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水利工程类论文 山西大水网供水泵站系统水力调度及水锤特性研究

2018-12-17 17:37:57来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  为缓解地区间水量供需矛盾,长距离输水工程,甚至跨地区、跨流域的输水工程解决城市和生态环境用水成为现阶段供水工程的一种必然发展趋势,其数量和规模逐渐增多、增大,是21世纪我国水利发展的一大特点。山西省的水资源供需矛盾较为突出,长距离供水工程是我省新水源工程的重要组成部分。为从根本上解决供水问题,山西省委及省政府依据中央水利改革发展的决策规划与国家发展改革委和水利部要求,于2011年全面部署了“两纵十横,六河连通,覆盖全省”的大水网工程。

  为保证工程在设计工况下稳定运行,需对工程稳态运行,梯级泵站水力调度,水力过渡过程,水锤的安全防护等运行过程中的关键技术问题进行深入计算与分析。本论文基于大水网山西省乡宁县谭坪沿黄供水工程,进行梯级泵站供水系统水力调度与泵站水锤特性,及重力流供水系统运行特性的计算与研究,进而为工程运行提出合理的建议及水锤防护措施,以保证供水系统安全、经济的运行。研究内容如下:

  (1)梯级提水工程中各级泵站稳态运行参数计算。建立同型号水泵定速并联运行、同型号水泵变速并联运行工况下的水泵稳态数学模型,并对各级泵站的稳态工作点分别进行求解及分析。

  (2)梯级提水工程中各级泵站水力过渡过程模拟计算。建立水力过渡过程数学计算模型,应用特征线法的基本原理,对水锤计算数学模型进行求解。基于泵站水锤的计算结果,分析水锤产生的原因,提出管路安全防护的建议措施。

  (3)分析液控蝶阀、空气阀等多种水锤防护措施的工作原理及边界条件,建立相应的数学模型,基于水锤的仿真模拟计算结果,为不同水锤防护措施的实现提供依据。

  (4)针对大水网山西省乡宁县谭坪沿黄供水工程各级泵站的流量运行范围,通过改变台数及水泵变速运行的方式,得出流量、功率等水力参数的变化规律。重点对二级站不同流量需求进行水力平衡分析,研究在不同流量需求下,一级加泵站与一级泵站应采取的合理运行方式。

  (5)针对山西省乡宁县县城重力流供水工程,分析输水管路的稳态运行工况;基于水力过渡过程的计算成果,确定末端调流调压阀在不同关闭方式下输水管线水锤压力的变化规律,据此确定阀门的最优关闭规律,给出输水管线安全运行的防护方案。

  (6)以Visual Basic 6.0为开发语言,SQL Sever2000为辅助工具,开发重力流输水系统的水力特性数值模拟计算软件。建立重力流供水工程稳态分析模块和水锤分析模块,并实现各工况计算结果的数据导出、图形输出等功能。

  通过本论文的分析研究,为山西省大水网高扬程、小流量、长距离的提黄泵站的安全及经济运行提供技术支持,也为类似供水系统的优化设计提供技术依据;但鉴于水锤发生时的复杂水力瞬变条件,空气阀的设置理论及进排气流量系数的变化机理尚未完全揭示,有待进一步探讨。

  关键词:供水泵站,重力流输水系统,水力调度,水锤特性,防护措施

  第一章绪论

  1.1研究目的及意义

  水作为基础性自然资源和战略性经济资源,是支撑整个自然社会可持续发展的中心环节,保证生态环境平衡发展的重要基础因素。人类的发展离不开水资源,工业、农业、生活的方方面面都需要水的维持。

  目前,为解决供水需求日益加剧的矛盾,开发长距离输水系统甚至跨地区、跨流域的水利工程已成为不争的现实,是21世纪我国水利发展的一大特点。

  为从根本上解决山西的水资源问题,山西省政府依据中央加快水利改革发展的决策规划,于2011年全面部署了重大的山西大水网工程。山西大水网主线为纵贯山西省南北的黄河与汾河两条天然河道,即两纵,骨架为覆盖省内六大盆地与主要社会经济中心区的十大骨干供水体系,即十横,通过工程建设,将六大河流及各条河流上的水库相连通,从而建成了可实现丰枯调剂的工程体系。基于山西省供水系统的建设不断增大的现状,为保证工程在设计工况下稳定运行,需对工程稳态运行,梯级泵站水力调度,水力过渡过程计算,水锤的安全防护等运行过程中的水力特性进行深入研究。

  重力流管道输水对地质条件要求低,渗漏损失少,施工方便,造价低,管理便捷等优点。山西省乡宁县谭坪沿黄供水工程为长距离输水系统,建立了泵站与重力流的联合供水系统。长距离供水工程的取水源通常在几十公里甚至更远以外的地方,管线布设经常受地形影响,起伏大,其安全防护问题是长距离输水工程中最常见且最突出的问题之一。

  管线的安全运行依赖于管线内空气的持续排出。管路中存气有多项危害,一是降低输水效率,引起输水中断;二是引起管线产生水锤,威胁水泵,管线,阀门,及计量仪表等管路附件的安全;三是引起水表、压力表等计量仪器产生测量误差;四是引起管道及设备的腐蚀和汽蚀等。其中,液柱分离现象是管道水锤最不利的工况。因此,输水管路的进排气设计越来越引起工程设计者的重视。

  当管道内压力降低至水汽化压力以下时,随着水的汽化与溶解气体的释放,空泡增大发展为气团、气穴,聚集于管道高点隔断两端的水流,引起水柱分离现象。若水流回流,气穴两端已分离的水柱发生勐烈撞击弥合,会产成危害更大的断流弥合水锤[9-10]。国内外由于水锤造成的工程破坏事故屡见不鲜,具体表现为:①引起管道的强烈振动,破坏阀门,严重时甚至造成管道的破裂或压瘪;②引起水泵反转,从而破坏泵站内的设备或者管道;③给生产、管理部门造成重大经济损失,多项工程可能因此而导致长期停滞。因此,进行管路水锤计算与防护分析是至关重要的。

  相对于国外对供水系统运行中关键技术问题的研究,国内研究起步较晚,对供水系统的运行分析及水力过渡过程的研究与防护仍是研究热点。随着研究方法的不断发展,其已取得了积极成果。基于前人的研究成果,本文对山西乡宁县谭坪沿黄供水系统运行的水力特性进行计算,并对乡宁县城重力流输水系统进行分析,对山西大水网建设工程的优化设计,确保系统安全运行,提高管理水平,实现管理的科学化与现代化具有重要意义。

  1.2国内外研究现状

  1.2.1水锤计算研究现状

  水锤计算通常有四种方法,即数解综合法,图解法,电算法——特征线法,简易计算法等。各方法的理论基础均为水锤基本微分方程式。其中,电算法是对准线性双曲型偏微分方程,利用特征线法将考虑管路水力损失的偏微分方程组转变成特定型式全微分方程组后,再根据有限差分方程组及系统的边界条件方程进行源程序的编制,从而模拟求解。电算法不但可解决具有复杂的管路与边界条件的系统得停泵水锤模拟问题,而且效率高,计算结果精度大。因此,现阶段以特征线法为基础的电算法应用最为广泛。

  1898年,儒可夫斯基率先求解出水锤发生时管中压力升高与水流速度减小的关系式,即儒科夫斯基公式。文中首次提及水锤基本理论与直接水锤压力的计算方程式,及末端关阀水锤计算式。阐述了水锤压力变化与关阀时间的关系。实现了水锤计算理论与实际的结合。1902年,阿列维率先将无因次参数引入水锤计算体系,推导出阀门处的压力计算方程,作出了水锤图解曲线。至此,儒可夫斯基的直接水锤理论与阿列维的间接水锤理论形成了水锤模拟的理论体系基础;20世纪50年代,Wood等提出了图解法;1938年,Angus研究出分岔管水锤压力的图解计算法;1967年,Streeter V.L.和Wylie E.B.共同编着了《Fluid Transient》,该书中阐述了瞬变流的发展过程及可能引发的破坏性影响,并开发了基于FORTRAN语言的瞬变流模拟软件系统。

  国内,最初清华大学的王树人对水锤的基本计算理论进行推导,并编写了简易的电算程序;随后,刘竹溪等对泵站的水锤现象进行了计算机模拟;栾鸿儒对泵站水锤特征线电算解法的原理和步骤进行了论述,并探讨了两阶段关闭液控蝶阀的关闭程序对泵站水锤特性的影响,得出了阀门的最优调节方案;刘光临提出了一种预测水泵全特性曲线的新方法,并将之应用到工程实践中;韩庆书等对复杂工程中的水锤问题进行综合处理,提出了水锤计算数值模拟的通用计算机软件;杨晓东等将调整波速法和当量管道法相结合,提出水锤计算时管路的计算机自动分段法,并将之应用于工程中,获得良好效果;刘梅清等建立了建有单向调压塔的泵站系统的水锤数值模拟计算数学模型,研究了各种不同事故停泵的运行工况下,单向调压塔进行水锤防护的水力特性,并研究了在不同水泵出口控制阀的关闭程序下系统压力与单向调压塔水位的变化情况;蒋劲、杨晓东等对缓闭止回阀对于水锤抑制的具体特性进行研究;金锥通过试验深入分析了断流弥合水锤的特性,建立水锤分离计算模型。

  针对重力流输水系统中的水锤问题,党志良率先研究了重力流输水管路的分区输水问题,提出利用减压池进行减压的数学模型,得出减压池的经济设置位置与级数的计算方法。刘志勇基于水锤基本理论,对重力流有压输水系统末端的关阀水锤进行了计算与分析。根据减压恒压阀的工作原理,对水锤防护效果进行预测,并分析其影响因素。杨玉思比长距离大管径重力流管道的多种水锤防护措施,根据重力流的相关理论及工程实践,按重要程度总结排列了长距离大管径重力流供水系统的多种水锤防护方案,即通过采用减压阀或着减压池对输水管道进行压力等级分析,首先在管线的重要位置安装超压泄压阀或调压塔,其次结合进排气要求,在适当位置布设进排气阀,作为管路的辅助防护措施;控制末端阀门的正常关闭时间,减小水锤危害。吴建华根据重力流供水系统水锤计算的技术要求,模拟出管路的水锤压力分布情况,得到有两阶段缓闭蝶阀加进排气阀防护时,在相同的关阀规律下,最大关阀水锤压力约可下降17%。张健根据长距离供水系统中的线路充填状况,得出考虑管路水力摩阻时输水系统的直接水锤计算公式,修正间接水锤计算公式,所得修正间接水锤计算公式不仅能用于供水工程的水锤分析,而且为阀门折线关阀规律的设计理论提供了依据。李东艳对蝶阀调流调压的开启规律进行研究与总结,对于同一管道,在同一流量下,阀门的开度大小与水头损失呈反比规律。李晓燕对断流与非断流两种工况下的不同特征线计算模型及其异同关系从理论上进行阐述,并通过借助工程实例明确了选择不同模型时对管道水锤压力计算的影响,结果表明断流模型比非断流所得的压力高得多,且压力变化起伏较大。在实际工程中,断流水锤时有发生,选择断流模型可为管路防护措施的选择提供更为可靠的依据,提高计算精确度,从而降低管道的安全隐患。蒋琳琳基于输水管线的布置方案,对不同阀门关闭下的水锤模拟计算,分析得输水管线的压力包络变化规律,典型断面的水锤压力过程线,确定了阀门关闭的最不利工况,提出了水锤防护措施。结少鹏对多支线重力流输水系统进行研究,针对此类工程提出了利用双向调压塔、空气阀等措施的联合防护法。翟龙利用瞬变流基本理论及气泡运动等理论,利用Matlab程序进行水锤模拟分析了重力流输水系统的瞬态水力特性。

  1.2.2空气阀防护水锤的研究现状

  多项研究表明,正确选择与安装空气阀是长距离输水工程水锤防护问题的有效解决办法之一。其深入研究涉及至水动力学、空气动力学、热力学、水力瞬变流和气液两相瞬变流等多项领域的基本理论。

  国外,Wylie和Streeter指出在水锤发生过程中,存在内管内的气体会引起管道压力波动现象,进而产生较大水力损失,降低输水效率;Qui和Burrows[45]详细阐述了停泵时管道的压力波动机理;Campbell[46]通过分析对比空气阀防护下管道压力包络线的变化状况,得出空气阀对负压引起的水柱分离及断流弥合水锤具有减缓作用;Stephenson指出排气过程中若排气阀关闭速度过快会引起水锤,并提出可将排气阀安装于竖管上以抑制此类水锤发生;Cabelka研究了空气阀在不同关闭规律下对水锤结果的影响;Elliot等结合特定地区的城市供水系统,进行了瞬态模型试验和现场试验结果的比较,设计出能够更好地防止水锤的空气阀;美国标准ANSI/AWWA C512-2004对所涉及的排气阀选型计算和设置进行了介绍,可作为空气阀的参考计算方法。

  国内,刘志勇等在有压输水管道安装空气阀,结果表明,安装排气阀时与无阀时相比较其最高压力降幅约可达84%,最大真空度约降低60%;高金良等通过研究空气阀的进排气特性,提出了合理地将特定的空气阀布置于管路中,对抑制液柱分离现象是十分有效的;毛艳艳等针对应用了复合式空气阀防护的具体工程,模拟了其发生停泵水锤时的水力过渡过程,结果得,在复合式空气阀防护下,系统的管路最高正压、最低负压绝对值大幅降低,管路中的断流弥合水锤现象明显减少,因此,合理的沿线布置空气阀是抑制负压破坏的有效措施;齐敦哲等采用遗传算法求解,得出空气阀是长距离输水管道工程中必须进行布置的辅助设备;张健等以水锤理论为基础,构建了空气阀设置理论计算方法与数值优化框架,明确了空气阀布置位置、数量、间距的相关公式;胡建永利用相关方法进行空气阀口径选型计算分析,验证了充放水工况是确定阀口径的控制工况;郑兴兴等利用工程算例对不同位置空气阀的进排气状况进行对比分析,得出设计中应将空气阀作为辅助防护措施,布置于管道后部,可起到有效控制进气量与进气时间的作用,提高可靠性。

  1.2.3梯级泵站输水系统优化运行的研究现状

  近年来,我国多项梯级泵站调水工程逐步建设,有关该领域的研究也得到了较快的发展。

  国外,Ostfeld等以系统运行费用最小为目标函数,采用蚁群算法研究了泵站输水系统的运行进行优化分析,确定了不同时段时系统的最优运行方案;Vieira等运用线性规划法,求解了梯级供水系统效率能源的优化模型;Theocharisa等以管路费用与泵站抽水费用之和最小为目标函数,利用简化的非线性规划方法,对灌溉系统的运行优化问题进行研究;Bene等运用遗传算法,研究了泵站短期运行的优化方案及主机组的优化运行方式;Staden等采用整数规划法,研究了泵站优化运行的控制策略;Istvan等采用中性进化搜索法,求解得输配水系统中泵站运行的优化方案。由此可见,梯级泵站输水系统优化调度运行计算可运用多种方法进行分析。

  国内,陈守伦等采用动态规划法,针对泵站实际运行工况,对各时段和各机组的流量变化过程进行优化。龙新平等基于曲面拟合法,构造了泵站装置效率、水泵叶片角度与装置扬程、流量的函数关系式,并在此基础上采用动态规划法建立泵站优化调度计算模型。寇姝静等以万家寨引黄实际工程为研究对象,利用系统仿真计算与优化调度两者相结合的方法,对大系统模型进行分解协调,进而求解出了各级泵站中各机组的经济运行方案。程吉林等以泵站主机组耗电费用为目标函数,提出了针对叶片可调单机组的动态日优化运行规划计算模型,并进行求解。周龙才等针对梯级可变频泵站,以系统总能耗最小为准则,建立了各站最优扬程下的动态规划模型,确定了最优扬程分配方案和站内各机组的最优转速。基于前人研究,桑国庆等提出了梯级泵站输水系统理念,进而逐步建立了单级泵站优化运行模型—梯级泵站效率优化运行调度模型——梯级泵站短期经济运行调度模型——梯级泵站中长期经济运行调度模型,基于梯级站间水力参数计算。采用动态规化法求解多层次运行方案,提出了基于时空分解的梯级泵站系统输水运行效率的计算方法,该法对梯级泵站的设计及运行具有指导意义。

  1.3本文研究的主要内容

  (1)泵站稳态运行分析

  建立同型号水泵定速并联运行、同型号水泵变速并联运行工况下的水泵稳态数学模型,对各级泵站的稳态工作下水泵水力特性参数分别进行求解。

  (2)梯级泵站流量平衡计算与分析

  针对山西省乡宁县谭坪沿黄供水工程各级泵站在不同净扬程下的流量运行范围,通过改变运行台数及水泵变频系数的方式,得出流量、功率等水力参数的变化规律。通过流量平衡计算,进行梯级泵站水力优化调度分析。研究在二级泵站的不同流量需求下,一级加泵站与一级站水泵应采取的合理运行方式。

  (3)供水系统水锤防护措施边界条件的建立

  分析水锤发生时,两阶段液控蝶阀、空气阀、超压泄压阀等水锤防护措施的工作原理与边界条件,建立相应的数学模型,为实现不同防护措施下水锤的仿真模拟计算提供依据。同时,建立供水系统水锤数值模拟的多种边界条件,为水锤数值模拟计算奠定基础。

  (4)梯级泵站水力过渡过程模拟计算

  建立水力过渡过程数学计算模型,应用特征线法的基本原理,对水锤计算数学模型进行求解。对山西乡宁县谭坪沿黄供水工程各级泵站在不同工况下的水力过渡过程进行模拟计算,基于水锤计算结果,分析水锤产生的原因,提出工程防护建议。

  (5)重力流供水系统安全运行的计算与分析

  针对山西省乡宁县县城重力流供水工程,研究输水管路的稳态运行工况;对无防护措施时,计算末端调流调压阀在不同关闭方式下产生的水锤压力,分析不同方式下管线水锤压力的变化规律,确定阀门最优关闭规律;依据输水管线关阀水锤计算结果,提出恰当的管路防护方案,保证工程的安全运行。

  (6)重力流输水管路的水力特性数值模拟计算系统的开发

  以Visual Basic6.0为开发语言,SQL Sever2000为辅助工具,开发重力流输水工程的水力特性数值模拟计算系统软件。建立重力流供水工程稳态分析模块和水锤分析模块,并实现各工况计算结果的数据导出、图形输出等功能,为重力流输水工程的安全运行提供技术支持。

  1.4本文研究的技术路线

  本论文研究的技术路线如图1-1所示。

  图1-1技术路线图

  Fig.1-1 Technology road-map

  第二章泵站工程稳态运行数学模型

  2.1水泵基本特性曲线

  根据试验测算,得到在一定转速下水泵在多个流量下对应的扬程,效率,功率和汽蚀余量值,由此绘制得曲线,曲线,曲线和曲线,即为水泵的基本特性曲线,如图2-1所示。

  图2-1水泵的基本特性曲线

  Fig.2-1 The pump basic characteristic curve

  2.2泵站管路特性曲线

  泵站需要扬程的计算公式:

  (2-1)

  式中,(2-2)

  所以,(2-3)

  式中,为沿程水头损失,m;为局部水头损失,m;为管路摩阻系数;为计算长度,m;为计算管径,m;为管内流速,m/s;ζ为局部水头损失系数;为管道设计流量,m3/s;为管路截面面积,m2;为管路特性系数。

  2.3泵站稳态运行工作点求解

  2.3.1同型号水泵定速运行工作点求解

  水泵工作点的确定通常使用图解法,即将管路特性曲线与水泵基本特性曲线以相同比例绘制于坐标纸上,水泵的基本特性曲线为一条下降的曲线,管路特性曲线为一条上升的曲线,两曲线必有一交点,该交点即对应水泵的工作点。该法可直观定量地得出水泵工作点的流量、扬程,并从水泵的、曲线得到工作点对应的水泵工作效率及轴功率,由此校核机组是否超载,水泵是否在高效区运行,判断所选水泵的经济合理性。泵的工作点就是系统供需能量的平衡点。

  以两台同型号水泵并联运行工况为例,其中,S1为水泵的进、出水管水头损失系数之和,S2为供水系统出水总管水头损失系数,两台水泵并联运行时的水泵特性曲线为(Q~H)1+2,泵站的管路特性曲线为曲线Q~H需,两者的交点B点即为泵站工作点。由B点向左侧引水平线,与曲线相交A点,即为单泵的工作点。由A点作垂线与曲线的交点即为稳态工作点对应的水泵运行效率,与曲线的交点即为稳态工作时水泵所消耗的功率。工程机组布置图如图2-2,同型号水泵并联运行工作求解示意图如图2-3。

  图2-2同型号水泵并联工作机组布置示意图

  Fig.2-2 Engineering diagram of same type of pumps in parallel

  图2-3同型号水泵并联运行工作求解示意图

  Fig.2-3 Characteristic curve of same type of pumps in parallel

  根据三个水泵运行高校区的特性点,利用最小二乘法拟合得水泵的特性曲线。用以下式表示:

  (2-4)

  Q-η曲线近似符合三次函数的关系,可用下式表示:

  (2-5)

  管路特性曲线用下式表示:

  (2-6)

  由此可得到能量平衡方程:

  (2-7)

  水泵的轴功率:

  QUOTE NA=9.81QAHAηA(2-8)

  泵站效率:

  (2-9)

  泵站功率:

  (2-10)

  式中,A1、A2、A3、B1、B2、B3为水泵特性曲线参数;h总为出水总管管路损失,m;

  S1、S2为水泵、出水管水头损失系数之和及出水总管水头损失系数,s2/m5;

  HA、QA、ղA、NA为水泵工作点的扬程,m;流量,m3/s;效率,%;功率,kw;

  H0、Q、ղ站、N站为泵站净扬程,m;泵站流量,m3/s;泵站效率,%;泵站功率,kw;

  ղ泵、ղ传、ղ电、ղ管、ղ池分别为水泵的效率,传动装置的效率,电动机的效率,管道的效率,出水池的效率,%;

  由此,同理可确定多台同型号水泵并联运行时的工作点。

  2.3.2同型号水泵变速运行工作点求解

  1.水泵变速调节特性

  变速调节时水泵工作点确定示意图如图2-4所示。

  图2-4水泵变速运行工作点确定示意图

  Fig.2-4 Schematic diagram of pump working point under speed regulation

  如图2-4所示,变速前水泵的转速为额定转速,即n0,水泵的工作点于点A0(Q0,H0)处,变速后水泵的转速为n1,水泵工作点调节至点A1(Q1,H1)处。由图2-4可知,变速调节后,如水泵转速大于原转速,则水泵工作点向原工作点右上方移动,如水泵转速小于原转速,则水泵工作点向原工作点左下方移动。

  在此引入水泵变速比k(k=n1/n0,其中,n1为变速后水泵转速;n0为变速前水泵转速,通常为额定转速),根据比例律公式可知:

  (2-11)

  (2-12)

  (2-13)

  式中,Q0,H0,N0,n0为水泵变速前,即额定状态下的水泵流量,扬程,有效功率,转速;

  Q1,H1,N1,n1为变速调节后水泵的流量,扬程,有效功率,转速。

  2.同型号水泵变速并联运行工作点求解

  同型号水泵变速并联运行时,包含有部分水泵定速与部分水泵变速,且变速水泵转速不同的工况,因此,同型号水泵变速并联运行的工况较为复杂。以两台同型号水泵均变速并联运行及一台定速、一台变速并联运行两种工况为例进行分析,相应工作点的确定如图2-5所示。

  图2-5同型号水泵变速并联运行工作点确定示意图

  Fig.2-5 Schematic diagram of working point of the same-type pumps under variable speed operation

  如图2-5,曲线Ⅰ是水泵在额定转速下的特性曲线,曲线Ⅱ是水泵变速运行时的特性曲线,曲线Ⅲ是两台水泵变速并联运行时的特性曲线,曲线Ⅳ是一台水泵定速和一台水泵变速时并联运行的特性曲线。曲线Ⅲ、Ⅳ均是将相应的两台水泵运行特性曲线的横坐标进行相加,而纵坐标保持不变得到的。从图中可得,两台水泵以相同的转速变速并联运行时,泵站工作点在点A1(Q1,H1)处,相应的单台水泵工作点于点A2(Q2,H1)处,此时有Q1=2Q2;两台水泵以不同转速并联运行时,泵站工作点于点A0(Q0,H0)处,相应的定速泵工作点于点A3(Q3,H0)处,变速泵工作点于点A4(Q4,H0)处,此时有Q0=Q3+Q4。

  假设一台水泵变速比为k1,另一台水泵变速比为k2(k=1即为定速运行),根据比例律公式可得相应水泵的基本运行特性曲线:

  变速比为k1时:(2-14)

  相似工况抛物线:(2-15)

  变速比为k2时:(2-16)

  相似工况抛物线:(2-17)

  并联运行:(2-18)

  将式(2-2)、(2-18)联立求解,可得出水泵的并联运行工作点Q、H。根据Q、H,利用式(2-14)、(2-16)可求得各台水泵的、、、。再依据、、、,利用式(2-15)、(2-17)可求得抛物线常数。再利用式(2-15)、(2-17)、(2-4)即可求得相应等效率点的流量、,最后将、分别代入式(2-5)中,即可求得各台水泵的。

  单台泵的有效功率:(2-19)

  变频器效率:(2-20)

  根据水泵与变频器的总功率等于各台水泵与变频器功率之和,求解并联机组水泵、变频器的平均效率:(2-21)

  泵站效率:(2-22)

  泵站功率:(2-23)

  式中,为并联后的水泵特性参数;

  为不同水泵的变速比;

  、为变速比为ki的水泵的工作点流量,扬程;

  为并联后水泵进出水支管的损失系数,s2/m5;

  、为分别水泵和变频器的平均效率,变频器效率,%;

  第三章供水系统水锤数值模拟边界条件的建立

  3.1水锤计算的数学模型

  水锤计算采用特征线法。基本微分方程式:

  运动方程为:(3-1)

  连续方程为:(3-2)

  将流速转换为流量,由式可推导得另一种形式的水锤基本方程:

  (3-3)

  (3-4)

  式中,为流量,m3/s;为管道断面面积,m2;其他符号意义同前。

  令(3-5)

  (3-6)

  利用待定系数法联立式(3-5)(3-6)有:

  (3-7)

  经整理后:

  (3-8)

  和对的全导数为:

  (3-9)

  令:

  (3-10)

  于是式(3-9)可写成:

  (3-11)

  或写成:(3-12)

  (3-13)

  由(3-12)又知:,所以,将其代入式(3-13)中,则得:

  或(3-14)

  上式可代表x、t的坐标系中,两条斜率为和的直线(如图3-3所示)

  (3-15)

  图3-3水锤特征线在坐标系示意图

  Fig.3-3 The water hammer characteristic curve in coordinate system

  对正特征线方程时,得:

  (3-16)

  (3-17)

  当时,得:

  (3-18)

  (3-19)

  正特征线方程差分格式:

  (3-20)

  负特征线方程差分格式:

  (3-21)

  将式(3-20)和(3-21)简写成:

  +时,(3-22)

  时,(3-23)

  式中,

  (3-24)

  (3-25)

  而(3-26)

  (3-27)

  联立(3-24)和(3-25),即可根据管路中已知点A、B在时的初始值、、、,求出时点P的、值:

  (3-28)

  (3-29)

  若以的长度等分管路(见图3-4),在已知初始状态时的值以及边界点的条件情况下,利用式(3-24),(3-25)求出下个时段时的值。在计算0断面时刻的值时,需要用断面1的负特征线方程,与水泵边界条件联立求解可得。当计算水泵的出口断面时,需要联立第5断面正特征线方程式和出水池边界条件:

  (3-30)

  通过逐个时间层面求解Q,H值,最终计算得规定时间内所有断面的水力参数。

  图3-4特征线法图解

  Fig.3-4 The gridiron plan of characteristic line method

  3.2供水系统水锤数值模拟常见边界条件的建立

  3.2.1上游为蓄水池或水库的边界条件

  管路上游为蓄水池或水库的边界条件如图3-5所示。通常将容积较大蓄水池或水库作为输水系统的上游供水水源,系统中发生水力瞬变时其水位基本不变,认为上游水位为常数即可。

  (a)正向水流(b)逆向水流

  图3-5水位不变的上游蓄水池

  Fig.3-5 An upstream reservoir with a water level

  (1)如果忽略管口水头损失和速度水头,管道进口测压管水头满足如下关系:

  (3-31)

  式中,为时刻的管道进口的测压管水头;为蓄水池或水库的水位。

  求解得该时刻管道的进口断面流量:

  (3-32)

  式中,为波动幅度;为相位。

  (2)如果进口损失和速度水头不能忽略,这时对进口损失水头其值可用下式表示:

  (3-33)

  式中,K为进口损失系数。

  因此可得(3-34)

  联立方程(3-34)与负特征线方程,可得:

  (3-35)

  式中,。

  根据(3-35)式求出值后代入(3-36)即可求得,当为逆向水流时,方程式(3-35)和值为负。

  3.2.2管路中间设置隔离水池的边界条件

  该类边界条件可简化为上游为水池或水库的边界条件。

  对于上游水池:(3-36)

  (3-37)

  (3-38)

  对于下游水池:(3-39)

  式中,为水位的波动幅度;为水池的设计水位。

  3.2.3下游端装有闸阀的边界条件

  管路下游端装有闸阀的边界条件示意图如图3-6所示。

  图3-6管路下游段装有闸阀

  Fig.3-6 The downstream section of the pipeline is equipped with gate valve

  下游段安装有闸阀时,稳定流时通过阀门的流量时可用下式表示:

  (3-40)

  式中,为流量系数,为闸门前的水头,为闸门开启的面积。脚注“0”指稳态时的工况。

  对暂态过程:(3-41)

  用式(3-40)除以式(3-41),并令,可得:

  (3-42)

  将正特征线方程式代入式(3-42),可得:

  (3-43)

  求解上式(略去负值)得:

  (3-44)

  于是从正特征线方程即可求得值。

  在计算开阀或关阀情况下的暂态工况时,τ随t的变化曲线可制成表格形式和代数表达式,τ=1时通过的阀门流量为时的阀门开度。

  根据调度需求,对调流调压阀开度进行调节,从而使过阀流量和泵站的提水流量相匹配,维持整个系统于平稳状态。调流调压阀一般为线性关闭。由工作原理知,调流调压阀的出口压力值恒等于此处管道正常运行的压力值,阀出口处的流量值为:

  (3-45)

  式中,为调流调压阀出口流量;为调流调压阀出口压力。

  3.2.4下游末端为水池的边界条件

  管路上游为蓄水池或水库的示意图如图3-7所示。该边界条件类似于上游为水池的边界条件问题,认为末端水池水位为恒定值即可。

  (a)正向水流(b)逆向水流

  图3-7水位不变的下游蓄水池

  Fig.3-7 An downstream reservoir with a water level

  (1)如果不计管路水头损失及速度水头,设水池水位,末端结点压力值为,可得到:

  (3-46)

  计算得结点流量为:

  (3-47)

  (2)如果管路出口水头损失为:

  (3-48)

  式中的K值对逆向水流为负值。

  则(3-49)

  从方程式(3-49)和正特征线方程联立,得:

  (3-50)

  式中,,

  解方程式(3-50)可得,

  (3-51)

  联立式(3-51)代入正特征线方程中即可求出。

  如果忽略出口和速度水头,则有

  (3-52)

  (3-53)

  3.2.5管路下游端封闭的边界条件

  管路下游段封闭时,这时在封闭端,因此,可从正特征线方程得:

  (3-54)

  3.2.6管路分叉连接的边界条件

  输水管路一般由与上游水池相连接的主管通过分叉管路向多分支水厂供水通过管路分岔处的边界条件将各个独立管段相互联系起来。管路分叉图如图3-8所示。

  图3-8管路分叉图

  Fig.3-8 Pipeline bifurcation diagram

  以一个大管向两个小管分流为例,岔管节点满足连续性方程:

  (3-55)

  (3-56)

  (3-57)

  (3-58)

  (3-59)

  (3-60)

  式中,是主管1-1断面到支管2-2断面的水头损失;是主管1-1断面到支管3-3断面的水头损失;。

  第四章不同水锤防护措施边界条件及数学模型的建立

  由工程实践总结,长距离输水管道的水锤防护措施通常包括两阶段关闭液控蝶阀、空气阀、超压泄压阀等。

  4.1两阶段关闭液控蝶阀

  (1)两阶段关闭液控蝶阀的构造

  两阶段缓闭式蝶阀是供水系统中越来越重要的一种阀门。蝶阀同时广泛应用于泵站系统水锤防护与有压重力流输水系统的水锤防护方面。目前国内通常使用两种类型蝶阀,即重锤蓄能式与蓄能罐式止回阀,两者的结构存在差异。下面重点对重锤蓄能式两阶段关闭液控缓闭蝶阀的构造及特点进行介绍。

  重锤蓄能式两阶段液控缓闭式蝶阀的结构如图4-1所示。

  图4-1重锤蓄能式液控缓闭蝶阀结构图

  Fig.4-1 The energy storage by hammer self-closing butterfly valve

  (2)两阶段液控缓闭蝶阀的防护原理

  两阶段液控缓闭蝶阀第一阶段为迅速地关闭大部分角度,即快关阶段,第二阶段为以缓慢的速度关闭剩余小部分角度,即慢关阶段。慢关过程中管内流速变化较小,由压力升高与流速变化呈正比关系可得,管道的压力升高值可限制在允许范围内。

  (3)两阶段液控缓闭蝶阀的关闭特性

  液控蝶阀两阶段关闭特性如图4-2所示。

  图4-2液控蝶阀两阶段关闭示意图

  Fig.4-2 Two-stage closing diagram of hydraulic control butterfly valve

  若蝶阀快关阶段关闭的时间为,关闭的角度为,慢关阶段关闭的时间为,关闭的角度为,则液控蝶阀的两阶段关闭特性如下:

  (4-1)

  两阶段关闭液控蝶阀的阻力特性系数资料,如表4-2。

  液控蝶阀在不同关闭的角度下均对应不同的阻力系数,根据三组已知数据、、,应用二次插值法可求解得区间中任一关闭角度下的阻力系数。

  (4-2)

  (4-3)

  同理,可求得任一关闭角度下的阀门断面面积。

  (4-4)

  不同关闭角度下的蝶阀水头损失为:

  (4-5)

  式中,为液控蝶阀的水头损失,m。

  表4-2两阶段液控止回蝶阀阻力特性系数表

  Tab.4-2 The resistance characteristics coefficient of butterfly

  阀门开度(°)0102030405060708090阻力系数ξ0.60.741.372.95.6813.238114690100000Av/Ao10.820.6450.50.390.2950.20.1250.060.0014.2空气阀

  4.2.1空气阀的工作原理

  空气阀安装于管道关键点上,充水时可高速排出管道内的空气,管道放空时可吸入空气保证排水通畅;运行时可微量排气,排出液体中析出的气体,提高管线输水效率的同时,控制充水速度与流量;安装在管线易产生负压水锤的位置(如水泵出口的止回阀前),抑制断流空腔弥合水锤,起到缓解与消除负压水锤的作用。空气阀的基本结构如图4-3所示,其进、排气过程如图4-4所示。

  1-阀体,2-浮体,3-升降罩,4-大孔密封组件;5-小孔密封组件;6-阀盖;7-排气罩;8-小排气孔。

  图4-3空气阀的基本结构示意图

  Fig.4-3 Schematic diagram of basic structure of air valve

  (a)正压状态排气示意图(b)负压状态吸气示意图

  图4-4空气阀进、排气示意图

  Fig.4-4 Inlet and exhaust schematic of air valve

  空气阀通常分为高速排气阀、高速吸气阀和微量排气阀三种孔口功能以及它们之间的不同组合。按照内部结构的差异,可分为传统式排气阀、动力式高速排气阀、防水锤排气阀等。

  排气阀也称作小孔口空气阀,可自动将聚集于管路内的气体排出,其正常工作压强大于大气压强。微量排气阀的显着特性是其排气孔口径远低于公称通径。孔口的尺寸一般为1/16~1英寸,而其公称通径通常为1/2~6英寸。当水进入阀门后,浮球上升,关闭孔口。当气体聚集于阀门时,气体就会替代水存在于阀门内,浮球收到的浮力降低,阀门出口开启,将气体排出。需注意的是微量排气阀应合理地设计浮球的重量和杠杆机构,浮球就能够在任意压强下开启,至最高工作压强。

  高速进排气阀亦称大孔口阀门,通常被设计于管线充水时需自动排气和管线内部压强小于大气压强时需大量吸气的情况。典型的高速进排气阀孔口直径一般介于1/2英寸与20英寸间,且与其连接口得直径相同。高速进排气阀的动作过程与微量排气阀相类似,不同之处是其孔口较大,并且当管内存在正压时不会自动开启。管线初次充水时,阀门自动开启高速排气,当水流进入阀门后,浮球升起关闭阀门。高速进排气阀一旦关闭,若管内压强超出大气压强或存在水时,将不会再次开启。

  复合式空气阀具备与高速进排气阀相同的功能,但其可以在管线正压大进行排气,包括单体式与双体式两种。复合式空气阀结构如图4-5所示。

  图4-5复合式空气阀结构图

  Fig.4-5 combined type air valve structure

  随着结构的改进,防水锤型空气阀已逐渐替代传统的空气阀。防水锤空气阀由复合式高速进排气阀与排气节流装置构成,复合式高速进排气阀由高速进排气阀与微量排气阀组成,结构独特的微量排气阀集成于高速进排气阀的内部,整体结构很紧凑。排气节流装置由节流筒及节流塞构成,其结构如图4-6所示。防水锤空气阀的浮球位于护筒内部,高速气流环绕过浮球,从浮球顶部的护筒出口排出,经流场仿真与试验平台检测验证,即使排气速度大过音速也不会吹起内部浮球,杜绝吹堵的现象。安装于高速进排气阀出口或者进口的排气节流装置,当达到设定排气压差时,节流塞可自动投入使用,由大口排气转为小口排气,从而自动控制地高速排气速度。

  图4-6防水锤型空气阀结构示意图

  Fig.4-6 Schematic diagram of non-slam air valve

  4.2.2空气阀的数学模型及边界条件

  (1)空气阀的数学模型

  为研究方便,空气阀的数学模型以如下四项基本假定为基础[21]:①空气近似看为理想气体,气体流入或者流出阀门时为等熵过程;②排气过程中,管内气体聚集于阀门附近,可由阀门顺畅排出;③进气过程中,流入的气体可快速与管内水体保持热平衡状态,最终和水体同温;④管内水体的表面高度维持基本不变状态。

  根据气体流入和流出阀门的速度差异,空气阀的进排气边界条件可分为四种情况,空气流量的表达式分别如下:

  ①空气以亚音速等熵流进时(0.528<p/p0<1):

  (4-6)

  式中,为流入阀门的空气质量流量,kg/s;Cin为阀门的进气流量系数;Ain为进气时的流通面积,m2;p0为管外的气体压力,一般取标准的大气压值,Pa;ρ0为大气密度;k为气体的比热比,一般取1.4;p为管内绝对压力,Pa。

  ②空气以临界流速等熵流进时(p/p0≤0.528):

  (4-7)

  ③空气以亚音速等熵流出时(1<p/p0<1.894):

  (4-8)

  式中,为进入阀门的空气质量流量,kg/s;Cout为阀门的排气流量系数;Aout为排气时阀门的流通面积,m2;ρ为阀门处的气体密度,kg/m3。

  ④空气以临界流速等熵流出时(p/p0≥1.894):

  (4-9)

  (2)空气阀的边界条件

  在压力管路中,空气阀的布置示意图如图4-7所示。

  图4-7空气阀布置示意图

  Fig.4-7 Schematic diagram of air inlet and vent valve

  空气阀两侧正负特征线方程分别为:

  (4-10)

  (4-11)

  (4-12)

  若水头降至管线以下,空气进入阀门,气体在排出之前,满足恒定完善的气体方程,即:(4-13)

  在t时刻,式(4-16)可以近似为:

  (4-14)

  将式(4-13),(4-14)及(4-15)代入式(4-17)得:

  (4-15)

  式中,,为时刻流进、流出断面的流量,m3/s;

  ,为时刻流进、流出断面的流量,m3/s;

  ,为空穴气体体积、时刻空穴气体体积,m3;

  ,,为空气阀的位置高程,m;液体容重,N/m3;大气绝对压力,m;

  ,,为时刻空穴气体的质量,kg;时刻流入或者流出空穴气体的质量流量,kg/s;时刻流入或者流出空穴气体的质量流量,kg/s。

  式(4-15)即为出现空穴时刻t时要解的方程。在式(4-15)中P是唯一未知参数,但由于气体的质量流量导数不连续,求解较为困难。国内外通常采用Wylie、Streeter提出的离散化方法,但存在计算复杂、收敛性差的缺点,为此,杨开林提出了一种新的求解方法[75]。

  4.2.3空气阀设置的技术要求

  合理地布置空气阀位置和选择口径同样重要。空气阀安装于不正确的位置有可能导致阀门失效的结果。如下位置应设置空气阀[51]:

  (1)局部高点,复合式空气阀应安装于这个位置,可满足初次充水的排气要求,管线正常输水时的微量排气要求,及管线放空时的吸气要求。

  (2)输水主管阀,高速进排气阀或复合式进排气阀可安装在输水主管阀的一侧以便捷将管线的气体一部分放空。

  (3)管线坡度突然增大的地方,在管线上坡端、下坡段且坡度突然增大的位置应安装复合式空气阀。

  (4)管线长上坡段或下坡点,一般应考虑在400m至800m之间的距离安装高速进排气阀或复合式空气阀,管线长下坡段应考虑安装微量排气阀或者复合式空气阀。

  (5)在管线长水平段的两端,可安装复合式空气阀。如果水平段足够的长,应该考虑以400m~800m的间距安装微量排气阀或者复合式空气阀。

  (6)虹吸管,在管线高程高出水力坡度线的地方,也就是说这些地方在正常输水时将一直处于负压的状态,这些地方同样地需安装空气阀。

  4.3超压泄压阀

  4.3.1超压泄压阀的工作特点

  超压泄压阀利用泄流的方法进行泄压,以维持管道内压力安全,当压力降至安全值时,阀门会自动关闭。在工程实践中,超压泄压阀的口径选择通常取为输水主管道直径的1/5~1/4。超压泄压阀的结构如图4-8所示。

  图4-8超压泄压阀的构造示意图

  Fig.4-8 Schematic diagram of over-pressure relief valve

  4.3.2超压泄压阀的边界条件

  在压力管路中,超压泄压阀的布置如图4-9所示。

  图4-9超压泄压阀布置示意图

  Fig.4-9 Schematic diagram of over-pressure relief valve

  (1)当时

  若时刻,管路的压力值高于超压泄压阀设定的压力值,阀门将自动开启,进行泄流减压。此时,应用正负特征线方程和超压泄压阀的边界条件方程组,即可求解得断面的流量、压力。

  (4-16)

  (4-17)

  (4-18)

  超压泄压阀两侧的正负特征线方程为:

  (4-19)

  (4-20)

  通过联立式(4-16)~式(4-20),即可求解得、、、、、。

  (2)当时

  若管路的压力值低于超压泄压阀的设定压力值,超压泄压阀将不动作,即,此时亦不泄流,仅利用式(4-16)、(4-17)、(4-19)、(4-20),即可求解断面的流量、压力。

  式中,,,为阀上游,阀进口,阀下游压力,m;

  ,,为阀上游流量,阀泄水流量,阀下游流量,m3/s;

  ,,,为断面的流量,m3/s;压力,m;

  ,,为大气相对压力值,m;阀门的流量系数;阀门开启面积,m2。

  第五章山西乡宁谭坪沿黄供水泵站工程运行水力特性分析

  5.1山西乡宁谭坪沿黄供水工程简介

  5.1.1工程总体概况

  山西乡宁县谭坪沿黄供水工程位于山西省乡宁县城西部,东经110°33′,北纬35°50′,距乡宁县县城约45km,工程地理位置见如图5-1所示。

  山西省乡宁县位于山西省西南黄土高原南部,临汾盆地和吕梁山的结合处。东邻临汾、襄汾,西隔黄河和陕西韩城、宜川相望,南邻河津、稷山、新绛,北与吉县接壤。全县有10个乡(镇)182个行政村,949个自然村,23.2万口人,其中农业人口19.97万人。全县的总面积约为2025平方公里,其耕地面积约为47.3万亩,但水浇地面积不足5万亩。乡宁县境内黄河干流长为21.6km。

  工程位于乡宁县西南面,属沿黄提水灌溉工程,即黄河表层水通过浮体泵站取水,经沉沙池进入一级泵站前池,经梯级加压泵站后提水至驮涧、谭坪和神底出水池。由提水工程及灌溉工程组成。该水利工程属于中型规模,等别为Ⅲ等。建筑物的地震设防按Ⅶ度设计。工程任务其一是向谭坪、驮涧、马涧、临河、掷沙、神底等24个村庄的2.45万亩耕地提供灌溉水源,其二是向乡宁县县城供水。乡宁县项目区属半干旱气候,具有“十年九旱”的特点,农业灌溉需求已无法满足。项目区西面的黄河水资源丰沛,是可利用供给乡宁灌区农业灌溉的可靠水源。

  图5-1山西省乡宁县谭坪沿黄提水灌溉工程地理位置示意图

  Fig.5-1 Shanxi province Xiangning County Water Irrigation Engineering geographic location map

  5.1.2取水方式设计

  山西乡宁县谭坪沿黄供水工程取水方式为浮体泵站取黄河表层水。取水浮体泵站由浮体泵组、出水支管、压力总管、变配电室和码头等组成。5台浮体泵组在黄河小摊处岸边一列式布置。在其岸边上、下游分别布置管理及检修间和变配电控制室。5台浮体泵并联安装。泵站现场布置图如图5-2所示。

  图5-2取水泵站现场布置图

  Fig.5-2 Site layout of the pump station

  (1)泵站特征水位确定

  ①设计水位

  根据规范,选择历年灌溉期水源为85%~95%保证率的日平均水位作为设计水位。根据龙门站的实测统计资料,灌溉期保证率为95%的日平均流量是116m3/s,根据取水口断面的水位~流量关系曲线,查得泵站运行设计水位为391.74 m。

  ②最高运行水位

  根据洪水频率研究,龙门站重现期为5年一遇洪水的日均流量为7290m3/s,根据取水口断面的水位~流量关系曲线,查得泵站运行最高运用水位为403.15m。

  ③最低运行水位

  从河流、湖泊取水时,最低运行水位取历年灌溉期水源为95%~97%保证率的最低日平均水位。根据龙门站水位实测日均流量统计资料,保证率95%时流量为32.9m3/s,由取水口断面的水位~流量关系曲线,选择泵站运行的最低运行水位为390.99m。

  (2)沉沙池设计

  水泵叶轮对泥沙磨蚀的敏感性高,水源含沙量大,不仅显着影响水泵的正常运行,且易发生水泵磨损以及泵站引渠、前池、进水池、进水口的淤积等现象,造成泵站运行、管理及维护的困难。

  黄河水含沙量较高,通过水泵抽水引沙是不可避免的,泥沙含量对供水系统的经济运行是至关重要的。因此,在本工程设计中通过沉沙池进行处理,要求尽可能多地沉积引水中的泥沙,沉沙池布置在一级泵站前,位于一级泵站厂区内,依据地形沿东南方向布置。排沙廊道垂直于沉沙池,出口于厂区南侧天然冲沟内。参考类似工程,确定本工程设计出池泥沙粒径不宜大于0.05mm,大于等于0.05mm的泥沙沉降率达到80%以上,出池含沙量汛期为12kg/m3。

  由于引水流量较小,沉沙池选择定期冲洗式,按照沉沙与冲洗交替进行、连续供水的要求进行设计。沉沙池包括进水段、闸室段、联接段、工作段、排沙系统五部分。

  5.1.3供水工程输水管线布置

  山西省乡宁县谭坪沿黄提水工程引水管道全长18.63km,其中取水泵站出口至一级泵站进水池长295m,一级泵站出口至一级加泵站进水池长1243m,一级加泵站至二级泵站进水池长7173m,二级泵站出口至谭坪出水池长3350m,至神底出水池长6573m。

  工程总体布置图如图5-3所示。

  图5-3工程总体布置图

  Fig.5-3 General layout of the project

  山西省乡宁县谭坪沿黄提水工程共有四级泵站:

  取水泵站(零级泵站)取水方式为浮体泵站取黄河表层水。浮体泵站由浮体泵组、出水支管、压力总管、变配电室和码头等组成。5台立式长轴泵(水泵型号:350LC-20)并联安装,在黄河小摊处岸边一列式布置。在其岸边的上、下游分别设置管理及检修间与变配电控制室。

  一级泵站位于黄河东岸、小滩村北的冲沟内,站址位于取水泵站下游侧。地面高程401.4~404.0m,基础座落于卵石混合土上。

  一级加泵站位于线路桩号1+120.0~1+170.0,距一级泵站1.1km,场地地势平缓,地形起伏小,地面高程为667.0~670.0m。

  二级泵站位于枣岭乡驮涧村北的黄河东岸的黄土台地上,场地地势平缓,地面高程为919.19~920.39m。根据灌溉面积分布情况,二级泵站分设两座出水池,神底支线出水池位于神底村以东的山峁平台上,场地较平整,高程为1116.75~1120.85m;谭坪支线出水池位于谭坪村以东的山峁平台上,场地较平整,高程为1008.18~1012.84m。泵站均包含主厂房、副厂房、前池、进水池、出水池等建筑物。

  5.1.4山西省乡宁县谭坪沿黄供水工程泵站主要技术参数

  (1)泵站主要技术资料,如表5-1。

  表5-1泵站主要技术资料表

  Tab.5-1 The main technical data of pumping station

  项目取水站一级泵站一级加泵站二级泵站(两个出水池)谭坪支线神底支线电机部分电动机型号YX3-280S-4Y500-4Y500-4Y315L2-2Y400-4电动机转动惯量GD2(kg·m2)0.624242.26.0功率(kw)759001000200400转速(r/min)14851485148514851485效率(%)9495.395.394.894泵站工程部分水泵型号350LC-20SLOW250-90X3SLOW250-90X3SL0W100-320(Ⅰ)SLOW150-570X2水泵类型立式长轴泵双级双吸离心泵双级双吸离心泵单级双吸卧式离心泵双级双吸卧式离心泵设计扬程(m)19.16276283110238单台泵设计流量(m3/s)0.1920.180.180.100.08转速(r/min)14501480148029601480装机容量(kw)5×754×9004×10002×2002×400净扬程/地形扬程(m)14.66/15.41262.325292.00199.50水泵转动惯量无水时/有水时GD2(kg·m2)3.222/5.4753.222/5.4750.092/0.1101.376/1.65机组的台数5(4工一备)4(3工一备)4(3工一备)22水泵安装高程(m)359.0403.2665.50915.0915.0水泵允许汽蚀余量(m)8.5559.04.0水泵进水管长度(m)3.194.925.535.53水泵进水管管径(mm)350350300300水泵出水管长度(m)29510.6017.179.119.11水泵出水管管径(mm)500300300200200系统流量(m3/s)0.960.540.540.36进水池水位m最大403.15406.0667.5922.0922.0最小390.99402.5665.0916.0916.0设计391.74404.7672.7919.0919.0出水池水位m最高406.8--1012.01119.5最低403.5--1009.01117.0设计406.4672.7919.01011.01118.5泵站进出水管管材、糙率钢管0.012出水总管管斜长/轴长(m)2951243717333506573出水总管管径(mm)1000650650450400出水总管管材、糙率钢管0.012(2)各级泵站水泵特性参数表,见表5-2,5-3,5-4,5-5。

  表5-2一级泵站水泵特性参数表

  Tab.5-2 Characteristic parameters of pump of first stage pump station

  水泵型号流量Q扬程H功率配套功率效率η汽蚀余量NPSH转速nSLOW250-90X3(m3/h)(m)(kw)(kw)(%)(m)(r/min)003030900014804320.1229052165.54.66480.1827664975.05.08280.2325680172.06.2表5-3一级加泵站水泵特性参数表

  Tab.5-3 Characteristic parameters of pump of first plus stage pump station

  水泵型号流量Q扬程H功率配套功率效率η汽蚀余量NPSH转速nSLOW250-90X3(m3/h)(m)(kw)(kw)(%)(m)(r/min)4320.12297533100065.54.614806480.1828366675.05.08280.2326382372.06.2表5-4二级泵站谭坪支线水泵特性参数表

  Tab.5-4 Characteristic parameters of pump of second stage pump station

  水泵型号流量Q扬程H功率配套功率效率η汽蚀余量NPSH转速nSL0W100-320(Ⅰ)(m3/h)(m)(kw)(kw)(%)(m)(r/min)2520.07122107.3200786.529603600.1110132.381.59.04320.1289134.27810表5-5二级泵站神底支线水泵特性参数表

  Tab.5-5 Characteristic parameters of pump of second stage pump station

  水泵型号流量Q扬程H功率配套功率效率η汽蚀余量NPSH转速nSLOW150-570X2(m3/h)(m)(kw)(kw)(%)(m)(r/min)2020.06241194.9400683.814802880.08238245.5774.03750.10229334705.0

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