柳林县薛家坪村二级泵站设计

2016-05-12韩婧高昌珍

山西农业大学学报（自然科学版） 2016年4期

关键词：设计

韩婧，高昌珍

(山西农业大学工学院，山西太谷 030801)

柳林县薛家坪村二级泵站设计

韩婧，高昌珍*

(山西农业大学工学院，山西太谷 030801)

摘要：为了充分发挥泵站工程在农田灌溉中的作用，根据“蓄、引、提相结合，机、电、水合理匹配，排灌、供水、发电多功能综合利用，大、中、小站合理布局”的规划原则,运用泵站工程设计原理，选定了4台SLOW250-610×2AT型双级双吸离心泵，得出了：水泵安装高程为856.0 m，水泵运行工作点对应的扬程为210.00 m，对应流量为340.0 L·s(-1),压力管路壁厚为18 mm，确定了泵房和进出水池的布置型式及尺寸。

关键词：农田灌溉；二级泵站；设计

The design of the second stage pump station in Xue Jiaping village of Liu Lin county

Han Jing，Gao Changzhen*

(CollegeofEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801，China)Abstract:In order to exert the function of pumping station project in the irrigation, according to the planning principles, which were the combination of storage、guide and lift，the reasonable matching of engine、electricity and water，the multi-functional comprehensive utilizations of irrigation and drainage、water supply and power generation as well as the rational distribution of large stations、middle stations and little stations, by using the principle of the pumping station project design，we selected four SLOW250-610×2AT Double Double suction centrifugal pumps，and obtained the pump installation height of 856.0 meters、pump working point corresponding to the head of 210.00 meters 、the flow rate of 340.0 L·s-1and pressure pipe wall thickness of 18 mm. The pump room and in and out of pool’s type and size were also determined.

Key words:Farm irrigation; The secondary pump station; Design

泵站工程是运用水泵机组传输转换能量[1]，以实现排水灌溉或补给水源的水利工程。尤其是大型泵站工程，在区域性[1]的灌溉、除涝、调水和供水中承担着重要任务[2],在国民经济可持续发展和全面建设小康社会中占有非常重要的地位[3]。柳林县薛家坪提黄泵站工程位于黄河干流上，取水口位于柳林县孟门镇薛家坪村上游约110 m。为了充分发挥泵站工程的作用，针对该泵站的工程特点，就其关键技术进行了分析计算设计。

1工程概况

该灌溉工程由提水工程和灌溉工程两部分组成。提水工程由取水零级泵站、一级泵站、二级泵站、输水管道及其附属建筑物组成，沿线共设二级站，5座出水池，加压输水管线长11.35 km(一级站6.13 km，二级站5.22 km)，有压重力输水管线长11.3 km，管道沿线设置排气阀井、排水阀井、检修阀井、流量计井等建筑物。

灌溉工程由管道及配套建筑物组成，管道一共设立为二级，均为固定式，其中干管总长约为11.3 km，四片灌溉泵站供水管路总长约为5.07 km(均由原始勘探资料提供)。

2二级泵站工程地质条件

二级泵站输水线路上的泵站和出水池均位于黄土地区，所以工程地质为黄土地基处理，各泵站站址均无地下水影响。

根据国家标准得出本工程等级为Ⅲ等，工程规模为中型[4]。建筑物级别如下：提水泵站为3级建筑物，输水线路为3级建筑物，次要建筑物为4级[5，6]。

工程地质勘察工作按国家技术标准[6]，岩石总体走向呈南北向，向西缓倾斜，倾角较小，岩层产状近水平状。

3水泵选型

3.1确定设计扬程和设计流量

由原始设计资料可得二级泵站供水设计流量[7]Q=0.75 m3·s-1。根据理论公式[7]：

H=H净+H损

(1)

实际中可将公式转化为[7]：

H=(1+0.1)H净

(2)

式中：H净表示进、出水池设计水位差(其中进、出水池设计水位由勘探资料提供)，即工业园区方向1 053.0-858.0=195 m；二片灌区方向1 060.0-858.0=202 m，则H净取其中间值即可；H损—管路水头损失,取为0.1H净(此项是根据单泵流量范围，查水泵进口直径与流量对照表查出管道直径范围，再对照管路水头损失估计表得出)，则H=1.1×201.00=221.10 m。

3.2确定水泵型号和台数

根据泵站的设计流量0.75 m3·s-1和设计扬

程221.10 m，选用SLOW型双级双吸中开式离心泵(使用范围：流量240～1 550 m3·s-1，扬程9～140 m)；查阅水泵资料[7]中的水泵性能参数得：SLOW150—570×2与SLOW250—610×2AT两种泵型均符合要求。

根据泵站设计流量，主泵台应选3～8台，由公式：

(3)

得：SLOW250—610×2AT型泵n=0.75/0.25=3，取3台。两种泵型方案性能主要从经济、安全和效率三个方面进行水泵选型。

从上述三方面得出：本设计采用3台SLOW250—610×2AT型泵这一方案，而且由此方案对流量调节作用比较好，可以不设备用机组。

3.3确定水泵安装高程

参照水泵厂家资料[8]，查出水泵气蚀余量[△h]值，根据理论公式计算水泵安装高程[8]。

▽安=▽进+[h吸]

(4)

(5)

式中：▽进表示进水池最低水位；h吸表示水泵允许吸上高度；H大气表示水池水面高程对应的大气压力；P汽/r表示工作水温时的汽化压力；[△h]表示水泵必需汽蚀余量；h吸表示吸水管路的损失。

根据计算，依照泵站地形情况及供水保证率的要求，确定各泵站水泵安装高程(如表1)所示。

表1　泵站水泵安装高程

3.4电机设备选型与配套

当水泵选定后，由于水泵必须在动力机的带动下工作，除泵厂已有的配套动力机外，还需要选定合适的动力机。

一般情况下，灌溉排水泵站常用的动力机是电动机和柴油机，由于站址附近有10 kV电力线路，因此选择电动机作为动力机。

由表2和表3可得：二级站(工业园区方向)泵站总装机2 700 kW，2片灌区方向泵站总装机900 kW。

表2　水泵的选择

表3　电动机的选择

4泵房设计

泵站的厂房一般由主厂房、副厂房和检修间三部分组成，主厂房主要布设主机组；副厂房布设电器设备；检修间用于检修机组及电气设备。泵房布置主要包括这三部分相对位置的确定及其内部的布设。

4.1泵房结构型式

泵房分为固定式和浮动式，固定式泵房又可按基础及水下结构特点分为分基型、干室型、湿室型和块基型四种型式。对于北方地区，主要采用分基型和干室型两种[9]。

卧式离心泵选用的泵房型式应根据理论公式[10]：

H效吸=▽安-Ζ1-Ζ2-▽进

(6)

式中：Z1表示水泵基准面至底座间距离，取0.85 m；Z2表示水泵基础高出机坑地面高度，取0.45 m；则H效吸=6-0.85-0.45=4.7 m。

再根据理论公式[10]：

水源水位变幅：

△H=水源最高运行水位-最低运行水位

(7)

式中：水源最高运行水位858.0 m，最低运行水位854.0 m；则△H=4.0m

因此泵房结构选负值进水的分基型泵房。

4.2内部设备布置

4.2.1主机组布置

为了减小泵房长度与进水池宽度，减少工程量，本设计有四台水泵，故采用一列布置，即主机组位于同一条直线上，布设整齐且厂房跨度小。查资料[7]得：采用4台套机组单列布置(如图1)。主机组间总长为22.5 m。其中，轴向总长度3.9 m，设备顶端至墙面净距0.75 m，设备顶端间净距1.8 m。

图1　主机组平面布置图Fig.1　The arrangement plan of major unit

4.2.2辅助设备布置

包括副厂房、检修间、排水槽、工作通道、起重机等设施。

(1)副厂房：副厂房分为高压开关室、低压配电室、启动室和中控室(见图2)，由于所需面积较大，此设计在主厂房的平行侧。其中高压开关室放置高压变电柜，需8台高压柜(G)和1台主控柜(C)；低压配电室需变压器1台(ZB)和低压柜5台(P)；

图2　副厂房平面图Fig.2　The floor plan of deputy factory

启动室需变频器1台(BP)和软启动柜3台(RQ)；中控室需中控台1个、地控单元柜1台(LUC)、空气开关柜(B)2台、直流电柜(ZL)2台、单向电流柜1台(DD)、SCP柜1台和TX柜1台(如图2)。

(2)检修间：电动机拆卸所需轴向长度为1.71×2=3.42 m，在四周留0.7 m便于活动，实际所需面积为(3.42+2×0.7)2=23.23 m2。其跨度与主厂房跨度一致，取6 m，布置于泵房内。

(3)排水槽：地面明沟排水，沿各主管线绕主机组基础布置，以1%的底坡坡向大沟槽。

(4)通道：泵房内主要通道宽1.5 m，布置：泵房的出水侧，并与泵房两端的配电间、检修间接通；工作便道宽0.9 m，布置于泵房的进水侧，并与配电间、检修间用踏步梯连接。

(5)起重设备：6 t电动双轨吊车。

4.3泵房尺寸拟定

4.3.1泵房平面尺寸确定：

(1) 长度L[10]:L=L机组+L间距+L检

其中：机组总长度为3.9×4+1.8×3=21 m，机组与厂方两侧的间距为1.5+0.75+0.75=3 m，检修间、安装间开间为6 m，则

L=21+3+6=30 m。

(2) 跨度B[10]：

b=b0+b1+b2+b3+b4+b5+b6+b7+b8+b9+b10

其中：b0为电动闸阀长，为0.46 m；b1为偏心渐缩接管长，为0.56 m；b2为水泵宽，为1.2 m；b3为排水沟槽宽，为0.3 m；b4为同心渐扩接管长，为0.58 m；b5为伸缩接头，为0.37 m；b6为液控止回阀，为0.25 m；b7为传力接头，为0.37 m；b8为电动闸阀，为0.41 m；b9为渐缩管距墙的距离，取2.0 m；b10为电动闸阀距墙的距离，取2.0 m；B=8.51 m，则根据单层工业厂房建筑B=9.0 m(如图3)。

4.3.2泵房立面尺寸确定

立面尺寸包括主机间地面、主通道地面与房顶等控制高程。水泵的安装高程确定后，泵房内各部分高程在此基础上可相应定出。

(1)主机间地面高程▽安取854.5 m；

(2)主厂房工作通道地面高程▽道与副厂房、检修间地面齐平。由公式[11]：

(8)

式中：▽安为水泵安装高程，为856.0 m；h1为电缆沟与出水管立交净间距，为0.10 m；h2为电缆沟高度，考虑壁厚5 cm，为0.8 m；D为出水管路直径，为0.5 m。

则▽道=857.15 m。考虑管壁厚度等因素，取857.20 m。

(3)泵房外地面高程[11]：

▽地=▽道-h散水

(9)

式中：▽道表示主厂房工作通道地面高程；h散水表示散水在地面的高度，本设计取0.2 m。

(4)泵房顶高程由检修间地面至房顶间净高度来确定。泵房高度H由起重设备控制，用下式[12]计算：

H=h1+h2+h3+h4+h5

(10)

式中，h1为大型板车高度，取1.1 m；h2为板车面至最高吊物底的净距离，为3.34 m；h3为吊索垂直尺寸，取水泵轴向尺寸的0.85倍，为1.62 m；h4为吊钩至屋架底梁间距，为0.62 m；h5为泵房顶到梁间的距离，为1.57 m；则H=8.26 m，取8.3 m。

图3　泵房的平面尺寸Fig.3　Plane dimension of the pump room

5进出水池建筑物

5.1进水池(同一级泵站出水池)

进水池是水泵或进水管直接从中取水的水工建筑物，布置在前池和泵房之间。型式和尺寸应满足水泵吸水性能好、机组运行安全、维修方便和工程造价低的原则。

5.1.1型式

采用直径为18 m的圆形进水池[7]。

5.1.2尺寸确定

(1)池顶高程[13]：

▽顶=▽max+h超

(11)

式中：▽max表示进水池最高水位，本设计为858.00 m；h超表示安全超高，取1.7 m；

则：▽顶=858.00+1.7=859.7 m，取860.00 m。

(2)池底高程[14]：

▽底=▽min-(h1+h2)

(12)

式中：▽min表示进水池最低运行水位，本设计为857.7 m；h1表示进水管中心线到最低运行水位距离，取5.05 m；h2表示进水管中心线到池底距离，取0.75 m；

则：▽底=857.7-(5.05+0.75)=851.9 m。

5.2出水池

二级站出水池由2片灌区出水池和高位出水池组成。其中，2片灌区出水池为D=18 m、H=8 m的圆形出水池，采用C25钢筋混凝土结构，池底高程1 054.0 m，基础和垫层共厚1.0 m，边墙厚0.4～0.5 m，设计水位1 060.0 m；高位出水池(4个)尺寸为D=18 m、H=8 m的圆形出水池，4个池子相互连通，采用C25钢筋混凝土结构，池底高程1 047.0 m，基础和垫层共厚1.0 m，边墙厚0.4～0.5 m，设计水位1 053.0 m[15]。

6设计结果

为了更好地把当地提水和蓄水相结合、农业提灌和工业供水相结合、电力提灌和水能开发相结合，充分发挥水资源的综合效益，通过对各项设计基本参数和经验设计资料的分析研究，按照《泵站设计规范》等设计手册进行了详细的设计计算，设计成果主要有：

(1)由设计流量和设计扬程，选定4台SLOW250-610×2AT型双级双吸离心泵；

(2)水泵的安装高程设定为856.0 m；

(3)水泵运行工作点对应的扬程为210.00 m，对应流量为340.0 L·s-1；

(4)确定了泵房的布置型式和尺寸，及进出水池的型式和尺寸；

设计选型满足泵站设计规范，泵站效率达到有关要求，设计基本合理。

参考文献

[1]张旭.中国泵站工程的现状与发展[J].科技情报开发与经济，2002，12(4)：210-211.

[2]刘光临.中国泵站工程50年的建设与发展[J].中国农村水利水电，1999(10):5-7.

[3]孙惠兰.阳泉市娘子关供水二期工程一级泵站方案优化[J].山西水利科技，2002(1):36-39.

[4]长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.水利水电工程等级划分及洪水标准(SL 252—2000)[S].北京：龙门书局出版社，2000.