引黄济临供水工程水力机械设计和运行

胡斌超，刘有亮，王开喜

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

甘肃省临夏州引黄济临供水工程主要任务是解决临夏市城乡生产生活用水，年供水量4970万m3。工程由刘家峡水库提水，输水至临夏市新庄水厂、北塬区和肖家水厂，设计流量1.95m3/s，总提水扬程约456m，输水管线总长40.5km。工程区地处陇西黄土高原西北部，区内沟壑纵横、山峦起伏，管线布置受地形限制，采用水泵加压和重力有压相结合的输水方式。

水力机械设计主要参考现行相关的设计规范标准[1-3]和国内外类似工程的设计经验进行，本文主要介绍了主泵选型、竖井泵房设备布置、输水控制及安全防护设计，并对现场调试情况进行了简要说明。

1 工程布置

工程输水系统主要由取水枢纽、梯级泵站、输配水管线、净水厂等组成[4]。取水枢纽布设于刘家峡水库莲花码头东侧500m处，主干管经一级和二级泵站加压输水至出水池，再以重力流输水至冯家台分水点。之后分为两支，一分干重力流输水至新庄水厂，再通过北塬一级和二级泵站加压分水至北塬区。二分干沿北滨河路重力流输水至东郊公园，再经二分干泵站加压输水至肖家水厂。工程输水系统示意如图1所示。

图1 工程输水系统示意图

2 泵站加压输水工程

2.1 泵站设计参数

工程共设有5座泵站，其中主干管线起始端设置2座梯级泵站，北塬管线设置2座泵站，二分干管线末端设置1座泵站。泵站设计参数见表1。

表1 泵站设计参数

2.2 主泵选型

2.2.1 水泵型式

各级泵站设计扬程在61～144m之间，水泵型式均选定为卧式双吸离心泵，其结构简单、运行可靠、效率高且高效区宽、运行维护方便。

2.2.2 主泵台数与运行方式

在提水扬程和流量一定时，机组台数越多，调度灵活性越好，同时由于台数的增加，设备投资增加，泵房加大，工程总投资加大；机组台数少，备用机组容量增大，但土建工程量减小，工程总投资减小。

一级泵站和二级泵站设计扬程相近，输水流量相同，级间无分流，为满足泵站级间配合的要求，在泵型选择中需保持主泵台数及提水流量一致。综合考虑工程投资、水泵装置效率、长期运行费用、运行调度等因素，2泵站均装机4台，设计工况运行时3台工作、1台备用。

根据泵站总扬程和输水流量，选定北塬一级、北源二级和二分干泵站均装机3台，设计工况运行时2台工作、1台备用。

2.2.3 流量调节

刘家峡水库水位变幅较大，一级临库泵站扬程范围为61.7～93.5m，水位变化时引起水泵出水量偏离设计值。一级和二级泵站输水管道长度相差较大，分别为11.8和2.9km，导致两级泵站在流量变化时的管道损失扬程差异较大，当输水流量在1.95～0.325m3/s之间调节时易引起级间不平衡。

二分干泵站输水管道较长，前池和出水池均不具备调蓄能力，水泵的运行方式受末端用户的制约较大。

为满足泵站级间匹配和流量调节要求，上述3座泵站水泵机组均选用变频调节[5]。

北塬一级和二级泵站输水量较小，出水池均具有一定的调蓄能力。

2.2.4 选定机组参数和泵站运行工况

选定机组参数见表2，典型运行工况如图2(一级)和图3(北塬一级)所示。

2.3 泵站水锤防护设计

工程各级泵站扬程较高，压力管道较长，在泵站事故失电时水泵最高升压和最高反转速度均较大，管路中多处出现水柱断裂。根据水力过渡过程仿真计算成果，采用以下防护措施[6]：①一级、二级和二分干泵站水泵出口装设2阶段关闭液控止回偏心半球阀，北塬一级和二级泵站水泵出口装设多功能水泵控制阀；②各泵站出水总管设置压力波动预止阀；③工程输水管道沿线设置空气阀。主要防护成果见表3。

表2 选定机组参数

图2 一级泵站运行工况

图3 北塬一级泵站运行工况

表3 泵站水锤防护成果

2.4 泵房设备布置

工程各泵站主泵均采用负吸程安装，除一级泵站外，均采用矩形干室型泵房，泵房内机组一列式布置。

一级临库泵站采用圆形(竖井式)干室型泵房，主泵房井深约25m。为减小泵房尺寸，节省工程投资，机组采用双列交错式布置，泵组旋转方向2台顺时针，2台逆时针。一级泵站设备布置如图4所示。

图4 一级泵站设备布置

3 重力有压输水工程

3.1 重力有压输水系统设计参数

主干输水管线在二级泵站出水池后，以重力流输水至冯家台分水点，之后一分干重力流输水至新庄水厂，二分干重力流输水至二分干泵站。重力有压输水系统设计参数见表4。

表4 重力有压输水系统设计参数

3.2 重力有压输水控制防护设备选择

3.2.1 末端控制阀

工程重力流管线生产运行中调节流量时，均采用末端控制阀进行调节，以避免关闭上游阀门造成局部管道拉空和明满流交替现象，引起管道水锤破坏。

根据管线布置特点，一分干重力有压输水管道末端压差较小，设置调节型蝶阀做为末端控制阀。

二分干重力有压输水管道接入泵站前池，压差变化较大，直接影响前池水位和水泵运行工况。当设计流量输水时管道末端压差较小，采用调节型蝶阀控制；小流量输水时末端压差较大，采用小口径隔膜式数字控制调流调压阀进行流量和压力调节。2阀并联设置，根据阀前压力值自动切换。在设计流量关阀时，调流调压阀亦配合调节型蝶阀开启、关闭，以保证系统安全。

3.2.2 管道沿线设备

重力流输水管道根据地形情况，主要采用复合式空气阀来解决流量调节和充水放空过程中的局部水力波动。各段长输水管道均设置有检修阀和放空阀，并分段设置了流量和压力量测设备，实时监测系统运行状态。

3.2.3 重力流水锤防护

本工程重力有压输水管线距离较长且起伏较大，选定的主要防护方案为：优化末端控制阀的动作规律，并在沿线布设空气阀[7]。经水力过渡过程仿真计算，各管线最大水锤压力满足规范规定，均无负压产生。主要计算成果见表5。

表5 重力有压输水系统水锤防护成果

4 通水联调

4.1 充水

工程输水管线总长40.5km，充水流速按0.3～0.4m/s控制，管网总体充水原则为：从上游到下游、先主干管后分干管、依次逐级顺序进行。

通过对沿线空气阀的排气状态观察，以及现场压力和流量监测记录，实际充水过程与设计充水要求基本一致。操作程序如下。

4.1.1 主干管线充水

主干单管充水流量控制在0.33m3/s左右，启动一级泵站1台变频泵，调节水泵转速使水泵以稳定充水流量向管道充水。当二级泵站前池到设计水位时，启动二级泵站1台变频泵充水至出水池。本段充水时长共约14h。

打开二级泵站出水池旁通充水阀向主干重力流管道充水，当分水点处压力达到设计压力(0.55MPa)时，本段充水时长约2h。

4.1.2 分水点至一、二分干管线充水

打开一分干旁通充水阀进行充水，当管道末端压力达到设计压力(0.23MPa)时，调节型蝶阀投入自动运行，根据新庄水厂水位自动调节阀门开度。本段充水时长约4h。

打开二分干旁通充水阀向重力流管道充水，当管道末端压力达到设计压力(0.46MPa)时，调流调压阀和调节型蝶阀投入自动运行，根据二分干泵站前池水位自动调节阀门开度。本段充水时长约6h。

启动二分干泵站1台变频泵以0.15m3/s的流量向管线充水，当肖庄水厂水池到设计水位时，本段充水时长约7h。

4.1.3 北塬管线充水

启动北塬一级泵站1台水泵，手动调节阀门开度，保持以0.06m3/s的流量向管线充水。当北塬二级泵站前池到设计水位时，启动北塬二级泵站1台泵，保持以0.04m3/s的流量充水至蓄水池。北塬管线充水时长约6h。

4.1.4 开启出口冲洗管道

全线充水完毕后，冲洗流量按管道流速0.8m/s控制。

4.1.5 全线通水带压实验

当管道出口水质达到要求后，将出口关闭，进行24h全线通水带压实验。

4.2 启动运行

(1)首先开启一级泵站第1台水泵，二级泵站及之后泵站的前池水位达到设计水位后，开启二级泵站第1台水泵。在开启后监测各水池水位的变化，适当调节水泵转速，保持流量平衡。

(2)观察启泵之后的系统，当系统压力流量等参数恒定时，再准备开启第2台水泵，间隔不少于60s。

(3)正常运行中，水泵的启停和变频调节根据输水量要求及水池水位进行控制。各泵站前池水位异常变化时及时调节各梯级泵站水泵工作流量，保证上、下游泵站之间的流量匹配。

(4)一分干和二分干重力流采用末端控制阀调节流量，其开度根据水池液位自动控制。

(5)重力流管线末端阀门关闭时，均采用匀速关闭。双管运行时，先关闭一根管道阀门，再关闭第二根管道阀门，间隔不少于60s。

(6)短期停水时，关闭管道末端阀门，保持输水管道的满流状态。

5 设计思考和总结

引黄济临供水工程于2016年9月进行调试通水并投入初期运行，对工程的跟踪观测结果表明，目前系统输水平稳，设备运行正常，调节性能良好，总体满足预期目标。水力机械主要设计特点如下。

(1)工程输水流量受末端用户制约，变幅较大，在保证梯级泵站主泵选型满足基本台数和流量匹配的前提下，水泵电动机组采用了变频调节，不仅解决了流量调节和级间衔接问题，而且高效节能。

(2)一级临库泵站布置型式为圆形(竖井式)干室型泵房，主泵房井深约25m，泵房内机组采用双列交错式布置，节省了占地面积。

(3)泵站水锤防护设施动作灵敏，维护方便，运行安全可靠。重力有压系统控制防护设计采用蝶阀和调流调压阀并联运行方式，兼顾了流量调节、输水安全和工程投资的要求。

(4)长距离输水工程在初期调试时应严格按照设计要求进行，并根据现场记录与目标参数的比对，实时进行优化调整，为工程长期运行积累经验。