大兴水利枢纽工程梯级泵站水力机械设计

张维聚 马果 张丽敏 刘婕

大兴水利枢纽工程主要任务为铜仁市城乡生活、工业和灌溉供水。

其中一级泵站城乡生活、工业供水水量2.48 m3∕s，灌溉供水水量0.63 m3∕s。二级、三级泵站主要为城乡生活、工业供水，二级泵站设计流量为2.47 m3∕s，三级泵站设计流量为1.19 m3∕s。

1 主泵组选型

1.1 水泵扬程

一级泵站从大兴水库取水，水库水位变幅较大，为28.52 m。泵站出水池水位恒定，水泵设计扬程的选取应首先保证在设计水位时95%供水保证率的要求，在大兴水库水位高于设计水位时，水泵扬程变小，水泵流量加大，此时泵站提水流量大于设计供水流量，满足供水流量要求。在大兴水库水位低于正常蓄水位时，水泵扬程变大，水泵流量减小，此时泵站提水流量小于设计供水流量，为满足城乡生活、工业和灌溉供水95%供水保证率要求，水泵设计扬程的选取应以设计水位计算泵站的几何净扬程，在低于设计扬程时可考虑采取变频降速措施满足设计流量要求，考虑泵站厂内外进、出水系统最小、设计和最大流量的水力损失，经计算：最大扬程为115.52 m，最小扬程89 m，设计扬程为102 m。

同理经计算二级泵站最大扬程为112.41 m，设计扬程为111.8 m，最小扬程为108.5 m。

三级泵站最大扬程为20.87 m，设计扬程为20.6 m，最小扬程为17.0 m。

1.2 装机台数选择

根据泵站设计规范要求，并联运行的泵组台数不宜超过4 台，考虑不同季节泵站供水流量的差异，泵组台数不宜太少，考虑装机台数与流量的匹配及调度灵活性，一级泵站为5 台（城乡供水选用3 台工作，1 台备用，灌溉选用1 台工作泵）、4 台（3 台工作，1 台备用，按城乡供水、灌溉统一考虑）泵组方案进行比较：

（1）装机5 台方案，此时单泵设计流量约为0.98 m3∕s（4 台泵并联运行，流量损失按约15%设计流量考虑），配套电机功率约为1 500 kW，泵站装机约为7 500 kW。

（2） 装机4台方案，单泵设计流量1.2 m3∕s（3 台泵并联运行，流量损失按约10%设计流量考虑），配套电机功率约为1 800 kW，泵站装机7 200 kW。

（3）装机5 台方案与装机4 台方案比较，机电设备数量增多（泵组、主变、高压盘柜、控制启动等），土建厂房加大8%，泵站部分土建和机电设备的投资增加约12%。

（4）装机5 台方案与装机4 台方案运行都具有灵活性。

（5）由于灌溉供水设计流量0.64 m3∕s，5 台方案（单泵流量1.2 m3∕s）和4 台方案（单泵流量0.9 m3∕s）都不能与之完全匹配，如果采用大、小机方案，就必须为灌溉单独设计出水管路，复杂性增加，输水系统投资增加。所以灌溉流量的匹配设计采用4 台机方案时降速运行，即可满足设计供水流量和灌溉供水流量匹配要求。

（6）4 台泵并联运行，流量损失15%左右，并联运行偏离水泵高效区工作，不宜采用，3 台泵并联运行，流量损失10%左右，并联运行水泵在高效区工作，宜采用。

综上所述，一级泵站选定4 台机方案。

同样通过技术经济比较，并且为了与一级泵站相匹配，二泵站选用4 台机方案。三级泵站选用3 台机方案。

1.3 泵型选择

1.3.1 一级、二级泵站

（1）根据泵站扬程范围，适用于本泵站的泵型有立式离心泵和卧式离心泵，两种泵型相比，一级泵站采用3+1台泵组方案时，单泵流量配置在1.2 m3∕s 左右， 二级泵站总流量2.47 m3∕s，单泵流量配置在0.85 m3∕s 左右，采用卧式离心泵时，制造厂家设计、制造经验丰富，运行业绩多，从流量和运行稳定性上，推荐采用双吸离心泵。

（2）从泵组布置及土建投资来看，卧式离心泵的厂房布置简单，厂房投资较低；立式离心泵厂房需分层布置，厂房土建投资较大，故采用卧式布置。

（3） 从水泵适用扬程来看，一级泵站最大扬程：115.52 m，设计扬程为102 m，最小扬程为89 m，二级泵站最大扬程为112.41 m，设计扬程为111.8 m，最小扬程为108.5 m，均可采用单级结构。

综上所述，一级、二级泵站选用单级卧式双吸离心泵。

1.3.2 三级泵站

三级泵站设计流量1.19 m3∕s，单泵流量配置在0.4～0.6 m3∕s，适用于本泵站的泵型为卧式双吸离心泵，从水泵适用扬程来看，最大扬程为20.87 m，设计扬程为20.6 m，最小扬程为17.0 m，应采用单级结构，故本泵站选用单级卧式双吸离心泵。

1.4 水泵转速的选择

一级泵站设计扬程102 m，二级泵站设计扬程111.8 m，按有关统计经验，当采用单级双吸离心泵时，该扬程段的离心泵比转数范围为70～150。按确定的单泵流量和泵型，一级泵站水泵转速的选择范围为786～1 685 r∕min，二级泵站水泵转速的选择范围为985～2 112 r∕min，一级泵站对应区域的同步转速值有1 000 r∕min 和1 500 r∕min，二级泵站 对应区域的同步转速值为：1 000 r∕min和1 500 r∕min，推荐一级泵站采用单机流量1.20 m3∕s，同步转速1 000 r∕min 方案；二级泵站单机流量0.9 m3∕s，同步转速1 000 r∕min 方案。

三级泵站设计扬程20.6 m，当采用单级双吸离心泵时，该扬程段的离心泵推荐比转速处在150～300之间。按确定的单泵流量和泵型，水泵转速的选择范围为724～1 449 r∕min，对应的同步转速值为750～1 000 r∕min ，推荐采用单机流量0.6 m3∕s，同步转速1 000 r∕min 方案。

1.5 选用的泵组参数

选用的泵组参数见表1。

1.6 水泵最大轴功率校核

根据《泵站设计规范》规定：主电动机的容量应按水泵运行范围内可能出现的最大轴功率选配，储备系数宜为1.1～1.05。本工程取1.1，根据选用泵的运行性能，单泵运行在最低扬程时的轴功率最大，其数值为：一级泵站N轴=9.81QH∕η=1 582 kW，电动机功率应不小于1 740 kW，电动机配用功率为1 800 kW；二级泵站水泵轴功率为1 306 kW，电动机配用功率为1 600 kW；三级泵站水泵轴功率为173 kW，电动机配用功率为200 kW，均满足规范要求。

2 泵站过渡过程保护

GB∕T 50265—2010《泵站设计规范》规定：泵事故断电时离心泵最高反转速度不应超过额定转速的1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2 min，最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5 倍。本文只介绍一级泵站过渡过程保护计算情况。

图1 一级泵站进、出水管布置

主输水线路采用坝上取水方式，坝式进水口设在大坝左岸挡水坝段，由坝前进水口、坝内埋钢管和坝后背管等组成。调压井距取水口距离554.31 m。

一级泵站进水总管经平面转弯后与主厂房平行布置，在厂区经三次“卜”型分岔后分别接入水泵进口。进水干管内径依次为1.40、1.20、1.00 m，岔管分岔角60°，进水支管接岔管后内径为0.90 m，经30°平面转弯后内径收缩为0.80 m 接泵组进水管，出水支管内径0.70 m，经渐变弯管或直管后变为内径0.9 m 出水支管，二合一后干管内径1.40 m，再次二合一接主岔后汇入出水总管。出水总管为明钢管，沿山坡布置，总长224.58 m，管道内径1.60 m。调压井距一级泵站厂房分别为229.22、238.22、247.22、255.76 m（1#～4#机组中心线）；出水池距一级泵站厂房距离分别为256.95、252.47、247.79、252.27 m（1#～4#机组中心线），调压井型式为简单式、直径7.0 m、高度37 m。一级泵站进、出水管布置如图1 所示。

一级泵站进水系统在最大流量时的ΣLV约为991 m3∕s，出水系统在最大流量时的ΣLV约为430.1 m3∕s，水流惯性时间常数TW=1.45 s，计算结果如下：

水泵事故断电过程中，一级泵站水泵上游管路会发生较大的压力下降，部分管段压力会降至汽化压力，将引发水柱分离及弥合水锤。为保证供水系统的安全运行，应提高系统在停泵过渡过程中的最小压力，在泵站上游母管上，距离水泵进口支管起点6 m 处布置1 台组合式吸排气空气阀，当水压下降到大气压以下时，空气阀打开让空气进入，以减小管道内真空度；当水流压力大于大气压时，容许空气逐渐排出。

水泵进水总管上安装空气阀后，在最高扬程、设计扬程、最低扬程下水泵出口压力上升值和水泵倒转转速数值见表2。

表2 一级泵站过渡过程计算成果

进水调压井在最低水位，3 台泵在最高扬程同时失电时，水泵进口压力最低，但仍为正压，满足规范要求。

进水调压井在设计水位，3 台泵在设计扬程同时失电时，水泵出口压力上升最高，上升率仅为3.3%，满足规范要求。

进水调压井在最低水位，3 台泵同在最高扬程时失电时，水泵倒转转速最高，倒转转速仅为额定转速的0.72 倍，满足规范要求。

3 主泵附属设备及辅机系统

3.1 水泵进、出口主阀

根据工程布置，一级、二级泵站从水库及泵站进水池分别向4 台水泵分水；在水泵出水侧，4 台水泵并联后汇合至出水总管，向下级泵站供水。三级泵站从泵站进水池，分别向3 台水泵分水；在水泵出水侧，3 台水泵并联后汇合至出水总管，向下游供水，为保证泵站的安全运行和检修维护，各站水泵进水管设有DN800 mm进水电动检修阀，水泵出水管设DN700 mm 出水工作阀以及DN700 mm 出水电动检修阀。为减小厂房的跨度，满足泵组测流直管段要求，保证进水管电磁流量计的测流精度，进水检修阀选用电动操作半球阀；出水管上第1 道阀门为工作阀门，采用液控缓闭止回半球阀，主要用于水泵闭阀造压启动、泵组正常停机和泵组突然事故失电水击防护，阀门执行机构采用液控操作。第2 道阀为泵组与缓闭阀的检修阀门，型式为电动操作蝶阀。

3.2 主厂房起吊设备

一、二级泵站水泵电动机组按分开起吊考虑，最重件为电动机，质量大约在15 t，因此，主厂房选用1 台20∕5 t 单小车桥式起重机，用于主泵及其附属设备安装、检修起吊。三级泵站水泵电动机组采用公用底座进行安装，采用整体起吊，总质量大约在6 t，因此，主厂房选用1 台10 t 单小车桥式起重机，用于主泵组及其附属设备安装、检修起吊。

3.3 泵站辅机系统

一级、二级泵站辅机系统设有技术供水系统、初扬水充水系统、排水系统、油系统、水力测量系统。三级泵站辅机系统设有初扬水充水系统、排水系统、水力测量系统。

3.3.1 技术供水系统

一级、二级泵站电动机容量较大，电动机空气冷却器采用水冷。

泵站泵组冷却供水系统采用集中供水方式。按照泵站正常3 台泵组运行要求，泵站共设3 台技术供水泵（2台工作，1 台备用），2 台滤水器（1 台工作，1 台备用）。自动滤水器采用定时自动清污、手动清污或采用压差控制自动清污3 种工作方式。

在1#、2#、3#主水泵进水管上，各设1 个技术供水取水口，取水经水泵加压后经滤水器过滤后分别接入全厂DN80 mm 取水总管由DN65 mm 的支管分别接入供水泵。每个取水口的取水量可满足2 台泵组的冷却水量，取水口互为备用。

经过泵组各冷却器后的水汇至DN80 mm 排水总管排至厂区排水沟。

3.3.2 初扬水充水系统

一级、二级泵站为中高扬程离心式水泵，三级泵站为低扬程泵站，泵站在出水系统无水的情况下，初次启动泵组需要采用初扬水充水泵充水。因此，在泵站设置了初扬水充水系统。充水时，先将进出、水系统自流平压，然后利用2 台充水泵将泵站出水侧水位充水至规定的水位高程，该高程对应于主泵第1 次启动其进、出水位差应达到水泵运行的最小扬程，主泵才具备启动条件，初扬水充水系统设有2 台立式离心泵，充水时2 台水泵同时工作。

初扬水充水泵为手动启动，由初扬水总管上的持压调节阀自动控制阀前压力不变，以保持初扬水充水泵运行在规定的工作点附近，当主泵进出水两侧的水位差达到2∕3 以上水泵扬程时充水完毕，手动停泵并手动关闭充水管路上的所有阀门。

3.3.3 水力量测系统

泵站水力量测系统分全厂性测量和泵组段测量两部分。

全厂性测量的项目有：进、出水池水位、泵站几何扬程。前池水位、出水池水位及几何扬程的测量，采用投入式的水位测量仪，全厂性测量采用在集中显示方式，直接进入计算机监控系统。

泵组段的测量项目有：水泵流量测量、水泵进口压力测量、水泵净扬程、水泵出口压力、工作阀门后压力、泵组轴承振动和轴摆度测量、水泵出口水温。

以上所有量测项目采用4～20 mA 模拟量信号输出至各站中控室及工程远程控制中心。

泵站辅机系统还设有检修及渗漏排水系统、油系统等。

4 泵站控制系统设计原则及运行流量平衡调节

4.1 泵站控制系统设计原则

根据工程布置及管理运行方案确定在一级泵站设置调度控制中心完成整个工程的调度监控功能，各泵站设置中控室控制设备实现各泵站独立运行。

调度中心通过主机及调度员工作站可实现对输水工程范围内主要机电设备的集中控制和监视及输水量的调度。

调度监控中心的计算机监控设备兼做一级泵站的设备，采用分层分布式，包括调度控制级、泵站控制级及现地级。

输水主要监控对象包括：一、二、三级泵站水泵电动机组、各站公用及辅助设备、大坝闸门、输水沿线电动阀门及量测设备等。

主要功能如下：

（1）采集全线主要机电设备和水力量测仪表的模拟量、开关量、脉冲量等数据，对其运行情况进行全面监视，并对数据进行分类存储。

（2）对主要机电设备的运行进行控制和调节（包括各水泵电机的开∕停机操作，变速机组的转速调节，调流阀的开∕关操作和流量调节等）。

（3）在各人机界面（显示器）上显示各设备当前的状态，实时显示全线关键的水位及流量，当某设备出现异常时将显示报警信息给运行人员。

（4）当出现故障和事故时，发出语音报警，同时自动寻呼功能，当出现故障和事故时，自动通知维护人员。对于任何确认的误报警，运行人员可以退出该报警点。

（5）在满足输水量的前提下，保证整个输水系统安全稳定运行，在此情况下，使整个系统弃水最少，能耗最小。

（6）当输水线路中任何一处（或多处）发生故障事故时，如机组设备本身或因输电线路出现事故而被迫停机、输水线路事故等，计算机系统将根据可能出现的故障情况制定处理措施，自动实现相应的启∕停程序，以保证输水系统的流量平衡和水工建筑物的安全。

4.2 供水流量平衡调节

梯级泵站在运行期间，如果输水总干管各泵站输水流量不平衡，泵站进入连续供水阶段泵站会出现水泵抽干、进气、水泵及管线强烈振动问题，危及泵站土建工程及泵组、输水管线的安全，为避免上述问题的发生，实现总体供水流量平衡，本工程梯级泵站运行严格按如下原则：

（1）各级泵站的启停，首先遵守调度指令，其次根据水库、进水池、出水池水位变幅进行。各站进水池启泵、停泵水位必需满足设计要求，各站出水池停泵水位必需满足设计要求。

（2）一级泵站采用1 根总管出水，泵站供水主要满足工业、生活及灌溉用水，本泵站进水调压井最大水位变化约28.52 m，水泵扬程变幅达到26.52 m，为使水泵运行在高效区，并尽量与供水流量相匹配，在泵站运行期间，流量大幅调整采用变换机组台数实现，根据调度运行要求开启3 台、2 台或1 台泵组。泵站上游水位变化较大时，泵组通过调速使其运行在高效区并满足供水流量匹配要求。供水流量的小幅调整通过泵组无级调速及根据进、出水池水位变化控制水泵开停机实现，。

（3）二级泵站采用1 根总管出水，泵站供水主要满足工业和生活用水，进水池最大水位变化约3.91 m，水泵运行扬程变幅较小，泵站的运行调度流量调整采用变换机组台数及根据进、出水池水位变化控制水泵开停机实现。

（4）三级泵站采用1 根总管出水，泵站供水主要满足工业和生活用水，进水池最大水位变化约3.87 m，水泵运行扬程变幅较小，本泵站的运行调度流量调整采用变换机组台数及根据进、出水池水位变化控制水泵开停机实现。

5 结 语

本工程为贵州省重点水源工程，输水工程采用梯级泵站供水，由于水量需求变化较大，供水过程复杂性高，泵组及其附属设备及辅机系统的的设计、选型及控制系统等关系到城乡工业和生活供水及灌溉用水的保证率以及安全运行的可靠性，相关设备的运行及联合调度需在调试、试运行、运行期间积累更多的经验。