末端山勢陡峭。共設10級梯級泵站，其中干線設4級泵站，支線設6級泵站，干線泵站均預留遠期2臺水泵位置，一期工程均為3臺水泵，2用1備。

取水口設在庫區內，泵站布置在岸邊，采用開敞式進水口，豎井式泵房。其余9級泵站泵房為半地下式干室型，均設前池，前池與無壓隧洞兼作上一級泵站出水池。由于干線4級泵站吸水管道距離長，高差大，為了降低吸水管內的水錘壓力，保證水泵的安全運行，干線4級泵站內設置了溢流式調壓塔。

輸水管道為0.6m直徑的壓力鋼管，局部0.8m。沿線設置35座檢修閥室、進排氣閥井36座、放水井7座、流量計井10座。

管道沿線布置了3條隧洞，其中干線2條，支線1條，均為無壓隧洞，縱坡為1/5000。隧洞采用城門洞型，過水斷面均采用鋼筋混凝土襯砌，襯砌后隧洞寬1.8m。隧洞進出口和壓力管道連接處設連接井，井口設溢流設施。

各站之間管道的參數見表1。

2.2 水泵

一期工程各泵站均為3臺水泵，2用1備，其中2臺變頻，1臺工頻。水泵均為單級雙吸離心泵，單泵流量0.2m3/s，水泵進水管上設手動偏心半球閥1個，用于檢修水泵；在水泵出水管上設多功能水泵控制閥和手動偏心半球閥各一個。

表1 各站之間管道參數

2.3 大容量立式內膽式水錘消除罐

空氣壓力罐的用途是為了防止水錘壓力及水位波動對供水系統的危害，使輸水系統平穩地從一個狀態過渡到另一個狀態，當發生水錘，輸水管內壓力升高時，罐內空氣被壓縮，起氣墊作用；當輸水管內形成負壓時，向管道補水。干線1、2級泵站各設置2臺10m3的空氣壓力罐，干線3級泵站和支線1、3、6級泵站各設置2臺6m3的空氣壓力罐。

3 梯級泵站調試運行原則

3.1 目的及特點

為了保證各級泵站的安全穩定和高效經濟運行，實現各級泵站間的流量匹配，避免造成前池溢流或抽空，減小輸水管道水錘壓力波動，同時為泵站自動化控制提供依據和流程。

本工程的特點為梯級輸水，共10級泵站，中間不分水，各級泵站為等流量輸水。

3.2 泵站初次充水運行

管道通水準備工作和水泵啟動前的準備工作全部合格，啟動水泵前應確保出口偏心半球閥處于關閉狀態；充水時先開啟取水口泵站1臺變頻水泵，穩定后逐步開啟水泵出口處偏心半球閥，通過變頻裝置使水泵降速運行，以達到充水流量，必要時配合水泵出口偏心半球閥開度調節。管道初次充水應控制充水流速，并檢查管道沿線排氣閥的排氣狀態，當沿線所有排氣閥停止排氣后，輸水管道全部充滿，充水過程完成。取水口泵站輸水管線充水完成后，維持泵站流量不變，再進行干線2級泵站輸水管線充水。當干線2級泵站前池內水位達到啟泵水位后，啟動一臺水泵，程序同前。干線2級泵站充水流量應和取水口泵站流量一致。重復上述步驟逐步開啟下級泵站，直至完成管線全線充水。

3.3 泵站正常啟動或事故檢修后重新啟動水泵

干線第4級泵站與支線第1級泵站之間通過無壓隧洞和壓力管道連接，因支線第1級泵站進水池溢流管高程較低，該段隧洞和管道中的水需在每次停泵時抽空，否則會溢流。因此需在支線第1級泵站開機前再次向隧洞和管道充水。其余各級泵站壓力管道可保持有水。

從取水口開始依次啟動各級泵站，以前池內水位作為聯動和聯控的依據。各站依次先開啟一臺水泵投入運行。下一級泵站在上一級泵站開啟后經延時，同時前池水位達到啟泵水位后開啟。每級泵站根據要求的輸水流量和需開機臺數，依次開啟水泵。先投入變頻泵運行。根據實時的輸水流量、揚程，依據水泵變頻特性曲線，確定水泵電機運行頻率。在水泵的流量、揚程參數達到設計工況時，可切換至工頻運行。

3.4 泵站正常停機

泵站正常停機時先同時關閉干線第1～4級泵站，經延時，待干線第4級泵站與支線第1級泵站之間隧洞和管道中的水將被抽盡時，再同時關閉支線各級泵站。正常停機時，若運行機組臺數為2臺，需依次關閉，間隔3～5min，待管線水錘壓力震蕩結束后，再關停另一臺水泵。停泵時，先關閉水泵出口閥門，再關閉水泵。水泵關閉后，若間隔時間長，則打開水泵下部泄空閥，排空泵腔內積水，對機組按正常程序進行保養。

3.5 泵站事故停機

當干線某級泵站突然斷電，應同時關閉干線其他泵站，關閉按正常停機程序進行。干線泵站停機后，支線泵站繼續運行直至將隧洞內水抽至末端水池。支線泵站待支線1級泵站清水池水位降至停泵水位后，支線泵站按正常停機程序進行。

當支線某級泵站突然斷電，應同時關閉干線各級泵站和其余支線各級泵站。此時，干線第4級泵站與支線第1級泵站之間隧洞和管道中的水只能通過支線第1級泵站進水池溢流管流失。

當干線某級泵站揚水管突然爆管，此時應同時關閉干線各級泵站，并及時關閉事故點下一級泵站前池進水閥門。干線泵站停機后，支線泵站繼續運行直至將隧洞內水抽至末端水池。支線泵站待支線1級泵站前池水位降至停泵水位后，支線泵站按正常停機程序進行。

當支線某級泵站揚水管突然爆管，此時應同時關閉干線和支線所有泵站，各泵站水泵緊急停機，同時關閉事故泵站下一級的前池進口閥門。

4 梯級泵站調試運行過程

4.1 準備工作

包括供電線路、電氣設備的檢查和投運；各類水力機械設備和金屬結構設備的檢查與維護；沿線進排氣閥處于開啟狀態，檢修閥門處于開啟狀態，泄水閥處于關閉狀態；所有建筑物的檢查和清理等等。

4.2 泵組的運行準備

關閉水泵出口閥門，打開泵蓋和多功能水泵控制閥上的排氣裝置，進行充水，由于水泵均為填料密封，在啟動前先充水浸潤8h以上。盤動聯軸器，檢查機組轉動是否靈活輕便，泵內是否有不正常的響聲和異物。解列電機，電機進行變頻和工頻的空載試驗后再連接上水泵。試驗正反轉后準備工作完成。

4.3 立式內膽式水錘消除罐的運行準備

首先關閉空氣壓力罐與主管道連接的進水閥門，打開空氣壓力罐排水閥門。按水錘計算的預設壓力從注氣孔注入壓縮氣體，可以采用惰性氣體或壓縮空氣，本次采用壓縮空氣。充氣完成后關閉排水閥，檢查是否有泄露情況。注入氣體完成后，應在24h內啟動水泵，開啟檢修閥向橡膠內膽內注水，防止橡膠內膽因長期受壓導致影響使用壽命。管道內水放空時應同時卸掉壓縮氣體。

在出水管道充滿水后打開罐體進水閥門。本次控制在水泵出口壓力達到額定壓力的60%后開啟進水閥門。

4.4 調試過程

以干線4級泵站為例，簡述單泵的充水調試運行過程。

(1)打開水泵出口閥門，利用上游水頭充水平壓后再關閉。對于泵后管道下翻的水泵尤其關鍵。

(2)先開啟2號變頻泵，試驗最小頻率，從38Hz起，至42Hz時泵后壓力和流量開始增加，穩定3min后以1Hz的步長升至47Hz，然后將步長減小為0.5Hz至0.2Hz，壓力管道出口滿管出流時達到了額定流量，此時頻率為48.2Hz。

(3)穩定運行，向隧洞內充水。同時檢查管道沿線及各建筑物的運行情況。

(4)進行水泵切換。調整2號變頻泵的流量，同時打開1號變頻泵，開泵頻率43Hz，穩定后停2號變頻泵。

(5)按照2號變頻泵的升頻程序，使1號泵達到額定流量。

(6)將下一級泵站前池水位充滿后，停1號泵。

(7)本級泵站充水調試完成。

其余各站基本按此程序完成了充水和調試運行。各級泵站的單泵運行最小頻率(小流量時)和達到額定流量時的運行頻率見表2。

表2 各級泵站單臺變頻泵運行頻率匯總

通過此次調試，可以看出空氣壓力罐作用明顯，支線3級泵站停泵水擊壓力為工作壓力的1.2倍；變頻水泵啟動和運行穩定，最大電流為額定電流的0.7～0.9倍，起到了節能、安全、穩定的作用。

4.5 聯合調度

梯級泵站的難點和重點是聯合調度和各站之間流量的適配，同時也是自動化系統的落腳點。本工程自動化系統包括自動監控系統、視頻監視系統和語音通信系統，分為2級控制。中控室位于管理處，設置監控工作站、數據服務器和打印機等，進行全線各現地站的監控和數據存儲。各級泵站現地設置集中控制設備和現地控制設備。

考慮到流量受水泵性能和計量誤差的影響，各站不以流量計數值統一作為聯控的主要依據，而以流量值的范圍作為報警和事故信號。主要控制信號為讀取的各站前池水位，各站的前池水位同時也是上一級站的出水池。根據泵站的布置，前池內設定死水位、最低運行水位、啟泵水位、最高運行水位和溢流水位等，以保證前池不溢流和不抽空為控制原則。最高運行水位至溢流水位之間容積150m3，事故情況下在最大設計流量時仍有6min的調節時間，通過本次調試證明時間足夠。當超過最高或最低運行水位時，本級水泵開始調節，穩定后調節上一級或下一級水泵，依次類推，直至平衡。調整的步長仍需要在運行中逐漸摸索。

單站調試完成后，隨即開始了第1個雪季的供水。由于用水量小且工程屬于試運行階段，故采用單泵供水，供水流量維持在600m3/h左右，根據下游工程和雪場情況進行了斷續供水，同時對聯合運轉和自動化控制進行了進一步調試，共供水60萬m3。供水期間歷經了斷電停泵、開停機、流量調整和10級泵站的聯調聯動等各種工況，甚至包括了誤操作，整個供水過程說明工程及設備運轉正常，經受了50年一遇極寒天氣的考驗，基本達到了設計要求。

5 結束語

(1)工程首次充水調試并試運行的成功，驗證了設計思路和設計理念的可靠，并為2022年冬奧會的順利舉辦提供了堅實的水源保障。

(2)工程位于張家口赤城縣和崇禮縣境內山區，地形、地質條件復雜，路由選定難度大，對設計、施工和設備的要求高。該工程的順利通水，泵站級數之多，總揚程之大，在河北省尚屬首例，實現了河北省水利工程一個新的突破，在長距離、高揚程引調水工程設計中也具有一定的代表性。

(3)泵站級數確定合理。選擇單級離心泵、幾何揚程控制在150m以內、管材壓力等級控制在2.5MPa、空氣壓力罐容積控制在10m3等條件滿足了工程使用和運行的可靠度要求，同時也突破了已建類似工程的揚程范圍，減少了泵站級數，節省了運行管理人員和費用。

(4)由于是初次運行，自動化控制和程序編制需要進一步完善，運行人員的熟練程度需要進一步磨合，操作經驗和操作手冊需要進一步優化，才能使得工程的運行更加規范和可靠。同時，為類似工程積累更豐富的經驗。

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1672-2469(2017)03-0066-04

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.025

2017-01-17

楊建中(1972年—)，男，教授級高級工程師。