西北地區高揚程多起伏輸水工程選型設計

劉 君，賈 寶，唐 波

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

隨著我國區域協調發展戰略、主體功能區戰略和完善新型城鎮化戰略的持續推進，具有區域資源優勢的地區開始大力發展新型城鎮，而輸水工程建設是新型城鎮建設啟動的必要條件之一。在我國西北地區，由于水資源匱乏及嚴重分布不均，新型城鎮輸水工程往往具有管線長、揚程高、流量相對小、沿線地形起伏點多且對供水保證率要求高的特點，此外戶外水錘防護措施的選擇也需充分考慮西北地區冬季寒冷天氣的影響。

1 工程概況

陜北某新型城鎮輸水工程是一個典型的西北地區長距離、高揚程、多起伏輸水工程，工程區位于陜西省最北部，地處毛烏素沙漠南緣，位于黃土高原與毛烏素沙漠的過渡區，西北部為風沙草灘區，東南部為黃土溝壑區，多年最大積雪深度120 mm，最大凍土深度146 cm。該工程位于水庫下游，輸水工程的總體布置為：通過壩內預埋供水鋼管引至加壓泵站的進水池，從進水池中取水，通過一級泵站加壓，沿右岸河床輸水至下游1.26 km處并沿垂直等高線爬坡至坡頂，沿河右岸坡頂沙丘至園區東北角道路外側，然后沿道路引到水廠，輸水線路總長約10.5 km，沿線管路多起伏，最大爬坡高度約90 m。泵前輸水管道為DN500單管吸水，主輸水管道為DN800雙管平行布置。輸水能力為1.39 m3/s，泵站出水口接至水廠水池，泵站設計揚程為157.7 m。該輸水工程的管路縱剖面示意圖如圖1所示。

圖1 輸水管路縱剖面示意圖Fig.1 Schematic of longitudinal section of water transfer pipeline

2 輸水工程選型設計的關鍵技術問題

2.1 管線布置及管材選擇

本輸水工程所在地的多年季節性標準凍土深度為地面以下1.10～1.46 m，因此輸水管線需埋設在距地面1.5 m以下。根據規范[1]要求，輸水干管不宜少于兩條，當有安全貯水池或其他安全供水措施時，也可修建一條。考慮到該新型城鎮可能在一段時間內為單水源供水，新型城鎮對供水的保證率及可靠性要求比較高，因此為了保證供水的可靠性，本工程管線按兩條輸水管線并行布置設計。當兩條壓力輸水管并行布置時，兩管之間要有一定的防沖刷間距，以保證當一條輸水管損壞時，另一條輸水管仍可安全運行，本工程雙管間距按15 m設計。

在長距離輸水調水工程中，管道部分占工程總投資的比重相對較大。目前我國使用的中、大口徑輸水管材主要有鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管和預應力鋼筋混凝土管等。這幾種管材在經濟技術方面的對比如表1所示。

從表1中可以看到，球墨鑄鐵管具有較高承壓能力及較高的抗震能力[2]；安裝速度快，施工費用低，DN800球墨鑄鐵管安裝工時大約30 min，能較好地滿足施工工期要求；具有良好的防腐性能，規定使用年限高于50年；接口為柔性接口，可偏轉2°～3°，可在極其軟的地基中敷設；密封性好。球墨鑄鐵管由于具有優良的機械性能，防腐外噴鋅、涂瀝青，不需在管溝做沙墊層；對回填土無特殊要求，可使用原土回填。另外，球墨鑄鐵管的綜合造價比預應力鋼筒混凝土管高，但比鋼管費用低。綜上所述，球墨鑄鐵管由于使用壽命較焊接鋼管長很多，綜合比較下來費用要低于鋼管。在同樣使用期限內，預應力鋼筒混凝土管每年費用相對比球墨鑄鐵管低一些，但預應力鋼筒混凝土管重量大，運輸安裝較球墨鑄鐵管困難。因此通過綜合比較，本輸水工程對泵房內的DN500/DN400輸水支管采用了鋼管，對DN800主輸水管線則采用了鋼管和球墨鑄鐵管兩種管材。

表1 輸水管道管材性能比較表Tab.1 Pipeline performance comparison table of water pipeline

2.2 設計揚程計算

設計運行水位是計算確定設計揚程的依據，設計揚程為凈揚程與總水頭損失之和。本工程凈揚程的計算中預留了水廠設備運行所需的必要水頭。平均揚程是泵站運行歷時最長的工作揚程，選擇水泵型號時，應使其在平均揚程工況下處于高效區運行。總水頭損失由局部水頭損失和沿程水頭損失組成，對于圓管滿流，沿程水頭損失一般采用達西-韋伯公式計算，而達西-韋伯公式中的謝才系數C或沿程阻力系數λ與水流流態有關，在實際應用中對于謝才系數C或沿程阻力系數λ的計算，國內外使用較為廣泛的公式有曼寧公式和海曾-威廉公式。水頭損失計算公式都是在不同的實驗條件中建立的，不同公式的應用條件有所不同。曼寧公式和海曾-威廉公式的區別如下[3]：

(1)曼寧公式簡單明了，應用方便，特別適用于較粗糙的非滿管流和明渠均勻流的水力計算，最佳使用范圍為0.5 mm≤e≤4.0 mm(e為管材內壁當量粗糙度)。此公式基本上為各大設計院和高校計算管道沿程水頭公式所選擇，據經驗，其計算結果略大于工程實際。

(2)海曾-威廉公式在給水供水管線及管網的水力計算中應用廣泛。

本工程分別采用了以上兩種公式進行沿程損失計算，其中采用謝才-曼寧公式計算的沿程損失為28.61 m(鑄鐵管粗糙系數取0.013，鋼管粗糙系數取0.012)，采用海曾-威廉公式計算的沿程損失為24.06 m(海曾-威廉系數取120)，通過分析最終采用了海曾-威廉公式計算結果。對于局部水頭損失，考慮漸變、水池進口、出口、直流匯合、直流分支、彎管、閥門等局部損失，經計算，單管正常供水時，局部水頭損失為6.64 m。單管正常供水時，總水頭損失=沿程水頭損失+局部水頭損失=30.7 (m)。故正常工況供水時，泵站設計揚程取為157.7 m。

2.3 水泵選型

2.3.1 水泵選型原則

水泵型式選擇不僅影響泵站的長期、安全、穩定運行，而且影響著水工建筑物的布置方案，因此應根據泵站特點進行對比和論證，選型原則[4]主要如下：

(1)應滿足工程設計流量、設計揚程及不同時期的供水需求。

(2)平均揚程應盡可能處于水泵最高效率區，整個運行區域應盡可能在水泵較高效率區。

(3)宜優先選用技術成熟、性能先進的產品。

(4)具有多種泵型可供選擇時，應結合水泵水力性能、安裝檢修條件、土建機電工程量、總投資及后期運維費用等方面進行綜合分析及論證。

(5)結合供水對象、流量變幅、工程投資等方面，合理選擇主用泵臺數和備用泵臺數，綜合考慮設置變頻電機的必要性。

2.3.2 泵型及臺數

根據上述水泵選型原則按照下列步驟選擇合適的水泵。根據本輸水工程的揚程范圍，選擇離心泵。多級離心泵揚程很高、流量小，單級單吸立式離心泵揚程偏小，而雙吸離心泵具有揚程高、流量大、運行平穩等優點，故本輸水工程采用雙吸離心泵。水泵采用自灌式充水，水泵外殼頂點低于進水池內的最低水位。

在日供水量變化幅度基本確定，機組工作特性基本可比的情況下，擬定機組方案為：方案一：5臺(3用2備)；方案二：6臺(4用2備)；方案三：7臺(5用2備)。3用2備方案，一期供水若采用一臺泵供水，流量偏小；采用兩臺泵，則流量偏大，供水量變幅的適應性較差，為了使加壓泵站在運行上具備必要的適應能力，機組配置數量不宜過少。5用2備方案，一期供水若采用2臺泵供水，流量偏小；采用3臺泵供水，則流量偏大，而且在二期供水中，并聯運行的臺數超過4臺，工作點偏移較大，且一般隨著臺數增加，配電盤柜數量增多，費用增加。故本工程最終采用方案二：6臺(4用2備)。

2.3.3 水泵特性參數及主要結構特點

最終確定的水泵型號為ASP250-690R，其主要參數見表2所示。

表2 ASP250-690R型水泵性能表Tab.2 ASP250-690R type pump performance table

水泵葉輪為雙吸，閉式，整體結構，加工平滑，且經過動靜平衡試驗，其材料為雙向不銹鋼。葉輪與軸采用鍵緊固安裝，上泵殼和下泵殼能固定裝有軸承組件的軸承箱、軸及葉輪，抗壓力-密封性能好。傳動軸為優質不銹鋼-雙向不銹鋼，其將動能傳給葉輪及水，軸密封將吸入端的水和空氣隔離、密封。在泵體密封處內有填料、密封水環、填料壓蓋、調節填料箱螺柱和密封水接口。密封形式為單機械密封。

2.4 水泵指標校核及電動機選擇

(1)水泵運行工作點推求。為了確保泵型及管路布置方案匹配合理，應進行水泵裝置工作點計算，確保工作點處于水泵高效率區，否者應重新選泵，或更改管路布置方案，或進行變頻調節。ASP25-690R型號泵效率曲線較為平緩；當同一水力單元的兩臺泵同時運行時(設計工況)，兩臺泵供水流量為0.76 m3/s，單泵流量為0.38 m3/s，揚程約154 m，水泵效率為84%，滿足設計流量的要求，且效率較高。隨著該工程投入運行時間的增長，管道損失增大，兩臺泵同時運行時的流量會往小流量、高揚程偏移，但仍滿足設計流量(單泵0.35 m3/s)的輸水要求。

(2)最大軸功率。當單泵運行時，軸功率最大。考慮到水廠初期投入運行或出水池檢修放空后，出水池的水位很低，在此種情況下推求最不利工況最大軸功率工作點。

由圖2可知，最大軸功率發生在Q=0.52 m3/s，H=130.5 m時，此時最大軸功率計算值為853.5 kW。由于水泵在生命周期內存在效率降低的趨勢，以及泵可能無法達到樣本現有最大效率，故在當前效率值要減去一個效率裕度3%。此外考慮到損失計算是經驗公式，本工程又是長距離輸水，隨著管道材料、技術工藝的發展和進步，管道實際水頭損失可能會略小于公式計算值，實際運行工作點可能會進一步向大流量和低揚程處略偏移，導致實際軸功率可能繼續偏大。主電動機的容量應按水泵運行可能出現的最大軸功率選配并預留適當裕度。

圖2 最大軸功率推求點計算示意圖Fig.2 Schematic diagram of maximum shaft power calculation

(3)電動機特性參數及主要結構特點。異步電動機的定子繞組接交流電網，轉子繞組不需要與其他電源連接，因此異步電動機具有結構簡單可靠、運維方便、成本較低等優點，同時異步電機具有較高的效率。根據水泵額定轉速1 480 r/min和配套功率1 000 kW，本工程選用6臺1RQ1450-4JA80型箱式三相異步電動機。電動機臥式安裝，防護等級IP55，冷卻方法采用全空冷，電機定子鐵芯選用優質冷軋硅鋼片。電動機設有防潮加熱裝置，電機能在最大反轉飛逸轉速歷時30 min而不產生有害變形。電動機為S1工作制，能24 h連續、長期正常穩定運行，表3為1RQ1450-4JA80型電動機性能表。

表3 1RQ1450-4JA80型電動機性能表Tab.3 1RQ1450-4JA80 type motor performance table

2.5 水錘防護措施的優化與選擇

本輸水系統管線長，高差大，沿線局部高點較多，在發生事故停泵時，很容易出現嚴重的水柱分離及再彌合現象，產生巨大的水錘壓力，從而給管線系統安全運行帶來很大威脅，因此防護水錘是本工程需關注的重點問題[5-7]。據工程所在地的氣象站多年實測值，工程所在地多年平均氣溫8.7 ℃，多年最冷月月平均氣溫-15 ℃，極端最高氣溫38.9 ℃，極端最低氣溫-27.9 ℃。因此在水錘防護措施的選擇上，應首先考慮戶外水錘防護設備能在西北地區冬季寒冷天氣下連續正常穩定工作。

經過大量計算比選及分析，發現調壓塔方案的水錘防護結果最為安全、可靠，但存在冬季防凍的問題，而空氣罐水錘防護方案的造價較大，不夠經濟，因此通過優化最終采用了注氣微排閥+泵控閥+超壓泄壓閥的綜合防護方案，大大節省了投資。由于本工程管線起伏較大，部分位置的注氣微排閥在過渡過程時進氣量較大，因此在進氣量較大的位置布置兩個注氣微排閥，注氣微排閥采用牛角狀布置，進氣口徑為100 mm，排氣口徑為8 mm。

在每臺水泵出口裝設一個直徑為400 mm的多功能泵控閥，用以防止水泵在停泵、事故停電或關閥時可能發生的水錘，可有效地提高泵站和管道系統運行的安全可靠性，泵控閥無需人力、電氣、電磁等方式控制，具有節能效果。對于泵控閥，要求零流量時大閥瓣落到位，小閥瓣能按給定的慢關時間關閉。通過大量計算及優化，最終推薦0～3.5 s關閉90%、3.5～20 s全關的兩階段關閥方案。此外在母管處裝設了口徑為400 mm的超壓泄壓閥，其起跳壓力為180 m，全開壓力190 m，回座壓力160 m。計算結果顯示同一水力單元的2臺泵同時事故停泵工況下，輸水系統的最大壓力207.34 m，是穩態運行最大壓力的1.26倍；最小壓力-4.63 m，系統中沒有出現汽化現象。水泵最大倒流流量-0.029 m3/s，沒有出現水泵倒轉現象。

圖3 設計工況下輸水系統穩態運行時的壓力線Fig.3 Pressure line during steady state operation of water transfer system under design condition

圖4 事故停泵工況下的輸水系統最大壓力線和最小壓力線Fig.4 Maximum pressure line and minimum pressure line of the water transfer system under accidental pump stop condition

3 結 語

對于長距離高揚程多起伏輸水工程，管線布置、管材選擇、設計揚程計算、水泵選型、水泵指標校核、電動機選擇及水錘防護措施的合理選擇，是確保輸水工程安全、穩定、經濟和可靠運行的關鍵因素，應對技術性與經濟性進行充分的比較。本文以陜北某新型城鎮輸水工程為例，介紹了西北地區長距離高揚程多起伏輸水工程的關鍵技術問題，可供類似輸水工程的選型設計參考。本工程自2015年通水以來，至今運行安全、穩定，為陜北某新型城鎮提供了可靠的生產生活用水，有效地保障了新型城鎮的健康發展。

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