胡斌超，劉有亮，王開喜

(甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省臨夏州引黃濟臨供水工程主要任務(wù)是解決臨夏市城鄉(xiāng)生產(chǎn)生活用水，年供水量4970萬m3。工程由劉家峽水庫提水，輸水至臨夏市新莊水廠、北塬區(qū)和肖家水廠，設(shè)計流量1.95m3/s，總提水揚程約456m，輸水管線總長40.5km。工程區(qū)地處隴西黃土高原西北部，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫、山巒起伏，管線布置受地形限制，采用水泵加壓和重力有壓相結(jié)合的輸水方式。

水力機械設(shè)計主要參考現(xiàn)行相關(guān)的設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1-3]和國內(nèi)外類似工程的設(shè)計經(jīng)驗進行，本文主要介紹了主泵選型、豎井泵房設(shè)備布置、輸水控制及安全防護設(shè)計，并對現(xiàn)場調(diào)試情況進行了簡要說明。

1 工程布置

工程輸水系統(tǒng)主要由取水樞紐、梯級泵站、輸配水管線、凈水廠等組成[4]。取水樞紐布設(shè)于劉家峽水庫蓮花碼頭東側(cè)500m處，主干管經(jīng)一級和二級泵站加壓輸水至出水池，再以重力流輸水至馮家臺分水點。之后分為兩支，一分干重力流輸水至新莊水廠，再通過北塬一級和二級泵站加壓分水至北塬區(qū)。二分干沿北濱河路重力流輸水至東郊公園，再經(jīng)二分干泵站加壓輸水至肖家水廠。工程輸水系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 工程輸水系統(tǒng)示意圖

2 泵站加壓輸水工程

2.1 泵站設(shè)計參數(shù)

工程共設(shè)有5座泵站，其中主干管線起始端設(shè)置2座梯級泵站，北塬管線設(shè)置2座泵站，二分干管線末端設(shè)置1座泵站。泵站設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 泵站設(shè)計參數(shù)

2.2 主泵選型

2.2.1 水泵型式

各級泵站設(shè)計揚程在61～144m之間，水泵型式均選定為臥式雙吸離心泵，其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率高且高效區(qū)寬、運行維護方便。

2.2.2 主泵臺數(shù)與運行方式

在提水揚程和流量一定時，機組臺數(shù)越多，調(diào)度靈活性越好，同時由于臺數(shù)的增加，設(shè)備投資增加，泵房加大，工程總投資加大；機組臺數(shù)少，備用機組容量增大，但土建工程量減小，工程總投資減小。

一級泵站和二級泵站設(shè)計揚程相近，輸水流量相同，級間無分流，為滿足泵站級間配合的要求，在泵型選擇中需保持主泵臺數(shù)及提水流量一致。綜合考慮工程投資、水泵裝置效率、長期運行費用、運行調(diào)度等因素，2泵站均裝機4臺，設(shè)計工況運行時3臺工作、1臺備用。

根據(jù)泵站總揚程和輸水流量，選定北塬一級、北源二級和二分干泵站均裝機3臺，設(shè)計工況運行時2臺工作、1臺備用。

2.2.3 流量調(diào)節(jié)

劉家峽水庫水位變幅較大，一級臨庫泵站揚程范圍為61.7～93.5m，水位變化時引起水泵出水量偏離設(shè)計值。一級和二級泵站輸水管道長度相差較大，分別為11.8和2.9km，導(dǎo)致兩級泵站在流量變化時的管道損失揚程差異較大，當(dāng)輸水流量在1.95～0.325m3/s之間調(diào)節(jié)時易引起級間不平衡。

二分干泵站輸水管道較長，前池和出水池均不具備調(diào)蓄能力，水泵的運行方式受末端用戶的制約較大。

為滿足泵站級間匹配和流量調(diào)節(jié)要求，上述3座泵站水泵機組均選用變頻調(diào)節(jié)[5]。

北塬一級和二級泵站輸水量較小，出水池均具有一定的調(diào)蓄能力。

2.2.4 選定機組參數(shù)和泵站運行工況

選定機組參數(shù)見表2，典型運行工況如圖2(一級)和圖3(北塬一級)所示。

2.3 泵站水錘防護設(shè)計

工程各級泵站揚程較高，壓力管道較長，在泵站事故失電時水泵最高升壓和最高反轉(zhuǎn)速度均較大，管路中多處出現(xiàn)水柱斷裂。根據(jù)水力過渡過程仿真計算成果，采用以下防護措施[6]：①一級、二級和二分干泵站水泵出口裝設(shè)2階段關(guān)閉液控止回偏心半球閥，北塬一級和二級泵站水泵出口裝設(shè)多功能水泵控制閥；②各泵站出水總管設(shè)置壓力波動預(yù)止閥；③工程輸水管道沿線設(shè)置空氣閥。主要防護成果見表3。

表2 選定機組參數(shù)

圖2 一級泵站運行工況

圖3 北塬一級泵站運行工況

表3 泵站水錘防護成果

2.4 泵房設(shè)備布置

工程各泵站主泵均采用負(fù)吸程安裝，除一級泵站外，均采用矩形干室型泵房，泵房內(nèi)機組一列式布置。

一級臨庫泵站采用圓形(豎井式)干室型泵房，主泵房井深約25m。為減小泵房尺寸，節(jié)省工程投資，機組采用雙列交錯式布置，泵組旋轉(zhuǎn)方向2臺順時針，2臺逆時針。一級泵站設(shè)備布置如圖4所示。

圖4 一級泵站設(shè)備布置

3 重力有壓輸水工程

3.1 重力有壓輸水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

主干輸水管線在二級泵站出水池后，以重力流輸水至馮家臺分水點，之后一分干重力流輸水至新莊水廠，二分干重力流輸水至二分干泵站。重力有壓輸水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)見表4。

表4 重力有壓輸水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

3.2 重力有壓輸水控制防護設(shè)備選擇

3.2.1 末端控制閥

工程重力流管線生產(chǎn)運行中調(diào)節(jié)流量時，均采用末端控制閥進行調(diào)節(jié)，以避免關(guān)閉上游閥門造成局部管道拉空和明滿流交替現(xiàn)象，引起管道水錘破壞。

根據(jù)管線布置特點，一分干重力有壓輸水管道末端壓差較小，設(shè)置調(diào)節(jié)型蝶閥做為末端控制閥。

二分干重力有壓輸水管道接入泵站前池，壓差變化較大，直接影響前池水位和水泵運行工況。當(dāng)設(shè)計流量輸水時管道末端壓差較小，采用調(diào)節(jié)型蝶閥控制；小流量輸水時末端壓差較大，采用小口徑隔膜式數(shù)字控制調(diào)流調(diào)壓閥進行流量和壓力調(diào)節(jié)。2閥并聯(lián)設(shè)置，根據(jù)閥前壓力值自動切換。在設(shè)計流量關(guān)閥時，調(diào)流調(diào)壓閥亦配合調(diào)節(jié)型蝶閥開啟、關(guān)閉，以保證系統(tǒng)安全。

3.2.2 管道沿線設(shè)備

重力流輸水管道根據(jù)地形情況，主要采用復(fù)合式空氣閥來解決流量調(diào)節(jié)和充水放空過程中的局部水力波動。各段長輸水管道均設(shè)置有檢修閥和放空閥，并分段設(shè)置了流量和壓力量測設(shè)備，實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)。

3.2.3 重力流水錘防護

本工程重力有壓輸水管線距離較長且起伏較大，選定的主要防護方案為：優(yōu)化末端控制閥的動作規(guī)律，并在沿線布設(shè)空氣閥[7]。經(jīng)水力過渡過程仿真計算，各管線最大水錘壓力滿足規(guī)范規(guī)定，均無負(fù)壓產(chǎn)生。主要計算成果見表5。

表5 重力有壓輸水系統(tǒng)水錘防護成果

4 通水聯(lián)調(diào)

4.1 充水

工程輸水管線總長40.5km，充水流速按0.3～0.4m/s控制，管網(wǎng)總體充水原則為：從上游到下游、先主干管后分干管、依次逐級順序進行。

通過對沿線空氣閥的排氣狀態(tài)觀察，以及現(xiàn)場壓力和流量監(jiān)測記錄，實際充水過程與設(shè)計充水要求基本一致。操作程序如下。

4.1.1 主干管線充水

主干單管充水流量控制在0.33m3/s左右，啟動一級泵站1臺變頻泵，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使水泵以穩(wěn)定充水流量向管道充水。當(dāng)二級泵站前池到設(shè)計水位時，啟動二級泵站1臺變頻泵充水至出水池。本段充水時長共約14h。

打開二級泵站出水池旁通充水閥向主干重力流管道充水，當(dāng)分水點處壓力達到設(shè)計壓力(0.55MPa)時，本段充水時長約2h。

4.1.2 分水點至一、二分干管線充水

打開一分干旁通充水閥進行充水，當(dāng)管道末端壓力達到設(shè)計壓力(0.23MPa)時，調(diào)節(jié)型蝶閥投入自動運行，根據(jù)新莊水廠水位自動調(diào)節(jié)閥門開度。本段充水時長約4h。

打開二分干旁通充水閥向重力流管道充水，當(dāng)管道末端壓力達到設(shè)計壓力(0.46MPa)時，調(diào)流調(diào)壓閥和調(diào)節(jié)型蝶閥投入自動運行，根據(jù)二分干泵站前池水位自動調(diào)節(jié)閥門開度。本段充水時長約6h。

啟動二分干泵站1臺變頻泵以0.15m3/s的流量向管線充水，當(dāng)肖莊水廠水池到設(shè)計水位時，本段充水時長約7h。

4.1.3 北塬管線充水

啟動北塬一級泵站1臺水泵，手動調(diào)節(jié)閥門開度，保持以0.06m3/s的流量向管線充水。當(dāng)北塬二級泵站前池到設(shè)計水位時，啟動北塬二級泵站1臺泵，保持以0.04m3/s的流量充水至蓄水池。北塬管線充水時長約6h。

4.1.4 開啟出口沖洗管道

全線充水完畢后，沖洗流量按管道流速0.8m/s控制。

4.1.5 全線通水帶壓實驗

當(dāng)管道出口水質(zhì)達到要求后，將出口關(guān)閉，進行24h全線通水帶壓實驗。

4.2 啟動運行

(1)首先開啟一級泵站第1臺水泵，二級泵站及之后泵站的前池水位達到設(shè)計水位后，開啟二級泵站第1臺水泵。在開啟后監(jiān)測各水池水位的變化，適當(dāng)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，保持流量平衡。

(2)觀察啟泵之后的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)壓力流量等參數(shù)恒定時，再準(zhǔn)備開啟第2臺水泵，間隔不少于60s。

(3)正常運行中，水泵的啟停和變頻調(diào)節(jié)根據(jù)輸水量要求及水池水位進行控制。各泵站前池水位異常變化時及時調(diào)節(jié)各梯級泵站水泵工作流量，保證上、下游泵站之間的流量匹配。

(4)一分干和二分干重力流采用末端控制閥調(diào)節(jié)流量，其開度根據(jù)水池液位自動控制。

(5)重力流管線末端閥門關(guān)閉時，均采用勻速關(guān)閉。雙管運行時，先關(guān)閉一根管道閥門，再關(guān)閉第二根管道閥門，間隔不少于60s。

(6)短期停水時，關(guān)閉管道末端閥門，保持輸水管道的滿流狀態(tài)。

5 設(shè)計思考和總結(jié)

引黃濟臨供水工程于2016年9月進行調(diào)試通水并投入初期運行，對工程的跟蹤觀測結(jié)果表明，目前系統(tǒng)輸水平穩(wěn)，設(shè)備運行正常，調(diào)節(jié)性能良好，總體滿足預(yù)期目標(biāo)。水力機械主要設(shè)計特點如下。

(1)工程輸水流量受末端用戶制約，變幅較大，在保證梯級泵站主泵選型滿足基本臺數(shù)和流量匹配的前提下，水泵電動機組采用了變頻調(diào)節(jié)，不僅解決了流量調(diào)節(jié)和級間銜接問題，而且高效節(jié)能。

(2)一級臨庫泵站布置型式為圓形(豎井式)干室型泵房，主泵房井深約25m，泵房內(nèi)機組采用雙列交錯式布置，節(jié)省了占地面積。

(3)泵站水錘防護設(shè)施動作靈敏，維護方便，運行安全可靠。重力有壓系統(tǒng)控制防護設(shè)計采用蝶閥和調(diào)流調(diào)壓閥并聯(lián)運行方式，兼顧了流量調(diào)節(jié)、輸水安全和工程投資的要求。

(4)長距離輸水工程在初期調(diào)試時應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行，并根據(jù)現(xiàn)場記錄與目標(biāo)參數(shù)的比對，實時進行優(yōu)化調(diào)整，為工程長期運行積累經(jīng)驗。