水力学论文
摘 要： 水泵的选型和水锤防护是抽水站安全运行的核心点。以黄土高原某抽水站为例,按照经济、安全、高效原则,对水泵选型的水位、扬程、机组台数等决定因素,以及安装进行详细分析。对水锤的选择及防护措施进行了深探讨,并提出:选用DA1-125×5、DA1-100×5两种泵型搭配,安蒂森阀和防水锤型空气阀结合的水锤防护方案,可保障该抽水站安全运行。以期为黄土高原区抽水泵站的建设管理提供参考。
关键词： 抽水站; 水泵造型; 水锤选择; 黄土高原区;
某抽水站加压泵站位于坝址下游右岸山坡脚,该处地势开阔,紧靠山体斜坡,开挖泵站基础条件较好,是理想的建站场所。同时距离引水口较近,日常的管理维护。本工程日均供水能力为8 571 m3/d,根据《泵站设计规范》泵站设计流量确定原则,供水泵站设计流量应根据供水对象的用水量标准确定,考虑输水加压泵站设备日正常运行时间24h计,则设计供水流量确定为357.12 t/h(0.1 m3/s)。该工程共有4个加压供水系统,设11座加压泵站,9个站区。
1 、水泵选型
1.1 、特征水位、特征扬程
根据《泵站设计规范》(GB/T 50265—97)水位确定原则,结合加压区的系统布置,加压站上下水面接调节(蓄)池,除支管系统为1级加压外,其余均为多级,计算水位均采用下水面最低水位,上水面最高水位。泵站设计净扬程为进出水池水位差,设计总扬程为设计净扬程加出水管道的水头损失。
1.2、 安装高程
根据所选水泵技术参数,水泵均有一定的吸程,为了使泵启动运行灵活,便捷,各级泵站的进出水池均采用半地上半地下式结构,泵站吸水均为负吸程,即泵前正常水位均高于泵的安装高程,这样就减少了抽真空设备,为此安装高程低于厂房地坪高程0.5 m,满足吸水安全要求。
1.3、 机组台数确定
加压泵站机组台数按《泵站设计规范》(GB/50265-97)及本工程的实际情况综合确定。该工程用水过程流量变化较大,水泵机组台数的确定要满足运行灵活,便于站间流量搭配的原则。因此,每个站一般选用3～5台,这样不仅能满足供水的需求,同时也符合规范要求。
1.4、 水泵机组选型比较
根据水力计算结果,加压支管系统3级总扬程244.45 m,单级最高扬程142.92 m,单级最低扬程36.44;加压支管系统4级总扬程479.27 m,单级最高扬程164.06 m,单级最低扬程80.45 m;加压支管系统3级总扬程423.80 m,单级最高扬程226.64 m,单级最低扬程80.02 m。根据加压系统需要的输水流量和扬程,拟选了二组机组方案。第一方案,共选择47台机组,其中运转34台,备用13台,总装机容量为2 493.5 kW;第二方案,共选择29台机组,其中运转18台,备用11台,总装机容量为3 134 kW。
第一方案:水泵台数稍多,但配水灵活,水泵工作点流量偏差均小于5%,水泵平均运行效率高,另外,泵型基本一致,便于运行维修及零部件的购置更换,总装机容量小,节省投资。第二方案:水泵机组台数减少,针对小流量水泵选型,水泵工作点流量与设计要求值有些泵型偏差较大,水泵平均运行效率降低,且水泵装机高低压搭配,为供电带来麻烦,其次水泵型号达4种类型,维修及零部件的购置更换不便,降低了供水的稳定性和保证率,泵站总装机容量比方案一大709.5 kw。经比较,方案一优势明显,选型合理。泵站机组选型采用方案一。其进水池下水面最低水位1 526.70 m,出水池上水面最高水位1 596.50 m,净扬程69.80 m,DN350管道长度3 505.1 m,管段流量82.60 L/s。
1.5 、水泵选型
水泵选型应遵循以下原则:选用优秀的水力模型,力争达到同行业领先水平。在泵站平均扬程时,水泵运行在高效区;在设计扬程时,水泵可满足泵站设计流量;在最高与最低扬程时,水泵能安全、稳定运行。水泵有较好的抗汽蚀性能,机组在设计寿命期内检修次数少、水力性能稳定。设备先进、结构成熟,运行安全可靠。安装、检修方便,便于维护和管理。
结合本工程流量、扬程特点,本阶段选取2级加压站作为水泵选型计算的特例进行分析。根据2级站的流量扬程参数,经对国产多种水泵比选后,初步拟定选用多级泵卧式离心泵作为加压水泵。该 水泵具有运行平稳,噪音低,使用寿命长,机组检修、拆卸方便,模型优秀性能好,结构新颖又可靠,维护方便等特点。而且该机组可卧式安装,泵房为单层结构,土建工程量较小,节约建设投资。
经水力计算确定本段管径为DN350,管材采用钢管,计算管路损失合计为10.65 m,管路净扬程为69.80 m,管路总扬程80.45 m。为满足工作点流量初步选定水泵型号为DA1-125×5、DA1-100×5两种泵型进行搭配,其参数见表1、表2。
表1 DA1-125×5型水泵参数表
表2 DA1-100×5型水泵参数表
根据所选DA1-125×5、DA1-100×5两种水泵,结合水泵性能曲线,校核其是否在高效区。即在DA1-100×5型水泵开启,分别对DA1-125×5开1台和2台两种工况求取水泵综合工作点。经计算,所选水泵均在工作性能高效区运行,2级站选用DA1型多级泵满足工程设计各种工况要求,选型合理。计算工作点曲线图如图1,工作点成果为DA1-125×5泵开启1台时,流量为0.074 m3/s,扬程77 m;开启2台时,流量为0.099 m3/s,扬程84 m。水泵～管路扬程曲线图见图1。
图1 水泵～管路扬程曲线图流量m3/s
本次续建工程加压支管涉及9座加压泵站,47台水泵机组,总装机容量为2 493.5 kW(备用588 kW);工程总计算负荷1 935.60 kW,多为小流量、高扬程。经采用同样方法求其综合工作点后,满足高效区运行要求,选型结果合理。
2、 水泵安装需注意的细节
2.1、 底脚螺栓埋设
螺栓埋设前,先将预留孔内的杂物清洗干净。然后用经纬仪、测距仪精确测放位置,测量点位中误差不大于2 mm,对轴线误差不大于5 mm。将底脚螺栓准确的固定于测设的点上,底脚螺栓底部高于预留孔底30 cm。然后用环氧砂浆填孔。填料应分层进行,每层高度不小于10 cm,并用木板将其夯实,不能使底脚螺栓歪斜。
2.2、 水泵解体检查
水泵安装前严格按照《水泵安装规程》的要求进行解体检查,并依据要求对基本数据进行检测记录。
2.3 、水泵安装
1)安装工序。
泵座就位→测设纵横轴线→水准测中开面高程→水平仪校平→叶轮安装就位→检测口环间隙→校同心→校轴纵向间隙→上盖就位安装→清理现场→完工交验。
2)安装方法。
安装前对基础预埋件进行检查,高程偏差0～-5 mm,中心位置偏差不大于10 mm,水平度不大于1 mm/m。检查合格后,先用行吊将泵体下部就位,并用经纬仪测水平度,上下工作反复进行,达到合格要求后,紧固底脚螺丝。
3)叶轮安装。
叶轮安装前应检查口环间隙,符合要求后方可就位。以上项目合格后,经现场监理复检合格,方可安装泵盖。
4)泵盖安装。
泵盖安装前应先制作中开面密封垫,然后用吊车将泵盖就位,紧固螺丝,螺丝紧固完时应先将全部螺丝穿孔并将所有螺母用手拧紧,然后用扳手(两个一组)对称紧固相同的丝数,待全部螺母轻固丝数相同后,再进行下一轮次的紧固。直至全部螺母上紧后,再对每个螺母回放1/4丝,安装全部结束后进行了盘车。
3 、水锤防护设备选择
结合泵站的总体布置,吸水管从泵前吸水池接出,均采用并联吸水,并联出水,管材为焊接钢管,吸水口为钢制喇叭口。泵站各机组进水管路分别设卡箍式伸缩节及闸阀1套台,出水侧分别设法兰式伸缩接头和多功能止回阀1套。以确保泵站及压力输水管道安全输水。由于开停水泵、开关阀门等流量调节操作引起的压力管道流速急剧变化带来管道压力交替变化现象,需安装多功能止回阀来解决。水泵启动时,阀门缓慢开启,确保供水管线不会产生正向水锤;水泵关闭时,避免因水泵关闭而发生的停泵水锤。
3.1、 水锤设备选择原则
采用供货厂家提供的PIPE2000流体力学工程计算软件包系统的水锤计算成果:经过水锤分析计算,本系统的输水管线,其停泵水锤主要表现在水泵站的压力升高和较明显的水柱拉断,继而会引起局部的水柱弥合以致压力升高。安蒂森阀和防水锤型空气阀在这样的系统当中承担着最为主要的安全任务,增加保护以后系统最高压力包络线接近供水压力线,最低压力包络线可以看到系统不会出现负压,整个系统增加保护以后是安全的。
3.2、 防水锤设备选择
根据设计规范,并采用供货厂家提供的水锤计算成果,在输水管道沿线的最高点,长距离无折点上升或下降段每500～1 000 m,设排气阀,沿管线按压力等级不同一共布设16个排气阀,排气阀设为FOX-3F-RFP,PN25 DN110mm防水锤型空气阀和JAP-A-ISO16,PN16 N110mm普通型复合式空气阀两种。其中:DN100mmPN25防水锤型空气阀3个,设置在桩号0+000-0+985处; DN100mm PN16的防水锤型空气阀5个,设置在桩号0+985-4+180处; DN100mmPN16 普通型复合式空气阀8个,设置在桩号4+180-7+607处。排气阀设置在排气阀井内。
安蒂森阀(水锤预作用阀)设在水泵出水口处,口径为DN100,通过高压前的提前打开以消除过高的压力。在泵站出口设置泄水阀及泄水井。在泵站出口以及盐化有限公司蓄水池处各设置1台计量表。排气阀的设置汇总见表3。
表3 排气阀汇总表
4、 结语
综上所述,水泵的选定对高扬程泵站的效益发挥和供水效果具有重要作用,其选型主要决定于工作介质特性、扬程、流量等数据,合适的水泵不但工作平稳,寿命长,且能为用户最大程度的节省成本。文章以某四级抽水站为例,对水泵选型、安装过程和水锤的确定进行了详细探讨,得出选用DA1-125×5、DA1-100×5两种泵型搭配,安蒂森阀和防水锤型空气阀结合的水锤防护方案,对该抽水站来说是经济高效最科学的,其选型过程可供同样的工程进行借鉴。