山西省萬(wàn)家寨引黃工程總干線一、二級(jí)地下泵站流量自平衡

潘 玉 龍

山西省萬(wàn)家寨引黃工程是一項(xiàng)跨流域的大型引水工程,位于山西省西北部,從黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)取水,分別向太原、大同、平朔3個(gè)能源基地供水。工程首部總干線一、二級(jí)地下泵站設(shè)計(jì)流量48 m3/s,提水總揚(yáng)程280 m,每級(jí)泵站安裝10臺(tái)大型立式水泵,單泵設(shè)計(jì)流量6.45 m3/s。由于工程引水期萬(wàn)家寨水庫(kù)水位在957～980m之間,變幅達(dá)23 m,出口申同嘴水庫(kù)水位變幅7.5 m,造成2座泵站之間流量不平衡矛盾十分突出。通過(guò)研究該段輸水系統(tǒng)泵站間采用有壓隧洞串聯(lián)布置方案,在每座泵站上下游設(shè)進(jìn)、出水調(diào)壓井,在有壓隧洞中段設(shè)溢流井等工程措施,實(shí)現(xiàn)了2座泵站提水流量自動(dòng)匹配。

工程分2期建設(shè),一期工程經(jīng)總干線、南干線及聯(lián)接段向太原市年供水3.2億m3；二期工程經(jīng)總干線、北干線實(shí)現(xiàn)向大同、朔州供水5.6億m3和最終向太原市年供水6.4億m3。一期工程主體已於2001年建成,2002年后進(jìn)行了全線通水,至今已安全運(yùn)行8年。

1 總干線首部輸水系統(tǒng)布置

總干線首部輸水系統(tǒng)從萬(wàn)家寨水庫(kù)到申同嘴水庫(kù)段由2座地下泵站、4條壓力隧洞、3座調(diào)壓井、1座溢流井和申同嘴日調(diào)節(jié)水庫(kù)組成。3個(gè)調(diào)壓井分別設(shè)置在2座泵站的進(jìn)出水處,溢流井位于2座泵站之間的4#隧洞上。

引水線路由2條壩內(nèi)引水管道從萬(wàn)家寨水庫(kù)引水進(jìn)入2個(gè)直徑為D=4.0 m的1#和2#有壓隧洞,匯合成內(nèi)徑D=5.6 m,長(zhǎng)813 m的3#有壓隧洞,向一級(jí)泵站輸水。水流流入直徑為D=12 m的進(jìn)水調(diào)壓井(1#調(diào)壓井)后,由1條進(jìn)水總管分出10根支管向廠房輸水。一級(jí)泵站設(shè)計(jì)流量48 m3/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程140 m,安裝10臺(tái)大型立式水泵,單泵設(shè)計(jì)流量6.45 m3/s,每臺(tái)水泵出口設(shè)兩階段關(guān)閉緩閉蝶閥,出水系統(tǒng)管道也按10機(jī)1管布置,進(jìn)、出水總管與主廠房平行,出水支管出廠房后10根支管匯合成1條總管(D=5.2 m)經(jīng)豎井上升至出水調(diào)壓井(2#調(diào)壓井)。進(jìn)、出水總管的進(jìn)、出口最大直徑分別為D=5.4 m和D=5.2 m,出水調(diào)壓井直徑為D=12 m。一級(jí)泵站出水調(diào)壓井后水流經(jīng)內(nèi)徑D=5.6 m,長(zhǎng)1 724 m的4#有壓隧洞向二級(jí)泵站進(jìn)水調(diào)壓井(3#調(diào)壓井,D=12 m)輸水,二級(jí)泵站進(jìn)水系統(tǒng)布置及主廠房機(jī)型、臺(tái)數(shù)、設(shè)計(jì)流量均與一級(jí)泵站相同。水流經(jīng)二級(jí)泵站提水后10根支管匯合成1條總管(D=5.2 m)經(jīng)豎井上升入申同嘴水庫(kù)。

利用地形條件在1#調(diào)壓井頂部980 m高程設(shè)溢流口,溢流寬度10 m；在4#隧洞中部設(shè)置溢流井,井內(nèi)徑D=5.2 m,井頂溢流口高程1 120 m,溢流寬度16.3 m。

申同嘴水庫(kù)為一日調(diào)節(jié)水庫(kù),由斷面為復(fù)式矩形的渠道組成,引水期水位日變幅從1 240.5～1 248.0 m,有效庫(kù)容15萬(wàn)m3,水庫(kù)出口設(shè)3孔放水閘和2個(gè)流量調(diào)節(jié)閥,在庫(kù)水位變化時(shí)通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)和改變放水閘開度使下泄流量維持恒定,向下游總干三級(jí)泵站放水(見圖1)。

2 泵站級(jí)間流量平衡計(jì)算及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性分析

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

2.1.1 水庫(kù)特征水位和揚(yáng)程

水庫(kù)特征水位見表1。

圖1 總干一、二級(jí)泵站水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算模型

表1 水庫(kù)特征水位 m

最小凈揚(yáng)程260.5 m,設(shè)計(jì)揚(yáng)程272.13 m,最大凈揚(yáng)程291.0 m。

2.1.2 水泵特性

2.1.2.1 水泵特性

表2為總干一、二級(jí)泵站水泵的揚(yáng)程與流量關(guān)系值。

表2 總干一、二級(jí)泵站水泵的揚(yáng)程與流量關(guān)系

2.1.2.2 水泵的主要額定參數(shù)

水泵型式 立式單級(jí)單吸離心泵

裝機(jī)臺(tái)數(shù) 2泵站各10臺(tái) (其中2臺(tái)備用)

設(shè)計(jì)揚(yáng)程HR/m 140

設(shè)計(jì)流量 QR/(m3?s-1) 6.45

額定效率ηR/% 90.02

額定轉(zhuǎn)速 nR/(r?min-1) 600

比轉(zhuǎn)數(shù)ns136.66

額定功率NR/kW 12 000

2.1.2.3 水泵揚(yáng)程和流量的關(guān)系

水泵揚(yáng)程和流量的關(guān)系曲線見圖2。

圖2 總干一、二級(jí)泵站水泵揚(yáng)程和流量的關(guān)系曲線

2.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算是按照水泵的揚(yáng)程和流量特性曲線(圖2和表2)計(jì)入2個(gè)泵站管路的損失,在給定萬(wàn)家寨水庫(kù)水位和申同嘴水庫(kù)水位,以及出口閘流量,并規(guī)定2泵站泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)下,選取2泵站初始的單泵流量以及溢流井的水位,以2泵站的總流量相等為條件,進(jìn)行迭代到指定精度,而得到解答。

在萬(wàn)家寨水庫(kù)水位變化范圍內(nèi),確定:①總干一、二級(jí)泵站各開機(jī)1～8臺(tái),開機(jī)臺(tái)數(shù)相同時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性；②事故停機(jī)后,總干一、二級(jí)泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)不相同,系統(tǒng)在可以安全運(yùn)行的組合下泵的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性。

二站開機(jī)臺(tái)數(shù)相同的計(jì)算結(jié)果見表3,在2個(gè)站開機(jī)臺(tái)數(shù)相同下,兩級(jí)泵站機(jī)組的工作點(diǎn)相同,在額定值附近,泵的效率高。從表中可以看到:

表3 兩站開機(jī)臺(tái)數(shù)相同時(shí)穩(wěn)態(tài)特性計(jì)算結(jié)果

(1)對(duì)應(yīng)不同的泵站凈揚(yáng)程和不同的開機(jī)臺(tái)數(shù),單泵的流量為5.93～7.04 m3/s,位于高效率區(qū),相應(yīng)的工作揚(yáng)程為132.10～149.28 m,靠近水泵額定值。

(2)各調(diào)壓井的水位變幅列在表4中。

表4 穩(wěn)態(tài)工況下調(diào)壓井極限水位 m

二站開機(jī)臺(tái)數(shù)不相同時(shí),進(jìn)行了開機(jī)臺(tái)數(shù)相差1～3臺(tái)的計(jì)算,一、二級(jí)泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)不同時(shí)保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的允許組合見表5。這些組合主要用于機(jī)組事故停泵的非常情況。此時(shí),溢流井不棄水,隧洞中不脫空,維持系統(tǒng)穩(wěn)定輸水,但泵的效率有所降低。

系統(tǒng)以允許的組合運(yùn)行時(shí),單泵的流量范圍拓寬為 5.04～8.00 m3/s,仍位于高效率區(qū),相應(yīng)的工作態(tài)特?fù)P程為117.05～160.33 m。泵站流量的變化范圍為20.57～51.20 m3/s。

表5 一、二級(jí)泵站開機(jī)臺(tái)數(shù)不同時(shí)運(yùn)行允許的組合

兩站開機(jī)臺(tái)數(shù)相差1臺(tái)時(shí)穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 兩站開機(jī)臺(tái)數(shù)相差1臺(tái)時(shí)穩(wěn)態(tài)特性計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

總干線首部工程從萬(wàn)家寨水庫(kù)經(jīng)總干一、二級(jí)泵站到申同嘴水庫(kù)段采用壓力流半聯(lián)布置方案,并在每級(jí)泵站前后設(shè)進(jìn)、出水調(diào)壓井,解決了工程引水期萬(wàn)家寨水庫(kù)水位變化23m,通過(guò)2座泵站各自的進(jìn)、出水調(diào)壓井對(duì)揚(yáng)程的自動(dòng)調(diào)整作用,使二站提水流量相等,運(yùn)行方便、可靠。采用變速機(jī)組解決流量平衡相比較節(jié)省了變頻設(shè)備投資和電能損耗。

這種布置型式可以推廣至國(guó)內(nèi)大型跨流域堤水工程中。