西北地区高扬程多起伏输水工程选型设计

刘 君，贾 宝，唐 波

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

随着我国区域协调发展战略、主体功能区战略和完善新型城镇化战略的持续推进，具有区域资源优势的地区开始大力发展新型城镇，而输水工程建设是新型城镇建设启动的必要条件之一。在我国西北地区，由于水资源匮乏及严重分布不均，新型城镇输水工程往往具有管线长、扬程高、流量相对小、沿线地形起伏点多且对供水保证率要求高的特点，此外户外水锤防护措施的选择也需充分考虑西北地区冬季寒冷天气的影响。

1 工程概况

陕北某新型城镇输水工程是一个典型的西北地区长距离、高扬程、多起伏输水工程，工程区位于陕西省最北部，地处毛乌素沙漠南缘，位于黄土高原与毛乌素沙漠的过渡区，西北部为风沙草滩区，东南部为黄土沟壑区，多年最大积雪深度120 mm，最大冻土深度146 cm。该工程位于水库下游，输水工程的总体布置为：通过坝内预埋供水钢管引至加压泵站的进水池，从进水池中取水，通过一级泵站加压，沿右岸河床输水至下游1.26 km处并沿垂直等高线爬坡至坡顶，沿河右岸坡顶沙丘至园区东北角道路外侧，然后沿道路引到水厂，输水线路总长约10.5 km，沿线管路多起伏，最大爬坡高度约90 m。泵前输水管道为DN500单管吸水，主输水管道为DN800双管平行布置。输水能力为1.39 m3/s，泵站出水口接至水厂水池，泵站设计扬程为157.7 m。该输水工程的管路纵剖面示意图如图1所示。

图1 输水管路纵剖面示意图Fig.1 Schematic of longitudinal section of water transfer pipeline

2 输水工程选型设计的关键技术问题

2.1 管线布置及管材选择

本输水工程所在地的多年季节性标准冻土深度为地面以下1.10～1.46 m，因此输水管线需埋设在距地面1.5 m以下。根据规范[1]要求，输水干管不宜少于两条，当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可修建一条。考虑到该新型城镇可能在一段时间内为单水源供水，新型城镇对供水的保证率及可靠性要求比较高，因此为了保证供水的可靠性，本工程管线按两条输水管线并行布置设计。当两条压力输水管并行布置时，两管之间要有一定的防冲刷间距，以保证当一条输水管损坏时，另一条输水管仍可安全运行，本工程双管间距按15 m设计。

在长距离输水调水工程中，管道部分占工程总投资的比重相对较大。目前我国使用的中、大口径输水管材主要有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管和预应力钢筋混凝土管等。这几种管材在经济技术方面的对比如表1所示。

从表1中可以看到，球墨铸铁管具有较高承压能力及较高的抗震能力[2]；安装速度快，施工费用低，DN800球墨铸铁管安装工时大约30 min，能较好地满足施工工期要求；具有良好的防腐性能，规定使用年限高于50年；接口为柔性接口，可偏转2°～3°，可在极其软的地基中敷设；密封性好。球墨铸铁管由于具有优良的机械性能，防腐外喷锌、涂沥青，不需在管沟做沙垫层；对回填土无特殊要求，可使用原土回填。另外，球墨铸铁管的综合造价比预应力钢筒混凝土管高，但比钢管费用低。综上所述，球墨铸铁管由于使用寿命较焊接钢管长很多，综合比较下来费用要低于钢管。在同样使用期限内，预应力钢筒混凝土管每年费用相对比球墨铸铁管低一些，但预应力钢筒混凝土管重量大，运输安装较球墨铸铁管困难。因此通过综合比较，本输水工程对泵房内的DN500/DN400输水支管采用了钢管，对DN800主输水管线则采用了钢管和球墨铸铁管两种管材。

表1 输水管道管材性能比较表Tab.1 Pipeline performance comparison table of water pipeline

2.2 设计扬程计算

设计运行水位是计算确定设计扬程的依据，设计扬程为净扬程与总水头损失之和。本工程净扬程的计算中预留了水厂设备运行所需的必要水头。平均扬程是泵站运行历时最长的工作扬程，选择水泵型号时，应使其在平均扬程工况下处于高效区运行。总水头损失由局部水头损失和沿程水头损失组成，对于圆管满流，沿程水头损失一般采用达西-韦伯公式计算，而达西-韦伯公式中的谢才系数C或沿程阻力系数λ与水流流态有关，在实际应用中对于谢才系数C或沿程阻力系数λ的计算，国内外使用较为广泛的公式有曼宁公式和海曾-威廉公式。水头损失计算公式都是在不同的实验条件中建立的，不同公式的应用条件有所不同。曼宁公式和海曾-威廉公式的区别如下[3]：

(1)曼宁公式简单明了，应用方便，特别适用于较粗糙的非满管流和明渠均匀流的水力计算，最佳使用范围为0.5 mm≤e≤4.0 mm(e为管材内壁当量粗糙度)。此公式基本上为各大设计院和高校计算管道沿程水头公式所选择，据经验，其计算结果略大于工程实际。

(2)海曾-威廉公式在给水供水管线及管网的水力计算中应用广泛。

本工程分别采用了以上两种公式进行沿程损失计算，其中采用谢才-曼宁公式计算的沿程损失为28.61 m(铸铁管粗糙系数取0.013，钢管粗糙系数取0.012)，采用海曾-威廉公式计算的沿程损失为24.06 m(海曾-威廉系数取120)，通过分析最终采用了海曾-威廉公式计算结果。对于局部水头损失，考虑渐变、水池进口、出口、直流汇合、直流分支、弯管、阀门等局部损失，经计算，单管正常供水时，局部水头损失为6.64 m。单管正常供水时，总水头损失=沿程水头损失+局部水头损失=30.7 (m)。故正常工况供水时，泵站设计扬程取为157.7 m。

2.3 水泵选型

2.3.1 水泵选型原则

水泵型式选择不仅影响泵站的长期、安全、稳定运行，而且影响着水工建筑物的布置方案，因此应根据泵站特点进行对比和论证，选型原则[4]主要如下：

(1)应满足工程设计流量、设计扬程及不同时期的供水需求。

(2)平均扬程应尽可能处于水泵最高效率区，整个运行区域应尽可能在水泵较高效率区。

(3)宜优先选用技术成熟、性能先进的产品。

(4)具有多种泵型可供选择时，应结合水泵水力性能、安装检修条件、土建机电工程量、总投资及后期运维费用等方面进行综合分析及论证。

(5)结合供水对象、流量变幅、工程投资等方面，合理选择主用泵台数和备用泵台数，综合考虑设置变频电机的必要性。

2.3.2 泵型及台数

根据上述水泵选型原则按照下列步骤选择合适的水泵。根据本输水工程的扬程范围，选择离心泵。多级离心泵扬程很高、流量小，单级单吸立式离心泵扬程偏小，而双吸离心泵具有扬程高、流量大、运行平稳等优点，故本输水工程采用双吸离心泵。水泵采用自灌式充水，水泵外壳顶点低于进水池内的最低水位。

在日供水量变化幅度基本确定，机组工作特性基本可比的情况下，拟定机组方案为：方案一：5台(3用2备)；方案二：6台(4用2备)；方案三：7台(5用2备)。3用2备方案，一期供水若采用一台泵供水，流量偏小；采用两台泵，则流量偏大，供水量变幅的适应性较差，为了使加压泵站在运行上具备必要的适应能力，机组配置数量不宜过少。5用2备方案，一期供水若采用2台泵供水，流量偏小；采用3台泵供水，则流量偏大，而且在二期供水中，并联运行的台数超过4台，工作点偏移较大，且一般随着台数增加，配电盘柜数量增多，费用增加。故本工程最终采用方案二：6台(4用2备)。

2.3.3 水泵特性参数及主要结构特点

最终确定的水泵型号为ASP250-690R，其主要参数见表2所示。

表2 ASP250-690R型水泵性能表Tab.2 ASP250-690R type pump performance table

水泵叶轮为双吸，闭式，整体结构，加工平滑，且经过动静平衡试验，其材料为双向不锈钢。叶轮与轴采用键紧固安装，上泵壳和下泵壳能固定装有轴承组件的轴承箱、轴及叶轮，抗压力-密封性能好。传动轴为优质不锈钢-双向不锈钢，其将动能传给叶轮及水，轴密封将吸入端的水和空气隔离、密封。在泵体密封处内有填料、密封水环、填料压盖、调节填料箱螺柱和密封水接口。密封形式为单机械密封。

2.4 水泵指标校核及电动机选择

(1)水泵运行工作点推求。为了确保泵型及管路布置方案匹配合理，应进行水泵装置工作点计算，确保工作点处于水泵高效率区，否者应重新选泵，或更改管路布置方案，或进行变频调节。ASP25-690R型号泵效率曲线较为平缓；当同一水力单元的两台泵同时运行时(设计工况)，两台泵供水流量为0.76 m3/s，单泵流量为0.38 m3/s，扬程约154 m，水泵效率为84%，满足设计流量的要求，且效率较高。随着该工程投入运行时间的增长，管道损失增大，两台泵同时运行时的流量会往小流量、高扬程偏移，但仍满足设计流量(单泵0.35 m3/s)的输水要求。

(2)最大轴功率。当单泵运行时，轴功率最大。考虑到水厂初期投入运行或出水池检修放空后，出水池的水位很低，在此种情况下推求最不利工况最大轴功率工作点。

由图2可知，最大轴功率发生在Q=0.52 m3/s，H=130.5 m时，此时最大轴功率计算值为853.5 kW。由于水泵在生命周期内存在效率降低的趋势，以及泵可能无法达到样本现有最大效率，故在当前效率值要减去一个效率裕度3%。此外考虑到损失计算是经验公式，本工程又是长距离输水，随着管道材料、技术工艺的发展和进步，管道实际水头损失可能会略小于公式计算值，实际运行工作点可能会进一步向大流量和低扬程处略偏移，导致实际轴功率可能继续偏大。主电动机的容量应按水泵运行可能出现的最大轴功率选配并预留适当裕度。

图2 最大轴功率推求点计算示意图Fig.2 Schematic diagram of maximum shaft power calculation

(3)电动机特性参数及主要结构特点。异步电动机的定子绕组接交流电网，转子绕组不需要与其他电源连接，因此异步电动机具有结构简单可靠、运维方便、成本较低等优点，同时异步电机具有较高的效率。根据水泵额定转速1 480 r/min和配套功率1 000 kW，本工程选用6台1RQ1450-4JA80型箱式三相异步电动机。电动机卧式安装，防护等级IP55，冷却方法采用全空冷，电机定子铁芯选用优质冷轧硅钢片。电动机设有防潮加热装置，电机能在最大反转飞逸转速历时30 min而不产生有害变形。电动机为S1工作制，能24 h连续、长期正常稳定运行，表3为1RQ1450-4JA80型电动机性能表。

表3 1RQ1450-4JA80型电动机性能表Tab.3 1RQ1450-4JA80 type motor performance table

2.5 水锤防护措施的优化与选择

本输水系统管线长，高差大，沿线局部高点较多，在发生事故停泵时，很容易出现严重的水柱分离及再弥合现象，产生巨大的水锤压力，从而给管线系统安全运行带来很大威胁，因此防护水锤是本工程需关注的重点问题[5-7]。据工程所在地的气象站多年实测值，工程所在地多年平均气温8.7 ℃，多年最冷月月平均气温-15 ℃，极端最高气温38.9 ℃，极端最低气温-27.9 ℃。因此在水锤防护措施的选择上，应首先考虑户外水锤防护设备能在西北地区冬季寒冷天气下连续正常稳定工作。

经过大量计算比选及分析，发现调压塔方案的水锤防护结果最为安全、可靠，但存在冬季防冻的问题，而空气罐水锤防护方案的造价较大，不够经济，因此通过优化最终采用了注气微排阀+泵控阀+超压泄压阀的综合防护方案，大大节省了投资。由于本工程管线起伏较大，部分位置的注气微排阀在过渡过程时进气量较大，因此在进气量较大的位置布置两个注气微排阀，注气微排阀采用牛角状布置，进气口径为100 mm，排气口径为8 mm。

在每台水泵出口装设一个直径为400 mm的多功能泵控阀，用以防止水泵在停泵、事故停电或关阀时可能发生的水锤，可有效地提高泵站和管道系统运行的安全可靠性，泵控阀无需人力、电气、电磁等方式控制，具有节能效果。对于泵控阀，要求零流量时大阀瓣落到位，小阀瓣能按给定的慢关时间关闭。通过大量计算及优化，最终推荐0～3.5 s关闭90%、3.5～20 s全关的两阶段关阀方案。此外在母管处装设了口径为400 mm的超压泄压阀，其起跳压力为180 m，全开压力190 m，回座压力160 m。计算结果显示同一水力单元的2台泵同时事故停泵工况下，输水系统的最大压力207.34 m，是稳态运行最大压力的1.26倍；最小压力-4.63 m，系统中没有出现汽化现象。水泵最大倒流流量-0.029 m3/s，没有出现水泵倒转现象。

图3 设计工况下输水系统稳态运行时的压力线Fig.3 Pressure line during steady state operation of water transfer system under design condition

图4 事故停泵工况下的输水系统最大压力线和最小压力线Fig.4 Maximum pressure line and minimum pressure line of the water transfer system under accidental pump stop condition

3 结 语

对于长距离高扬程多起伏输水工程，管线布置、管材选择、设计扬程计算、水泵选型、水泵指标校核、电动机选择及水锤防护措施的合理选择，是确保输水工程安全、稳定、经济和可靠运行的关键因素，应对技术性与经济性进行充分的比较。本文以陕北某新型城镇输水工程为例，介绍了西北地区长距离高扬程多起伏输水工程的关键技术问题，可供类似输水工程的选型设计参考。本工程自2015年通水以来，至今运行安全、稳定，为陕北某新型城镇提供了可靠的生产生活用水，有效地保障了新型城镇的健康发展。

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