山西省万家寨引黄工程总干线一、二级地下泵站流量自平衡

潘 玉 龙

山西省万家寨引黄工程是一项跨流域的大型引水工程,位于山西省西北部,从黄河万家寨水库取水,分别向太原、大同、平朔3个能源基地供水。工程首部总干线一、二级地下泵站设计流量48 m3/s,提水总扬程280 m,每级泵站安装10台大型立式水泵,单泵设计流量6.45 m3/s。由于工程引水期万家寨水库水位在957～980m之间,变幅达23 m,出口申同嘴水库水位变幅7.5 m,造成2座泵站之间流量不平衡矛盾十分突出。通过研究该段输水系统泵站间采用有压隧洞串联布置方案,在每座泵站上下游设进、出水调压井,在有压隧洞中段设溢流井等工程措施,实现了2座泵站提水流量自动匹配。

工程分2期建设,一期工程经总干线、南干线及联接段向太原市年供水3.2亿m3；二期工程经总干线、北干线实现向大同、朔州供水5.6亿m3和最终向太原市年供水6.4亿m3。一期工程主体已於2001年建成,2002年后进行了全线通水,至今已安全运行8年。

1 总干线首部输水系统布置

总干线首部输水系统从万家寨水库到申同嘴水库段由2座地下泵站、4条压力隧洞、3座调压井、1座溢流井和申同嘴日调节水库组成。3个调压井分别设置在2座泵站的进出水处,溢流井位于2座泵站之间的4#隧洞上。

引水线路由2条坝内引水管道从万家寨水库引水进入2个直径为D=4.0 m的1#和2#有压隧洞,汇合成内径D=5.6 m,长813 m的3#有压隧洞,向一级泵站输水。水流流入直径为D=12 m的进水调压井(1#调压井)后,由1条进水总管分出10根支管向厂房输水。一级泵站设计流量48 m3/s,设计扬程140 m,安装10台大型立式水泵,单泵设计流量6.45 m3/s,每台水泵出口设两阶段关闭缓闭蝶阀,出水系统管道也按10机1管布置,进、出水总管与主厂房平行,出水支管出厂房后10根支管汇合成1条总管(D=5.2 m)经竖井上升至出水调压井(2#调压井)。进、出水总管的进、出口最大直径分别为D=5.4 m和D=5.2 m,出水调压井直径为D=12 m。一级泵站出水调压井后水流经内径D=5.6 m,长1 724 m的4#有压隧洞向二级泵站进水调压井(3#调压井,D=12 m)输水,二级泵站进水系统布置及主厂房机型、台数、设计流量均与一级泵站相同。水流经二级泵站提水后10根支管汇合成1条总管(D=5.2 m)经竖井上升入申同嘴水库。

利用地形条件在1#调压井顶部980 m高程设溢流口,溢流宽度10 m；在4#隧洞中部设置溢流井,井内径D=5.2 m,井顶溢流口高程1 120 m,溢流宽度16.3 m。

申同嘴水库为一日调节水库,由断面为复式矩形的渠道组成,引水期水位日变幅从1 240.5～1 248.0 m,有效库容15万m3,水库出口设3孔放水闸和2个流量调节阀,在库水位变化时通过流量调节阀调节和改变放水闸开度使下泄流量维持恒定,向下游总干三级泵站放水(见图1)。

2 泵站级间流量平衡计算及稳态运行特性分析

2.1 主要技术参数

2.1.1 水库特征水位和扬程

水库特征水位见表1。

图1 总干一、二级泵站水力过渡过程计算模型

表1 水库特征水位 m

最小净扬程260.5 m,设计扬程272.13 m,最大净扬程291.0 m。

2.1.2 水泵特性

2.1.2.1 水泵特性

表2为总干一、二级泵站水泵的扬程与流量关系值。

表2 总干一、二级泵站水泵的扬程与流量关系

2.1.2.2 水泵的主要额定参数

水泵型式 立式单级单吸离心泵

装机台数 2泵站各10台 (其中2台备用)

设计扬程HR/m 140

设计流量 QR/(m3◦s-1) 6.45

额定效率ηR/% 90.02

额定转速 nR/(r◦min-1) 600

比转数ns136.66

额定功率NR/kW 12 000

2.1.2.3 水泵扬程和流量的关系

水泵扬程和流量的关系曲线见图2。

图2 总干一、二级泵站水泵扬程和流量的关系曲线

2.2 计算结果

计算是按照水泵的扬程和流量特性曲线(图2和表2)计入2个泵站管路的损失,在给定万家寨水库水位和申同嘴水库水位,以及出口闸流量,并规定2泵站泵的运行台数下,选取2泵站初始的单泵流量以及溢流井的水位,以2泵站的总流量相等为条件,进行迭代到指定精度,而得到解答。

在万家寨水库水位变化范围内,确定:①总干一、二级泵站各开机1～8台,开机台数相同时系统的稳态运行特性；②事故停机后,总干一、二级泵站开机台数不相同,系统在可以安全运行的组合下泵的稳态运行特性。

二站开机台数相同的计算结果见表3,在2个站开机台数相同下,两级泵站机组的工作点相同,在额定值附近,泵的效率高。从表中可以看到:

表3 两站开机台数相同时稳态特性计算结果

(1)对应不同的泵站净扬程和不同的开机台数,单泵的流量为5.93～7.04 m3/s,位于高效率区,相应的工作扬程为132.10～149.28 m,靠近水泵额定值。

(2)各调压井的水位变幅列在表4中。

表4 稳态工况下调压井极限水位 m

二站开机台数不相同时,进行了开机台数相差1～3台的计算,一、二级泵站开机台数不同时保证系统安全运行的允许组合见表5。这些组合主要用于机组事故停泵的非常情况。此时,溢流井不弃水,隧洞中不脱空,维持系统稳定输水,但泵的效率有所降低。

系统以允许的组合运行时,单泵的流量范围拓宽为 5.04～8.00 m3/s,仍位于高效率区,相应的工作态特扬程为117.05～160.33 m。泵站流量的变化范围为20.57～51.20 m3/s。

表5 一、二级泵站开机台数不同时运行允许的组合

两站开机台数相差1台时稳性计算结果见表6。

表6 两站开机台数相差1台时稳态特性计算结果

3 结 语

总干线首部工程从万家寨水库经总干一、二级泵站到申同嘴水库段采用压力流半联布置方案,并在每级泵站前后设进、出水调压井,解决了工程引水期万家寨水库水位变化23m,通过2座泵站各自的进、出水调压井对扬程的自动调整作用,使二站提水流量相等,运行方便、可靠。采用变速机组解决流量平衡相比较节省了变频设备投资和电能损耗。

这种布置型式可以推广至国内大型跨流域堤水工程中。