楊莊水庫提水泵站取水方式及水泵選型設計

趙曉棟

(山西萬水水利勘測設計咨詢有限公司，山西 太原 030024)

取水泵閘是水庫工程的重要組成部分，對于揚程低、揚程相對變動幅度大、流量大的泵站，國內可以參考借鑒的工程經驗較少。水泵選型既影響取水泵站運行過程的安全穩定，又因不同水泵效率相差較大而對泵站運行維護費用有較大影響。為此，必須充分結合取水泵站實際，采取安全穩定為主，兼顧運行效率和運行維護費用的選型原則，保證提水泵站經濟效益和社會效益的順利發揮。

1 工程概況

楊莊水庫于1979 年4 月建成蓄水，水庫總庫容21.63×104m3，是一座主要承擔防洪任務以及灌溉功能的小(二)型水庫，該水庫大壩上游控制流域面積9.5 km2，發源于任村實堰溝，主河道6 km 長。現狀為20 年一遇洪水設計，100 年一遇洪水校核標準。楊莊水庫受益灌區總灌溉面積1250 hm2，灌區共分為兩大片區:一是酥梨基地提水灌溉工程片區;二是渠道改造工程片區。河床高程806 m～808 m，提水泵站所在地面高程805 m～807 m，采用一級提水灌溉方式，該泵站控制灌溉面積設計灌溉定額35 m3/hm2，當前所對應的灌溉水利用系數為0.855，灌溉時間24 h/d，灌水延續時間16 d/次，提水泵站的總流量設計值為0.56 m3/s。

泵站所在地層上部主要為3.6 m～4.2 m 厚的人工堆積堆渣，而下部地層主要為第四系全新統洪沖積(Q4pal)低液限粉土、卵石混合土層，該地層中低液限粉土層厚度為1.9 m～3.3 m;而卵石夾雜的混合地層結構較為松散，不具備較好的分選性，局部還夾雜有低級配砂透鏡體，粒徑最大值為15 cm，卵礫石中主要為砂巖和灰巖，并表現為次棱角、次圓狀，卵石混合土層勘探深度內未見底。

2 主提水泵站指標

2.1 出水管水頭損失

該提水泵站進水池和出水池水位分別為806.70 m 和891.35 m，出水管水頭損失采取分段計算方式，結果具體見表1，考慮水泵自身水頭損失3 m 后管道沿程總水頭損失18.18 m，則得泵站設計揚程為105.66 m，考慮到不可見因素，設計揚程按109.00 m 計。

表1 出水管水頭損失結果

2.2 管道水力計算

確定提水泵站采用4 臺離心泵，單臺水泵設計流量為0.153 m3/s(550 m3/h)，設計揚程109 m。主管道沿閆燦河布置，沿線設置7 處分水口，各分水口高程沿管道水流方向呈遞增關系，考慮到離提水泵站較近位置的分水口可利用管道內壓力水流的富余水頭，所以經過水力計算，本管道由北向南前四個分水口設置分水閥，利用該位置富余水頭壓送水至高位水池，不再建二級泵站，后三個分水口由于富余水頭不足，則需新建二級泵站，加壓后輸水至高位水池。管道水力計算見表2。

表2 主管道水力計算

3 泵站取水方式

該提水泵根據設計主要從楊莊水庫取水，當庫水位面臨較大幅度變化時，可以借鑒類似取水工程，在以下取水方式中進行選擇:①浮船式取水方式，即將多級臥式離心泵安裝在浮船上實施一級提水，此種取水方式下，所使用泵站數量少，運維管理簡便;②岸坡式取水，即通過深井泵平硐+深井的方式達到取水目的，考慮到該提水泵站設計揚程，故在該設計下必須分兩級取水;③壩后固定式取水，即主要借助多級臥式離心泵實現一級提水;④圓筒式深井泵兩級取水。

3.1 浮船式取水

因楊莊水庫庫水位變幅均值為26.85 m，以上所提到的取水方式中，浮船取水適用于河床穩定且10 m～60 m 河流水位變動幅度的情形，故應首選，并且當聯絡管接頭為搖臂式設計時，岸坡角度應控制在45°。考慮到隨著河水漲落浮船會自動實現上下移動取水，并且所取水為表層水，所以取水質量高，含砂量少。此種取水方式下，吸水泵室較淺，所配備的清污設備也較為簡單，這種浮船式取水方式下不用修建固定式取水構筑物，并且投資也比固定式取水方式更為節省。

但是這種浮船式取水在洪水期內受水流陡漲陡落的影響較大，其輸水管接頭拆換也較為頻繁，還必須加強鋼結構防銹防腐處理，運行管理成本較高。

為保證這種取水方式下泵船的安全及取水性能，必須加強泵船穩定性、抗沉性、錨泊定位及對水庫暴漲暴落適應能力[1]等的控制。(1)取水泵船的穩定性與船舶自身重心及風力直接相關，該提水泵站所用泵船有較大寬深比，且重心低，穩定性較好;(2)取水泵船因受到較大風力以及水流沖刷力的影響后如果其自身錨泊系統缺乏穩定性和可靠性，也會造成移動，楊莊水庫提水泵站泵船應當采取地錨型式設計，通過拋錨以將泵船固定于水庫中;(3)如遇水庫水位陡漲陡落，輸水管便以泵船上所安裝的萬向搖臂接頭為中心自動轉動，以達到適應水位變化的目的;(4)因水體自身的緩沖作用，取水泵船所具備的抵御地震、滑坡等地質災害的能力也比岸上各類船舶等構筑物更加優良。

3.2 岸坡式取水

楊莊水庫取水泵站揚程設計較高，為此必須實施兩級取水泵站設計，其中一級按照岸邊深井泵房形式設計，即先在水庫岸邊打設直徑5.3 m、深30 m豎井，并通過開挖直徑2.0 m、長40 m 水平隧洞與水庫實現穿連，達到引水入豎井的工程目的;二級泵站則主要按照水池取水形式設計，借助提水管線實現與一級泵站的連接。這種設計模式的運行成本比浮船式取水方式高出850 萬元。

3.3 壩后固定式取水

此種取水泵站為岸坡式設計，取水管和大壩導流洞相連，壩后預留的長度2400 m 的提水鋼管穿越河道，且在這種取水方式下，大壩樞紐設置較為復雜，投資額也比浮船式取水方案高出785 萬元，且提水管線運行缺乏可靠性;取水泵站與壩軸線、溢洪道進口等構筑物的直線距離均太近，提水泵站將遭溢洪道泄洪等的干擾較大。

3.4 圓筒式深井泵取水

這種取水方式必須在水庫內新建設計直徑16 m、設計厚度2.0 m、高度35 m 的圓筒形深井泵房，以便進行水泵機組等的安裝，庫底水主要借助壓力鋼管引入高水池內。該取水方式下樞紐設置復雜，總建設成本也比浮船式取水方案高。

綜合以上對不同取水方式的比較，浮船式取水方式投資最為節省，并且為一級提水，泵站運行過程中維護費用也更低，為此，楊莊水庫提水泵站最終選擇浮船式取水方案。

4 水泵選型

結合泵站設計特征參數以及取水條件，借鑒國內類似規模泵站的運行經驗，水泵應當采用定型泵型，具體而言，主提水泵站主要采用單級雙吸臥式離心泵;而各沿線二次加壓泵站和元臺溝提水站、梁村西提水站和梁村東提水站則均采用立式下吸式潛水電泵。因楊莊水庫庫水抽送介質中含有一定量泥沙，此外，單泵運行時軸功率會加大。為此，在電動機選配過程中必須適當增大備用系數[2]。

針對楊莊水庫所存在的年內提水流量、揚程和水位變幅均較大的客觀情況，所選擇的水泵揚程均值必須能保證其在265 m 工況下運行的穩定性和效率性，以使單位能耗達到最小水平。在確定工況點計算時，借助圖解法以及水泵特性曲線、泵站管路特性曲線的交點從而進行工作點流量、揚程、效率及軸功率等參數[3]確定。

楊莊水庫提水泵站初選水泵性能參數及配套電機基本參數見表3 和表4。

表3 主提水泵站水泵及配套電動機表

表4 各加壓泵站水泵及配套電動機表

5 結論

通過本文分析表明，對于漲落速度不超過2.0 m/h，庫水位變幅在10 m～60 m 范圍內且河床穩定的情況下，應當優先選用浮船式泵站取水方式，既能優化工程布置，節省投資及運行維護費用，又能縮短工期，使提水泵站工程的經濟效益和社會效益及早發揮，對于揚程較高的情況還能實施一級提水，提升水泵運行效率，降低能耗。在考慮楊莊水庫提水泵站設計揚程的情況下采用了浮船式一級提水，因與長軸深井泵相比，多級臥式離心泵在各揚程工況下的效率均較高，故該提水泵站運行后可節省電量47 萬kW·h/a，按照工程所在地工業用電收費水平，年節省電費額約29.4 萬元，經濟效益和社會效益十分顯著。