高扬程提水工程泵站分级方案分析

2021-11-29吕晓娟张先帅

西北水电 2021年5期

袁芳,张阳,吕晓娟,张先帅

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前言

泵站作为中国水利工程的重要组成部分，在解决干旱缺水、洪涝灾害、水循环利用、水环境恶化等方面起着不可替代的作用，承担着区域防洪、灌溉、排涝、调水和供水的重要任务[1]。国内的泵站工程按其服务对象、扬程和地理位置不同，主要分布在3个地区，即长江中下游及珠江三角洲地区、黄河中上游地区和其他地区[2]。随着我国社会经济的发展，生产生活用水需求日益增长，为实现不同时空水资源优化配置、解决水资源供需矛盾，大型梯级泵站调水工程越来越多，这类工程具有管线长、扬程高、沿线地形起伏大等特点[3]，如甘肃景泰川电力提灌工程、宁夏固海扬水工程、陕甘宁盐环定扬黄工程、贵州省怀仁市共和水库供水工程等[4]。以甘肃景泰川工程为例，一期工程11个梯级泵站，总净扬程445 m；二期工程输水干渠100多公里，总净扬程602 m。另外，陕西东雷二级泵站安装了国内最大的农用离心泵，单泵扬程225 m、单泵功率8 000 kW[5]。

根据近些年国内梯级泵站建设研究情况，主要集中在梯级泵站的调度运行、自动化控制、节能措施、经济优化、系统运行效率等方面[6-10]。高扬程长距离输水工程，其投资费用较大，运行管理费用较高，如何减少综合投资，提高工程效益，是当前研究的主要课题[11]。对于高扬程提水工程，泵站的分级数量及站址选择直接决定工程的投资和运行管理，故合理确定泵站分级数量及站址位置成为工程设计中的首要问题[12]。本文针对梯级泵站无分水任务的供水系统，以工程投资费用最小为目标，结合工程实际，分析泵站的级数[13]，并以某高扬程提水工程为例，分析工程选址过程，确定工程总布置及泵站分级方案，分析泵站级数对工程布置、工程投资和运行管理等方面的影响，为高扬程提水工程泵站的工程设计提供参考。

1 泵站分级方案分析

1.1 工程概况

西南地区某大型提水工程主要任务为增加团山水库的供水能力，向市区供水，满足市区城镇生活、生产及一座经济文化片区一期工业等用水需要。工程年供水量3011万m3，设计流量1.32 m3/s。工程从1座电站库区取水，设计扬程1 140 m，输水线路总长17.5 km，由3段隧洞工程和5段管道工程组成，其中泵后压力管道长8.37 km，沿线无分水，采用DN1000无缝钢管。

工程位于我国西南山区，全区地形地貌复杂，有山地、盆地(俗称坝子)、河谷三大类型，地形陡峭，植被茂密。区域内出露的地层主要为古生界二叠系上统玄武岩组、中生界三叠系、新生界下第三系和第四系地层。工程区穿越四条断裂带和一座滑坡体，区内地质构造背景复杂，新构造运动、深部构造变形、断裂活动、现代地壳形变等均较强烈，属于构造稳定性差的地区，对应的地震烈度为Ⅷ度。

1.2 工程选线及总体建设条件

工程选线、选址需避开滑坡体和断裂带等不良地质条件。根据区内地形地质情况，选择文化沟两侧(南侧与北侧)进行线路比选。经综合比选分析后，选择布置相对紧凑、干扰小、装机小、线路短、施工条件好的南线方案。该方案的工程首部位于电站坝址上游21 km处金沙江右岸，其余泵站均位于山坡上。工程首部沿线有公路通过，但通往各个建筑物场址需修建部分临时道路或拓宽村道，道路总体纵坡较大，横向边坡亦较高；工程附近可选渣场位置不多，多处布置条件较好的位置因基本农田不能征用，同时受后期规划水库等不能堆埋；工程区有10kv线路通过，首部施工用水可直接从库区抽取，其他施工点距离水源较远。

1.3 泵站分级方案比选

泵站分级尽量采用流量匹配合理，等设计扬程的水泵，以减少水泵型号，便于设备采购、运行维护及管理。梯级泵站站址应根据总功率最小的原则，根据工程总体规划、泵站规模、运行特点和综合利用要求，考虑地形地质、枢纽布置、对外交通、占地、拆迁、施工、管理等因素，经技术经济比较确定[14]。根据工程区地形地质条件，泵站级数拟定从三级提水、四级提水和二级提水3种方案中选择。一级泵站由于地形条件和水位变幅限制，采用浮船取水；方案比选在水泵台数一致的基础上进行，根据机组数量比选结果，每座泵站均选用4用2备共6台机组。

(1) 方案1(三级提水方案)

按照流量匹配、尽量减少泵型原则，3座泵站扬程按总扬程等分确定，即3座水泵均在扬程380 m左右。结合泵站选址条件，一级泵站采用浮船式，位于电站坝址上游21 km处金沙江右岸，出水管长812 m；二级提水泵站位于一级泵站东侧山坡约0.8 km处，出水管长1068 m；三级提水泵站位于二级泵站西北方向约1 km处，出水管长6 493 m，泵站布置见图1。

(2) 方案2(四级提水方案)

该方案是在方案一的基础上增加一级泵站，以减小泵站的扬程，降低单机功率。一级泵站为浮船式泵站，结合工程实际地形地质情况和浮船运行管理情况，尽量降低浮船泵站扬程。方案初定一级浮船泵站扬程110 m，出水管长310 m；二、三、四级泵站扬程等分，每级约340 m，出水管长分别为690 m、820 m和6 550 m，泵站布置见图2。

(3) 方案3(二级提水方案)

该方案在四级提水方案上，将一级泵站扬程适当抬高至扬程220 m，再将二、三、四级泵站合为1座泵站，直抽至顶，扬程940 m。即一级泵站为浮船式泵站，扬程220 m，出水管长380 m；二级泵站扬程940 m，出水管长7 995 m，泵站布置见图3。

图1 方案1泵站布置图

图2 方案2泵站布置图

图3 方案3泵站布置图

(4) 方案比选

综上所述，分析3种方案的主要设计参数和优缺点对比详见表1。

表1 方案比选分析表

根据上述3个方案设计情况可知，二级提水(方案3)虽然便于选址、建设条件较好，但二级泵站扬程太高，压力过大，国内暂无类似高扬程、长距离提水工程的成功经验可借鉴，工程运行安全难以保证，首先排除该方案。三级提水和四级提水方案总装机相差不大，水锤压力及防护锤措施亦差别不大；投资及占地方面四级提水泵站稍大，三级提水相比于四级提水具有级数少、占地小、站址地形较缓、交通条件较好、土建工程量较少、后期运行管理较简单等优点。而四级提水泵站占地面积大，选址均在山坡上，地形陡峭，基本无对外交通道路，建设征地和施工难度较大。因此，从工程建设条件和后期运行管理方面看，三级提水方案更优，但对于一级浮船泵站扬程较高，国内类似高扬程浮船泵站较少的问题，需做好方案论证和浮船厂家的技术调研工作，以确保一级泵站在技术上的可行性。

2 结论与建议

2.1 结论

本提水工程梯级泵站分级数量受地形影响较大，方案选择中主要考虑以下几点：

(1) 本提水工程的3个分级方案总装机及投资相差不大，从压力角度考虑，方案3(二级提水)压力过大，从工程运行安全方面考虑，在没有技术论证和实践经验可借鉴的情况下尽量不选用。

(2) 方案2(四级提水)压力小，更加安全可靠，且浮船泵站扬程低，制造安装都相对简单，成功案例较多，但工程区地形陡峭，对外交通条件较差，泵站选址受到极大影响；同时考虑建成后的运行管理，推荐了级数较少的方案1(三级提水)，但该方案存在的问题也较明显，如一级浮船泵站扬程较高，国内类似的高扬程浮船泵站较少，工程技术的可行性需进一步论证。

(3) 本提水工程的总扬程与肃北县马鬃山镇供水工程相似，均为千米以上扬程，沿途无分水输水系统。肃北县马鬃山镇供水工程设计扬程1 111 m，设计流量0.617 m3/s，泵后压力管道114 km，工程对10级、12级和14级泵站3种分级方案对比，最终选定12级方案，每级扬程约90 m，总装机21 150 kW[6]。本工程由于地形地质条件和建设条件与肃北县马鬃山镇供水工程差异较大，最终选定的泵站级数差异也较大。由此可知，梯级泵站的级数确定受地形地质条件和交通、施工等建设条件影响较大，同时需结合设备选型、水锤压力等方面综合考虑，是一个综合各方面因素分析的过程。

(4) 无论哪个方案，在高扬程泵站中，水锤压力对泵和管道的冲击影响均较大，需要详细分析其水力过渡过程，并采取可靠的防护措施，以保证工程的运行安全。