万家寨引黄入晋工程泵站清水系统改造设计

2016-07-16杨旭

水利水电工程设计 2016年1期

关键词：水罐水池清水

杨　旭

万家寨引黄入晋工程泵站清水系统改造设计

杨旭

摘要引黄入晋工程清水系统设备及管路从一期工程投入运行至今已十多年，大部分设备已老化损坏且原系统设计存在不足造成用水量过大，通过对清水系统原设计进行优化，保证各泵站安全稳定运行。

关键词调水工程引黄入晋工程清水系统

1　工程概况

引黄工程包括万家寨水库取水口、总干线工程、下土寨分水闸、向太原供水的南干线工程和联接段工程以及向大同、平朔等地区供水的北干线工程。共设置6座提水泵站，其中：总干线3座、南干线2座、北干线1座。在南、北干线共用的总干线，3座泵站分别为：总干线一级泵站和总干线二级泵站均为地下厂房，设计各装设10台高扬程立式单级单吸离心式水泵电动机组，单泵设计流量6.45 m3/s，水泵设计扬程140 m，配套电动机功率12 000 kW；总干线三级泵站地面厂房，设计装设10台高扬程立式单级单吸离心式水泵电动机组，单泵流量6.45 m3/s，水泵设计扬程76 m，配套电动机功率6 500 kW；南干线一级泵站和南干线二级泵站地面厂房，设计各装设6台高扬程立式单级单吸离心式水泵电动机组，单泵设计流量6.45 m3/s，水泵设计扬程140 m，配套电动机功率12 000 kW。总装机42台套、总装机容量449 MW。

2　5座泵站原有清水系统设计

2.1泵站基本资料

泵站基本资料见表1。

表1　泵站基本参数表

根据工程的需要，清水系统的用户主要为主轴密封用水、辅机冷却润滑用水等。泵组主轴密封用水根据现使用水泵厂家提供的资料，每台泵组的用水量为1.38 m3/h（见表2）。

表2　清水水源用水量表　m3/h

2.2原清水系统设计

根据水井分布和泵组的运行要求，5个泵站的供水方式均由地下取水至地面蓄水池再通过水泵加压送至高位水池，然后自流到主厂房主轴密封供水总管并分至各台机组和其他用户。

3　清水系统现存在的问题及改造的必要性

3.1水源现状及问题

根据引黄公司检修中心及各泵站提供资料，总干二级泵站、总干三级泵站、南干一级泵站、南干二级泵站泵站深井出水量及潜水泵运行基本正常，总干一级泵站泵站目前两口深井供应全厂的主轴密封及其他清水，出水量约20 m3/h，不足以满足全厂的用量，故需另外打一口深井，其出水量应不小于20 m3/h。

3.2加压泵房现状及问题

5座泵站加压泵房均装设清水加压泵3台，1台工作、1台热备用，1台检修备用。

据引黄公司检修中心反映，存在的问题主要为加压泵的密封形式都为填料密封，易漏水，其他方面工作正常。

3.3水泵主轴密封水实际运行情况

从引黄公司提供的水泵主轴密封用水量的现场数据看，5座泵站投产泵组实际主轴密封用水量远大于水泵厂家给出的水泵主轴密封用水量，这是由于整个清水系统在设计时，设定的进泵组主轴密封压力值偏高或者没有设计减压措施，造成了主轴密封用水量过大，影响了工程的经济性。

4　清水系统的改造设计

根据一期工程清水系统设计，各级泵站深井数量及出水量、深井配套设备、一级蓄水池、加压泵数量及流量配置、高位水池容积、从高位水池至泵站厂内供水管路等均按照最终规模设置。清水系统设备及管路从一期工程投入运行至今已十多年，大部分设备已老化且出现不同程度的损坏，综合分析，有两种改造完善方案可行：（1）维持原高位水池方案，将清水系统所有水泵、管路及自动化元件等设备进行更换。（2）弃用高位水池，采用变频调速给水系统+气压水罐方案，即利用原深井及一级蓄水池，从一级蓄水池通过变频加压泵直接将清水送至厂房，接厂房主轴密封供水总管。

4.1维持原高位水池方案

引黄总干、南干5座泵站清水系统原设计方案均为从深井取水至一级蓄水池，水池的一部分水由加压泵送水至高位水池，然后通过2根无缝钢管自流到主厂房，本方案维持原系统设计方案。清水系统设备及管路经过十几年运行，已出现老化、损坏的问题，在本次改造中除竖井内管路外将其他设备及管路全部更换。

一期清水系统从高位水池自流至泵组的水压可以满足各个泵站最多运行台数所需主轴密封水量，但如果运行台数减少，就会造成进入泵组主轴密封的清水量增加，造成清水浪费，为了能保证清水水量合理利用及不造成浪费，在总干三级泵站、南干一级泵站、南干二级泵站每台泵组主轴密封支管上设置减压阀（总干一级泵站、总干二级泵站一期已在厂内主轴密封总管上设置减压阀，故不需要在支管重复设置），设置减压阀后总干三级泵站压力为0.55 MPa，南干一级泵站、南干二级泵站压力为1.0 MPa，这样就保证无论几台主泵运行，都可以保证主轴密封水用水量不浪费。

4.2变频调速给水系统+气压水罐方案

一期清水系统需从加压泵房通过长距离管路引水至高位水池，再从高位水池通过长距离管路自流至厂房，这样管线和加压泵扬程有一定的不经济性。本次清水系统的改造设计，考虑仍利用一期已建成的一级蓄水池及加压泵房，通过变频调速给水系统，直接从一级蓄水池引水至厂房接厂内主轴密封水总管。

变频调速给水系统+气压水罐方案是在普通加压泵站给水系统的基础上，增加变频器和控制系统，指挥变频调速给水系统在运行过程中根据清水系统对水量、水压的实际变化需要进行工作，即指挥控制变频器调节水泵电动机的供电频率，使电动机带动水泵按清水系统实际用水量的大、小和压力高、低变化参数进行变压、变流量供水，以满足要求。

变频水泵运行台数的增、减和切换过程将引起给水系统压力波动、流量变化，应设气压水罐调节流量变化和稳定给水系统压力，在运行过程中存在水泵故障、备用泵启动延时等很多可能造成供水短暂中断的问题，故气压水罐的贮藏调节水量应不小于180 s用水量的有效调节水量。

气压罐应设置2个压力值，最高压力值和最低压力值。主加压泵在向厂内清水系统供水的同时逐步向气压罐内补水至最高压力值，当水泵出现故障备用泵启动延时的一段时间内，由气压罐内的调节水量向厂内清水系统供水。当清水系统用水量很小的情况下，如所有主泵不工作只需提供深井润滑水等情况时，为了不频繁启动加压泵，设置2个小调节水泵（不变频）向气压罐内补水，当气压罐内压力为最低压力值时，调节泵启动补水，到达最高压力值时，调节泵停泵。

4.3方案比选

4.3.1安全、可靠性比较

高位水池和变频调速给水系统+气压水罐两个方案同样使用一期已建成的一级蓄水池，如潜水电泵出现故障或向一级蓄水池供水管路出问题时，一级蓄水池容积可以让加压泵运行时间上相差不大，但高位水池方案中，如从加压泵房到高位水池供水管路或加压泵本身出现问题时，高位水池备用容积可以满足机组运行多小时，但变频调速给水系统+气压水罐中如一旦遇到停电或自控失灵等突发事故时，只能依靠气压水罐中调节水量维持机组运行，受加压泵房尺寸限制，气压水罐中调节水容积不可能做到很大，这样就会对泵站安全、可靠运行造成安全隐患。

另一方面，高位水池方案从高位水池由管路自流至主厂房，而变频调速给水系统+气压水罐方案由加压泵房经加压泵及长距离管路送水至主厂房，这个管线一直为有压运行，如遇设备故障或管线出现问题，会造成水锤现象，虽然设置的气压水罐有一定缓解水锤作用，但是，还是给工程安全留有安全隐患。

综上所述，高位水池方案在安全及可靠性上优于变频调速给水系统+气压水罐方案。

4.3.2运行方式及控制方案比较

高位水池方案因是从高位水池自流至主厂房，只要在主厂房进各个泵组前设置减压阀，控制减压阀后进泵组主轴密封前水压力，就可以控制进入泵组清水量，不会造成水量浪费，而潜水电泵及加压泵的启停均由安装在深井、一级蓄水池及高位水池的水位计控制，控制方案较简单。

变频调速给水系统+气压水罐方案直接从一级蓄水池经加压泵及长距离管路送水至主厂房，1台变频加压泵水量可以满足2台主泵清水量要求，在主厂房主轴密封清水管路上设置压力变送器，不同主泵运行压力值不同，根据此压力值控制加压泵房内变频加压泵运行台数，加压泵根据主泵所需流量变化而进行变频运行（如3台主泵运行，则2台加压泵需变频运行），防止造成清水水量浪费，当主厂房清水水量运行很少时，用气压水罐内调节水量为主厂房供水，由2台调节泵为气压水罐补水，这样可以不会造成加压泵启动过于频繁。由于此方案上水有压管线较长，不同台数主泵运行造成主管流量变化而影响管线损失，使水泵扬程变化而导致加压泵会频繁启停及变频运行且加压泵一般不可能全在高效区运行，平均效率低，控制程序比较复杂且运行灵活性不高。

综上所述，高位水池方案在运行灵活性及控制可靠性上优于变频调速给水系统+气压水罐方案。

4.3.3经济性比较

主要投资见表3。