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

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，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、洪澇災害、水循環利用、水環境惡化等方面起著不可替代的作用，承擔著區域防洪、灌溉、排澇、調水和供水的重要任務[1]。國內的泵站工程按其服務對象、揚程和地理位置不同，主要分布在3個地區，即長江中下游及珠江三角洲地區、黃河中上游地區和其他地區[2]。隨著我國社會經濟的發展，生產生活用水需求日益增長，為實現不同時空水資源優化配置、解決水資源供需矛盾，大型梯級泵站調水工程越來越多，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最大的農用離心泵，單泵揚程225 m、單泵功率8 000 kW[5]。

根據近些年國內梯級泵站建設研究情況，主要集中在梯級泵站的調度運行、自動化控制、節能措施、經濟優化、系統運行效率等方面[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，是當前研究的主要課題[11]。對于高揚程提水工程，泵站的分級數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量及站址位置成為工程設計中的首要問題[12]。本文針對梯級泵站無分水任務的供水系統，以工程投資費用最小為目標，結合工程實際，分析泵站的級數[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計提供參考。

1 泵站分級方案分析

1.1 工程概況

西南地區某大型提水工程主要任務為增加團山水庫的供水能力，向市區供水，滿足市區城鎮生活、生產及一座經濟文化片區一期工業等用水需要。工程年供水量3011萬m3，設計流量1.32 m3/s。工程從1座電站庫區取水，設計揚程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，全區地形地貌復雜，有山地、盆地(俗稱壩子)、河谷三大類型，地形陡峭，植被茂密。區域內出露的地層主要為古生界二疊系上統玄武巖組、中生界三疊系、新生界下第三系和第四系地層。工程區穿越四條斷裂帶和一座滑坡體，區內地質構造背景復雜，新構造運動、深部構造變形、斷裂活動、現代地殼形變等均較強烈，屬于構造穩定性差的地區，對應的地震烈度為Ⅷ度。

1.2 工程選線及總體建設條件

工程選線、選址需避開滑坡體和斷裂帶等不良地質條件。根據區內地形地質情況，選擇文化溝兩側(南側與北側)進行線路比選。經綜合比選分析后，選擇布置相對緊湊、干擾小、裝機小、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田不能征用，同時受后期規劃水庫等不能堆埋；工程區有10kv線路通過，首部施工用水可直接從庫區抽取，其他施工點距離水源較遠。

1.3 泵站分級方案比選

泵站分級盡量采用流量匹配合理，等設計揚程的水泵，以減少水泵型號，便于設備采購、運行維護及管理。梯級泵站站址應根據總功率最小的原則，根據工程總體規劃、泵站規模、運行特點和綜合利用要求，考慮地形地質、樞紐布置、對外交通、占地、拆遷、施工、管理等因素，經技術經濟比較確定[14]。根據工程區地形地質條件，泵站級數擬定從三級提水、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一致的基礎上進行，根據機組數量比選結果，每座泵站均選用4用2備共6臺機組。

(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上增加一級泵站，以減小泵站的揚程，降低單機功率。一級泵站為浮船式泵站，結合工程實際地形地質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種方案的主要設計參數和優缺點對比詳見表1。

表1 方案比選分析表

根據上述3個方案設計情況可知，二級提水(方案3)雖然便于選址、建設條件較好，但二級泵站揚程太高，壓力過大，國內暫無類似高揚程、長距離提水工程的成功經驗可借鑒，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相差不大，水錘壓力及防護錘措施亦差別不大；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，建設征地和施工難度較大。因此，從工程建設條件和后期運行管理方面看，三級提水方案更優，但對于一級浮船泵站揚程較高，國內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調研工作，以確保一級泵站在技術上的可行性。

2 結論與建議

2.1 結 論

本提水工程梯級泵站分級數量受地形影響較大，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，在沒有技術論證和實踐經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，國內類似的高揚程浮船泵站較少，工程技術的可行性需進一步論證。

(3) 本提水工程的總揚程與肅北縣馬鬃山鎮供水工程相似，均為千米以上揚程，沿途無分水輸水系統。肅北縣馬鬃山鎮供水工程設計揚程1 111 m，設計流量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21 150 kW[6]。本工程由于地形地質條件和建設條件與肅北縣馬鬃山鎮供水工程差異較大，最終選定的泵站級數差異也較大。由此可知，梯級泵站的級數確定受地形地質條件和交通、施工等建設條件影響較大，同時需結合設備選型、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，需要詳細分析其水力過渡過程，并采取可靠的防護措施，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，在水泵類型及數量一致的前提下擬定多個方案進行比選。

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

(3) 分級方案應結合管道壓力、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，應具體問題具體分析。方案比選時，需多個專業共同參與，如地質、水機、交通、電氣等，不遺漏任何一個影響因素，才能制定出最優的方案。