農村水池工程中泵站水力機械選型及電氣設計

關鍵詞：農村水池；泵站；水力機械；電氣設備；供水工程

0 引言

農村調蓄水池工程是做好農村供水工程的重要保障[1]。內官調蓄水池工程建設的任務是解決引洮工程停水檢修期甘肅省定西市安定區城鄉生活、工業供水的調蓄任務，兼顧內官盆地調蓄水池下游1 733.33 hm2蔬菜和藥材高效節水灌溉調蓄任務。經內官水廠需水量預測分析，內官水廠在引洮干渠檢修期總需調蓄容積168.5 萬m3，是引洮農村供水工程的重要一環。調蓄水池如果設計不合理就會影響農民的生活用水和農作物的灌溉，給農民造成不可估量的損失。

1 泵站水力機械設備選擇

內官水池建設包括新建集中供水點調蓄水池1 座、新建泵站1 座、管理房1 座，以及與現有供水工程的對接管線。本階段水力機械工作任務是為供水體系中的泵站、水池等選擇合適的機電設備，為供水管線選擇合理的閥門，以及為滿足上述設備檢修、運行的附屬機電設備[2]。

1.1 水泵

水泵選擇要考慮流量、特征水位、特征揚程等主要參數，也要考慮設計規范、當地經濟等情況[3]。

1.1.1 主要選擇依據

①所需流量、揚程及其變化規律；②GB 50265—2022《泵站設計規范》；③GB/T 50649—2022《水利水電工程節能設計規范》；④地區規劃，包括所在地區的社會經濟情況、地區未來規劃，綜合考慮各部門對該工程建設的要求；⑤科學研究與試驗成果，包括泵站模型水泵裝置試驗；⑥水泵及機電設備產品目錄及樣本等。

1.1.2 選型原則和主要要求

水泵型式與泵站安全、穩定、高效運行有關，并且影響水工建筑物的結構、設備運行和維護。水泵選型應根據泵站特點進行充分論證。選型原則和主要要求有以下4 點。

（1）水泵選型不僅要考慮設計工況點的比轉速，還應順及整個運動區域內的比轉速變化。在比轉速重疊，顯示兩種泵型均可選用時，應根據泵站特點進行充分比較論證[4]。

（2）盡可能選擇高效水泵，平均揚程應在水泵最高效率點附近，整個運行區域應盡可能在水泵高效區內，以獲得良好的經濟性能和節能效果。

（3）應按泵站運行揚程范圍確定水泵最大汽蝕余量，對揚程變幅大的低揚程泵站，要注意零揚程附近工況的水泵氣蝕。

（4）設計揚程必須滿足設計流量的要求，同時還應根據水泵的年運行時間等其他因素，從運行效率和水泵轉速等方面進行技術經濟綜合比較，確定設計工況的合適范圍[5]。

1.1.3 泵軸功率與電機配套功率計算

根據內官水池供水范圍、供水時段及檢修期內官水廠水量配置分析，內官水池在引洮骨干工程檢修期可向內官水廠供水102.1 萬m3，同時現有調蓄池、集雨水窖、當地地下水可提供水量140.0 萬m3，按引洮工程檢修期30 d，每天水泵運行時間24 h 計，內官水池平均日供水流量0.39 m3/s，考慮水廠日變化系數1.3，確定提水泵站設計提水流量0.5 m3/s，根據泵站、水池、水廠位置高程關系，由于泵站與水廠格柵間落差較小，初步選定水泵采用3 臺SN350-N19/289 型單級雙吸離心泵（兩用一備），額定揚程20 m，單臺額定功率75 kW。

配套電機功率是初功率的1.1～1.3 倍（小泵取大值，大泵取小值），計算得軸功率60.42 kW，配套電機功率選75 kW 可行。本次選泵為離心泵，比轉速范圍40～300。比轉速計算公式

計算得出離心泵比轉速N=287。

管路特性曲線如圖1 所示，泵站提水最高點為內官水廠格柵間進水管進水高程2 096.85 m，加壓泵站提水管線總管長2 251 m，提水管采用Φ=813 mm 鋼管，壁厚δ=7.1 mm。在進行水力計算時，其水頭損失包括沿程損失和局部損失兩部分。根據《村鎮供水工程技術規范》及供水工程相關技術規范規定，局部損失按沿程損失的10% 計算。沿程水頭損失計算公式為

水泵特性曲線如圖2 所示。根據布置的管路特性曲線和所選水泵特性曲線求得單臺水泵工況點Q=0.25 m3/s，H=20 m，η=80%，必需汽蝕余量5.1 m，所選水泵泵型滿足設計運行要求。

1.1.4 水泵安裝高程計算

提水泵站布置于海拔高程2 084 m，根據大氣壓與海拔高度的關系， 當地大氣壓8.3 m 水柱（ 1 m 水柱=9.8 kPa），40 °C 水的汽化壓力0.75 m 水柱，安全余量0.5 m 水柱。則泵允許吸入高度計算

經計算得H允許=1.73 m。

本設計水泵為自充式離心泵，綜合考慮最低水位淹沒離心泵葉輪頂，確定泵軸安裝高程2 080.765 m。考慮水廠日變化系數1.3，確定提水泵站設計提水流量0.5 m3/s，根據泵站、水池、水廠位置高程關系，由于泵站與水廠格柵間落差較小，初步選定水泵采用3 臺SN350-N19/289 型單級雙吸離心泵（兩用一備），額定揚程20 m，單臺額定功率75 kW。2 臺水泵并聯時的特性曲線如圖3 所示，所選泵型性能參數如表1 所示。

1.2 水力機械輔助設備

依據選定的水泵型號及運行工況，結合工程總體布置，本設計水泵輔助設備主要為水泵進出水管道控制閥門、泵站出水及調蓄池進水管計量設備、調蓄池及泵站必要的監測設備等。

①節制閥。引（提）水管線根據管道供（蓄）時段的調節，設有節制閥，兼做管道檢修閥，基本選定為蝶閥。②放空閥。為滿足供水管道檢修時的放空，在該段低凹處或末端設置放空閥以及放空管道， 基本選定為閘閥。③空氣閥。供水管線上空氣閥的主要作用是在管道充水、運行過程中補氣和排氣，以維持管線壓力在安全運行范圍內。④電動蝶閥（調節型）。

布設于引水管道取水閥井、引（提）水管線檢修井內及泵房內水泵出水管。⑤電動蝶閥（開關型）。布設于水池出水管檢修井內、泵房內水泵進水管。⑥電磁流量計。引水管入調蓄池前布設，調蓄池出水管道布設，并與前后檢修蝶閥的距離滿足前5 后3 的要求。⑦多功能水泵控制閥。布設于泵房內水泵出水管道。⑧進、排氣閥。依據引（提）管道縱段，在管道凸起處布設。

根據工程泵站揚程雖調蓄池水位變化浮動范圍大，即水池高水位下泵站揚程較低，低水位下泵站揚程較高，為提高泵站能效，防止電機在低揚程運行時出現過載，3 臺水泵機組采用變頻調速方式，布設與水泵電機同功率變頻器3 套。在調蓄池布設液位變送器，水泵進水總管及各水泵進水管設壓力變送器及壓力表[6]。泵房集水井內設液位儀及液位開關，便于集水井內積水自動排出。

2 泵站電氣選擇

2.1 用電負荷等級及負荷統計

本設計屬城鎮主要基礎設施，每年持續用電時間在1 個月左右，為內官水廠檢修時備用的調蓄水池，分析中斷用電將對經濟及供電單位的影響，依據GB50052－2009《供配電系統設計規范》對負荷分級的規定，本設計為3 級用電負荷。各工藝處理設備按照3級電力負荷設計，變配電室及控制室室內照明按照3級電力負荷設計。有自帶蓄電池的燈具照明、庫區道路照明等生產輔助設施。電氣設備安裝容量總計320 kW、工作容量241.7 kW 和永久用電負荷約221 kVA。

2.2 供電方案

由于施工臨時用電負荷遠大于永久用電負荷，用電方案設計以永臨結合為主，變配電室設計時，按施工用電需求確定接線方式配置配電設備。

根據所提供供電接入系統及位置， 內官水池1.6 km 左右有10 kV 內官水廠電源點可用。供電方案：主電源直接從內官水廠10 kV 供電電網引一回路10 kV線路，總長度約1.6 km、導線型號JKLGYJ-10/70 的電線路供電。

設置1 臺S13-315 kVA/10±5%kV/0.4 kV 節能型油浸式變壓器，戶外桿上架設安裝，進線側設置由當地供電部門提供專門的進線計量箱，用做電能計量。0.4 kV 低壓配電電纜型號選擇ZR-YJV22-3×4+1×2.5～ 3×185+1×95。在水池泵站外終端桿設10 kV/0.4 kV 柱上變壓器。具體供電設計接入點及接線圖由供電部門提供。根據水池負荷分布情況，在池區建一座配電室，內設低壓配電室、控制室、值班室等，正常情況下一路電源承擔池區內100％的用電負荷，池區內各建筑物的低壓配電采用電纜放射式饋送[7]。

2.3 供電線路

根據變電所位置及永久用電負荷的分布情況，充分結合施工用電架設的線路，需0.4 kV 配電電纜約0.2 km（變壓器至泵房配電室），10 kV 供電線路約1.6 km（內官水廠至內官水池變壓器）。

（1）設計基本要求。符合10 kV 配電線路設計規范要求，力求線路短、耗材少、投資省；導線截面選擇滿足5～10 年用電負荷發展要求；盡可能避開果林、防護林、通信線路、易燃易爆廠房及庫房等；10 kV 導線最低點對地最小距離6.5 m；電桿、導線、金具和絕緣子均符合國家有關規定；線路終端桿的位置根據用電變配電室的位置確定。

（2）導線截面計算。架空送電線路導線截面一般按經濟電流密度來選擇，用電壓損失、機械強度及發熱等技術條件加以校驗[8]。

（3）按允許電壓降進行校驗。

（4）導線截面計算選擇。考慮到發展的需要，導線以選用鋼芯鋁鉸線為宜， 導線設計應力確定10.8 kg/mm2，安全系數2.5。根據規定，10 kV 及以下供電允許電壓損失≤7%，線路電壓損失滿足要求。

2.4 泵站配電

2.4.1 泵站負荷統計

泵站采用功率75 kW 水泵3 臺，兩用一備運行，廠用電負荷約75 kW，工程電氣設備安裝容量總計320 kW、工作容量241.7 kW、有功計算負荷Pc=207.88 kW，無功計算負荷Qc=147.61 kVar，視在計算負荷Sc=255.16 kVA；電容補償100 kVar。

泵站為人飲供水加壓泵站，根據電力負荷等級的劃分原則和供電可靠性的需求，負荷等級全部劃為3級供電負荷，泵站由就近變壓器引一回直埋電纜供電。

2.4.2 泵站與電源連接方式

泵站供電原則是由近區10 kV 電壓變壓后，由S13-315 kVA/10±5%kV/0.4 kV 變壓器低壓側引出，釆用直埋電纜ZR-YJV22-2（3×185+1×95）線路引接至低壓進線柜連接[9]。

2.4.3 泵站電氣主接線

（1）泵站電機電壓確定。考慮功率220 kW 及其以上電機電壓選用10 kV，功率220 kW 以下電機電壓選用0.4 kV。

（2）0.4 kV 低壓泵站電氣主接線。本設計0.4 kV低壓泵站電氣主接線因泵站裝機臺數較少，在本階段不做方案比較。對于0.4 kV 水泵電機的泵站10 kV 側采用線路?變壓器組接線方式，設置降壓變壓器1 臺。接線方式優點：接線簡單清晰，運行維護方便；可采用戶外成套設備，布置靈活，繼電保護也較簡單，其缺點是當變壓器故障時，導致整個加壓泵站停止運行。

（3）廠用電接線方式。結合工程特點，由室外變壓器饋線引出電源至低壓配電室進線柜，由進線柜饋線至低壓配電柜為低壓設備供電，變壓器選用S13-315 kVA/ 10±5%kV/0.4 kV 電力變壓器， 變壓器容量315 kVA，聯結方式為D，yn11 接線方式。

0.4 kV 電氣接線采用單母線連接不分段，該種接線的優點是接線簡單清晰，設備較少，運行維護方便。便于釆用成套配電設備，簡化布置，繼電保護簡單，其缺點是當母線故障或檢修時，需全站停電。

2.5 泵站主要電氣設備電流計算

泵站電氣設備的電流計算結果由各段阻抗、短路電流計算，以及短路電路總阻抗、總電阻和總電抗3部分組成，如表2、表3 和表4 所示。

2.6 自動控制保護設備

根據無人值班（少人值守）的設計原則，泵站監控系統采用計算機監控系統，所有泵站均采用遠程綜合自動化與現地控制相結合的運行方式。系統由站級計算機、機組現地控制單元（LCU）等部分組成。泵站計算機監控系統采用分層分布式計算機監控系統結構進行設計，計算機監控系統與遠方工程運行管理中心之間可實現遙信、遙測、遙控和遙調的功能。泵站自動化系統包括計算機監控系統、LCU 監控系統、視頻監控系統和電力綜合保護系統等。監控系統網絡結構采用光纖以太網，監控主機、通信計算機及LCU 均掛在以太網上[10]。

3 結束語

水池泵站的設計涉及內容較多，如管道的選擇設計等，只介紹了泵站水力機械設備的選擇和泵站電氣設備的選擇。本設計通過專家論證已用于內官水池建設項目，系統運行兩年來性能比較穩定，取得了良好的社會效益和經濟效益。