引黃濟臨供水工程水力機械設計和運行

胡斌超，劉有亮，王開喜

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省臨夏州引黃濟臨供水工程主要任務是解決臨夏市城鄉生產生活用水，年供水量4970萬m3。工程由劉家峽水庫提水，輸水至臨夏市新莊水廠、北塬區和肖家水廠，設計流量1.95m3/s，總提水揚程約456m，輸水管線總長40.5km。工程區地處隴西黃土高原西北部，區內溝壑縱橫、山巒起伏，管線布置受地形限制，采用水泵加壓和重力有壓相結合的輸水方式。

水力機械設計主要參考現行相關的設計規范標準[1-3]和國內外類似工程的設計經驗進行，本文主要介紹了主泵選型、豎井泵房設備布置、輸水控制及安全防護設計，并對現場調試情況進行了簡要說明。

1 工程布置

工程輸水系統主要由取水樞紐、梯級泵站、輸配水管線、凈水廠等組成[4]。取水樞紐布設于劉家峽水庫蓮花碼頭東側500m處，主干管經一級和二級泵站加壓輸水至出水池，再以重力流輸水至馮家臺分水點。之后分為兩支，一分干重力流輸水至新莊水廠，再通過北塬一級和二級泵站加壓分水至北塬區。二分干沿北濱河路重力流輸水至東郊公園，再經二分干泵站加壓輸水至肖家水廠。工程輸水系統示意如圖1所示。

圖1 工程輸水系統示意圖

2 泵站加壓輸水工程

2.1 泵站設計參數

工程共設有5座泵站，其中主干管線起始端設置2座梯級泵站，北塬管線設置2座泵站，二分干管線末端設置1座泵站。泵站設計參數見表1。

表1 泵站設計參數

2.2 主泵選型

2.2.1 水泵型式

各級泵站設計揚程在61～144m之間，水泵型式均選定為臥式雙吸離心泵，其結構簡單、運行可靠、效率高且高效區寬、運行維護方便。

2.2.2 主泵臺數與運行方式

在提水揚程和流量一定時，機組臺數越多，調度靈活性越好，同時由于臺數的增加，設備投資增加，泵房加大，工程總投資加大；機組臺數少，備用機組容量增大，但土建工程量減小，工程總投資減小。

一級泵站和二級泵站設計揚程相近，輸水流量相同，級間無分流，為滿足泵站級間配合的要求，在泵型選擇中需保持主泵臺數及提水流量一致。綜合考慮工程投資、水泵裝置效率、長期運行費用、運行調度等因素，2泵站均裝機4臺，設計工況運行時3臺工作、1臺備用。

根據泵站總揚程和輸水流量，選定北塬一級、北源二級和二分干泵站均裝機3臺，設計工況運行時2臺工作、1臺備用。

2.2.3 流量調節

劉家峽水庫水位變幅較大，一級臨庫泵站揚程范圍為61.7～93.5m，水位變化時引起水泵出水量偏離設計值。一級和二級泵站輸水管道長度相差較大，分別為11.8和2.9km，導致兩級泵站在流量變化時的管道損失揚程差異較大，當輸水流量在1.95～0.325m3/s之間調節時易引起級間不平衡。

二分干泵站輸水管道較長，前池和出水池均不具備調蓄能力，水泵的運行方式受末端用戶的制約較大。

為滿足泵站級間匹配和流量調節要求，上述3座泵站水泵機組均選用變頻調節[5]。

北塬一級和二級泵站輸水量較小，出水池均具有一定的調蓄能力。

2.2.4 選定機組參數和泵站運行工況

選定機組參數見表2，典型運行工況如圖2(一級)和圖3(北塬一級)所示。

2.3 泵站水錘防護設計

工程各級泵站揚程較高，壓力管道較長，在泵站事故失電時水泵最高升壓和最高反轉速度均較大，管路中多處出現水柱斷裂。根據水力過渡過程仿真計算成果，采用以下防護措施[6]：①一級、二級和二分干泵站水泵出口裝設2階段關閉液控止回偏心半球閥，北塬一級和二級泵站水泵出口裝設多功能水泵控制閥；②各泵站出水總管設置壓力波動預止閥；③工程輸水管道沿線設置空氣閥。主要防護成果見表3。

表2 選定機組參數

圖2 一級泵站運行工況

圖3 北塬一級泵站運行工況

表3 泵站水錘防護成果

2.4 泵房設備布置

工程各泵站主泵均采用負吸程安裝，除一級泵站外，均采用矩形干室型泵房，泵房內機組一列式布置。

一級臨庫泵站采用圓形(豎井式)干室型泵房，主泵房井深約25m。為減小泵房尺寸，節省工程投資，機組采用雙列交錯式布置，泵組旋轉方向2臺順時針，2臺逆時針。一級泵站設備布置如圖4所示。

圖4 一級泵站設備布置

3 重力有壓輸水工程

3.1 重力有壓輸水系統設計參數

主干輸水管線在二級泵站出水池后，以重力流輸水至馮家臺分水點，之后一分干重力流輸水至新莊水廠，二分干重力流輸水至二分干泵站。重力有壓輸水系統設計參數見表4。

表4 重力有壓輸水系統設計參數

3.2 重力有壓輸水控制防護設備選擇

3.2.1 末端控制閥

工程重力流管線生產運行中調節流量時，均采用末端控制閥進行調節，以避免關閉上游閥門造成局部管道拉空和明滿流交替現象，引起管道水錘破壞。

根據管線布置特點，一分干重力有壓輸水管道末端壓差較小，設置調節型蝶閥做為末端控制閥。

二分干重力有壓輸水管道接入泵站前池，壓差變化較大，直接影響前池水位和水泵運行工況。當設計流量輸水時管道末端壓差較小，采用調節型蝶閥控制；小流量輸水時末端壓差較大，采用小口徑隔膜式數字控制調流調壓閥進行流量和壓力調節。2閥并聯設置，根據閥前壓力值自動切換。在設計流量關閥時，調流調壓閥亦配合調節型蝶閥開啟、關閉，以保證系統安全。

3.2.2 管道沿線設備

重力流輸水管道根據地形情況，主要采用復合式空氣閥來解決流量調節和充水放空過程中的局部水力波動。各段長輸水管道均設置有檢修閥和放空閥，并分段設置了流量和壓力量測設備，實時監測系統運行狀態。

3.2.3 重力流水錘防護

本工程重力有壓輸水管線距離較長且起伏較大，選定的主要防護方案為：優化末端控制閥的動作規律，并在沿線布設空氣閥[7]。經水力過渡過程仿真計算，各管線最大水錘壓力滿足規范規定，均無負壓產生。主要計算成果見表5。

表5 重力有壓輸水系統水錘防護成果

4 通水聯調

4.1 充水

工程輸水管線總長40.5km，充水流速按0.3～0.4m/s控制，管網總體充水原則為：從上游到下游、先主干管后分干管、依次逐級順序進行。

通過對沿線空氣閥的排氣狀態觀察，以及現場壓力和流量監測記錄，實際充水過程與設計充水要求基本一致。操作程序如下。

4.1.1 主干管線充水

主干單管充水流量控制在0.33m3/s左右，啟動一級泵站1臺變頻泵，調節水泵轉速使水泵以穩定充水流量向管道充水。當二級泵站前池到設計水位時，啟動二級泵站1臺變頻泵充水至出水池。本段充水時長共約14h。

打開二級泵站出水池旁通充水閥向主干重力流管道充水，當分水點處壓力達到設計壓力(0.55MPa)時，本段充水時長約2h。

4.1.2 分水點至一、二分干管線充水

打開一分干旁通充水閥進行充水，當管道末端壓力達到設計壓力(0.23MPa)時，調節型蝶閥投入自動運行，根據新莊水廠水位自動調節閥門開度。本段充水時長約4h。

打開二分干旁通充水閥向重力流管道充水，當管道末端壓力達到設計壓力(0.46MPa)時，調流調壓閥和調節型蝶閥投入自動運行，根據二分干泵站前池水位自動調節閥門開度。本段充水時長約6h。

啟動二分干泵站1臺變頻泵以0.15m3/s的流量向管線充水，當肖莊水廠水池到設計水位時，本段充水時長約7h。

4.1.3 北塬管線充水

啟動北塬一級泵站1臺水泵，手動調節閥門開度，保持以0.06m3/s的流量向管線充水。當北塬二級泵站前池到設計水位時，啟動北塬二級泵站1臺泵，保持以0.04m3/s的流量充水至蓄水池。北塬管線充水時長約6h。

4.1.4 開啟出口沖洗管道

全線充水完畢后，沖洗流量按管道流速0.8m/s控制。

4.1.5 全線通水帶壓實驗

當管道出口水質達到要求后，將出口關閉，進行24h全線通水帶壓實驗。

4.2 啟動運行

(1)首先開啟一級泵站第1臺水泵，二級泵站及之后泵站的前池水位達到設計水位后，開啟二級泵站第1臺水泵。在開啟后監測各水池水位的變化，適當調節水泵轉速，保持流量平衡。

(2)觀察啟泵之后的系統，當系統壓力流量等參數恒定時，再準備開啟第2臺水泵，間隔不少于60s。

(3)正常運行中，水泵的啟停和變頻調節根據輸水量要求及水池水位進行控制。各泵站前池水位異常變化時及時調節各梯級泵站水泵工作流量，保證上、下游泵站之間的流量匹配。

(4)一分干和二分干重力流采用末端控制閥調節流量，其開度根據水池液位自動控制。

(5)重力流管線末端閥門關閉時，均采用勻速關閉。雙管運行時，先關閉一根管道閥門，再關閉第二根管道閥門，間隔不少于60s。

(6)短期停水時，關閉管道末端閥門，保持輸水管道的滿流狀態。

5 設計思考和總結

引黃濟臨供水工程于2016年9月進行調試通水并投入初期運行，對工程的跟蹤觀測結果表明，目前系統輸水平穩，設備運行正常，調節性能良好，總體滿足預期目標。水力機械主要設計特點如下。

(1)工程輸水流量受末端用戶制約，變幅較大，在保證梯級泵站主泵選型滿足基本臺數和流量匹配的前提下，水泵電動機組采用了變頻調節，不僅解決了流量調節和級間銜接問題，而且高效節能。

(2)一級臨庫泵站布置型式為圓形(豎井式)干室型泵房，主泵房井深約25m，泵房內機組采用雙列交錯式布置，節省了占地面積。

(3)泵站水錘防護設施動作靈敏，維護方便，運行安全可靠。重力有壓系統控制防護設計采用蝶閥和調流調壓閥并聯運行方式，兼顧了流量調節、輸水安全和工程投資的要求。

(4)長距離輸水工程在初期調試時應嚴格按照設計要求進行，并根據現場記錄與目標參數的比對，實時進行優化調整，為工程長期運行積累經驗。