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泵站设计

2017-10-12 15:05:38

5.  排涝泵站设计

5.1  泵站场址选择

5.1.1泵站选址原则

根据工程性质拟建排涝泵站选址原则如下:

1、站址选择应符合城市规划的要求;

2、站址应靠近滞洪区,地势低洼,利于排水,减少挖渠土方;

3、站址应靠近承泄区,减少管道投资,减少管路损失,节约能量;出水口应选择在河床稳定的地段;

4、泵站站址应选择在岩土坚实抗渗性能良好的天然地基上,应尽量避免不良地段;

5、尽量减少占地,避免拆迁。

5.1.2拟建场地概述

根据城市防洪排涝工程总体布置,拟在滞洪区边缘建设排涝泵站。规划的滞洪区有两处,较大的一处为乌屿滞洪区,较小的一处为浔美滞洪区。乌屿滞洪区经北渠至城东海堤变建有凤屿拦潮闸(北闸)。浔美滞洪区边已建有浔美渠拦潮闸(南闸)。这两处闸口均紧靠滞洪区、地势低洼且位于海堤上,在此两处附近任意一处建站均能满足排涝泵站的任务要求。

1、北闸现状

根据收集到的资料情况看,北闸建闸的地方地质情况基本为黄粘土地层,含沙量大,地质坚硬。外海有现状水闸排水的水道,利于水顺利排至外海。现状北闸海堤内百米之内范围均有渔民建造的住宅,海堤外在北闸左右也有数栋渔民住宅。

2、南闸现状

南闸位于浔美渠端城东海堤上,在该闸的四周均发现有岩石出露,根据南闸建闸资料,该处岩石高程4—7米,自北向南呈20度角倾斜,伸进海堤一般岩石破碎,嵌入陆地岩石较完整,四面都为分化物覆盖。地质情况较理想。现状南闸外建筑比较少,堤内有几处养殖场,堤外无建筑,地势开阔,有现成南闸排水水道,通向外海。

5.1.3站址综合比选

根据滞洪区位置与南、北两闸的相对关系,对排涝泵站的选址提出三个场址方案进行选择。

场址方案一:排涝泵站位于南闸处,紧靠浔美滞洪区。

场址上游于现状浔美渠道、浦潭河相连,为低洼的鱼塘。

场址方案二:排涝泵站位于北闸处。

场地现状标高在1.09—1.63米之间,海堤内外全为当地居民自建的民房,北闸与上游乌屿低洼地有一条水道相连。

场址方案三:排涝泵站位于乌屿村西南侧的空地处,紧靠乌屿滞洪区,场地标高为0.78—1.38米之间,上游与菜浦河相连。

根据现有掌握的资料对拟建站址的三个方案进行综合比较见表5-1.

拟建排涝泵站站址综合比较表                       表5-1

            站址

比较项目

场址一(南闸)

场址二(北闸)

场址三(在南、北闸中间靠近北闸)

是否符合规划要求

符合

符合

符合

地势是否满足要求

地势低洼利于集水

地势低洼利于集水

地势低洼利于集水

是否靠近滞洪区

在滞洪区边缘设置无需设置前池

距主滞洪区较近,需建设部分渠道

在滞洪区边缘设置无需设置前池

是否靠近主要来水一侧

靠近主要来水渠端部,利于集水

靠近主要滞洪区,远离来水渠道

靠近主要滞洪区,远离来水渠道

是否靠近承泄区

靠近

靠近

靠近

出水管路路线

站址离堤坝近,出口无障碍,出水管路较短

出口有房屋建筑,出水可能需伸入堤外一定距离;如选址不拆迁则离堤坝距离增加,出水管路增加

站址离堤坝近,出口无障碍,出水管路较短

堤外水道是否畅通

堤外水道畅通

堤外水道较为畅通

堤外水道较为畅通

地质情况是否符合

资料显示地质情况较好

地质情况尚可

地质情况较差,淤泥层较厚

征地情况

需征地

需征地

需征地

是否需拆迁房屋

现状无建筑,不需拆迁房屋

现状建筑较密集,泵站站内及周围一定范围均需拆迁

现状无建筑,不需拆迁房屋

预估投资情况

最低

征地拆迁费用高,地基处理费用高

地基处理费用高,但比北闸低,较南闸高

是否影响远期发展

影响较大

稍有影响

无影响

根据表5-1比较情况看,方案一较好,但该处一个较大的缺点是在城东片区南闸处有一个远期发展规划,将对城东片区滨江滩涂进行围垦,南闸亦在围垦之内,则在此处建排涝泵站对远期规划影响较大,即使实施,出水管路将很长。

而方案二的拆迁量较大,实施困难。

方案三将排涝泵站建于乌屿村西南侧的空地处,紧靠乌屿滞洪区,距北闸约940米,场地无拆迁,并且也不在滨江围垦之内,是个较为理想的场址,该场址的缺点是地质情况较差,地基处理费用高。

综上所述,本次排涝泵站选址为方案三选址,即排涝泵站位于乌屿村西南侧的空地处,紧靠乌屿滞洪区,距北闸940米。

5.2  泵站的工艺设计

5.2.1排涝泵站的任务和规模

排涝泵站的建设目的是为排除设计标准下不能自流排至外江,并不能被滞洪区容纳的来洪水量,因此其规模根据设计标准下最不利情况的调洪分析计算确定,根据前面章节的调洪分析计算,确定泵站的设计规模为38m3/s。

5.2.2工程等别

根据《泵站设计规范》中泵站等级划分的有关规定,本泵站设计规模38m3/s ,泵站等级划分为Ⅲ等(中型)。

5.2.3泵站设防标准

根据《泉州市城市总体规划》和国家有关防洪标准,城东组团采用的防洪标准为:海堤的防潮标准按100年一遇潮水位校核,城东组团内的山洪按20年一遇洪水标准校核,排涝按20年一遇标准校核,24小时内排完。本排涝泵站为堤后泵站,泵站自身的防洪标准等同于堤防的防洪设防标准。

5.2.4泵站特征静扬程的分析

1、进水水位确定

本排涝泵站位于滞洪区边上,泵站进水水位根据滞洪区运行水位推算至渠前确定。滞洪区底标高为0米,最高水位3.00米,最低运行水位0.13米。

设计进水水位:

为了使选择的水泵符合经常运转状态,本工程选用水位的中间值1.5米作为选泵设计进水水位。

最高进水水位:

根据防洪设计中的滞涝标准,滞洪区的设计最高水位为3.0米,因此本站最高进水水位为3.0米。

最低进水水位:

调蓄计算中滞洪区最不利情况时起调水位0.13米,该水位为泵站最低运行水位。

进水特征水位如表5-2所示:

泵站进水设计特征水位一览表                       表5-2

序号

设计特征水位

标高(m)

1

最高进水水位

3.0

2

设计进水水位

1.5

3

最低进水水位

0.13

2、出水水位确定

根据收集到的资料,推算洛阳江各个不同重现期的潮水水位见表5-3。

洛阳江不同频率P(%)潮水水位表                     表5-3

重现期(年)

频率P(%)

穿堤处潮水水位标高(m)(黄海)

100

1

4.85

50

2

4.65

20

5

4.35

10

10

4.27

5

20

4.11

设计出水水位:

《泵站设计规范》规定“泵站排出设计水位,取承泄区重现期5—10年一遇潮水位的3—5日平均潮水位”;因此本设计出水水位采用洛阳江5年一遇潮水位4.11米。

最高出水水位:

《泵站设计规范》规定“泵站排出最高设计水位,当承泄区为感潮河段时取重现期10—20年一遇的3—5日平均潮水位,对特别重要的排水泵站可适当提高排涝标准”;本工程中20年一遇潮水位4.35米,与100年一遇潮水位仅差0.5米。因此确定最高出水水位采用100年一遇潮水位4.85米。

最低出水水位:

最不利情况调蓄计算中,滞洪区水位0.13米起泵时外江水位为0.35米,去该值为泵站最低出水水位。

根据上述分析最终确定的泵站出水特征水位如表5-4所示:

泵站出水设计特征水位一览表                    表5-4

序号

设计特征水位

标高(m)

1

最高出水水位

4.85

2

设计出水水位

4.11

3

最低出水水位

0.35

3、特征静扬程计算分析

根据上述数据,泵站特征静扬程计算如表5-5:

泵站特征静扬程分析计算表                    表5-5

                  出水水位

  进水水位

设计水位(m)

最低水位(m)

最高水位(m)

4.11

0.35

4.85

设计水位

1.50

2.61

-1.15

3.35

最低水位

0.13

3.96

0.20

4.70

最高水位

3.00

1.11

-2.65

1.85

注:此处计算中进水水位尚未考虑进格栅水头损失。

(1)、设计最高静扬程有四种情况:

①、理论最高静扬程为最低进水水位和最高进水水位的差值4.70米。

②、在本工程中由于外江为感潮河段,外江最高潮水位每天出现两次,历史较短,通过调洪计算分析当设计标准洪水到来时,只有滞洪区水位达到1.4米,遭遇外江潮位最高峰4.85米是才必须起泵工作。其余低于此水位时,洪水均可通过滞洪区调节,错峰后自流排泄,因此,这一点是水泵工作扬程的最不利点,此时泵工作静扬程3.45米。

③、在防洪设计最不利情况的调洪计算中,外江潮位4.85米时的最大扬程为2.71米。

④、根据泵出水管的穿堤形式,由出水管的最高点高程决定。本设计考虑不对泵的装机功率产生大的影响,确定穿堤管道顶高程4.45米,高于二十年一遇潮水位0.1米,此时水泵在最低点0.13米起泵时最大静扬程4.32米。

经过分析比较,为考虑泵的装机功率与平时使用功率差值不是太大,符合实际使用情况,设计认为选择4.32米作为设计最高静扬程比较合理。

(2)、设计最低扬程一般为进水最高水位和出水最低水位的差值,但本工程中该值为负,因此最低扬程取进水最低水位和出水最低水位的差值0.2米。

(3)、由于洛阳江海湾每日涨潮两次,最低潮水位-1.82米,地狱滞洪区底标高0.00米,滞洪区运行以滞为主,大部分时间为错峰滞洪自排,排涝泵站使用几率较低,因此平均扬程无实际意义,本设计对平均扬程不作分析。

综合上述分析,最终确定的泵站特征扬程如表5-6。

泵站特征静扬程一览表                      表5-6

特征静扬程

设计扬程

最高扬程

最低扬程

特征值(m)

2.61

4.32

0.20

5.2.5泵站方案设计

5.2.5.1泵站总体布置

由于本工程是排除滞洪区内涝水的泵站,其工艺流程非常简单,只是在外江水位高于滞洪区水位时,以泵提升的方式将涝水排入河道,因此根据选定的排涝泵站的位置确定工程的总体布置为:

在外江潮位低于滞洪区水位时,涝水自现有流道开闸自流排水,当外江水位高于滞洪区水位时南、北闸关闭,在滞洪区水位不允许上涨或滞洪区即将不能容纳来水时开泵,来水由泵站提升经管道穿堤排至外江。

5.2.5.2泵站方案比选

1、泵房型式比选

泵房是安装水泵、电机、辅助设备、电气设备的建筑物,是泵站工程的主体工程,其主要作用是为水泵机组及各种机电设备和运行管理人员提供良好的工作条件。合理设计泵房对降低工程投资、提高泵站效率、延长机电设备寿命以及为运行管理人员提高工作环境具有重要意义。

泵房的形式根据所选水泵及不同的工作场所有很多种型式,常规的分类通常按基础和泵房内是否可以进水分为分基型、干室型、湿室型和块基型。分基型在中小型灌溉中常用,块基型在大型水利泵站中使用,城市市政工程中常用型式为干室型和湿室型,表5-7是这两种泵房形式的比较。

泵房形式比较一览表                            表5-7

      泵房形式

比较项目

干室式泵房

湿室式泵房

特点

一般泵吸水室和集水池分建或合建,有地上和地下两层结构,水泵置于地下不能进水的干室中,通过吸水管吸水

泵房下部为湿室,湿室同进水池相连,水泵置于湿室中直接吸水

      泵房形式

比较项目

干室式泵房

湿室式泵房

适用场所

适合于水泵吸程较低,进水池水位变化幅度大的场合

结构稳定性好,适合于地基较差的场所,进水水位变化范围适中

适用泵型

适用于各种干式安装的泵型,不适用于潜水泵

适用轴流泵、混流泵、卧式泵、潜水泵

优点

机器间保持干燥,养护管理条件好、机组检修方便

结构相对干室式简单、集水池有效容积大,泵房下部深度小,占地省

缺点

结构复杂,受吸水安装要求影响,泵房下部深度大,施工难度大,占地多

泵的部件浸没于水中,设备养护条件差,立式轴流、混流泵电机层需高于最高液位水位,变幅大时,电机轴较长,但采用潜水泵无此缺点

工程造价

较高

较低

是否适用本工程

本工程进水位变幅小,不适用

适用

综上比较,本泵站采用湿室式泵房。

2、泵型比选

水泵选型的主要内容是确定水泵的类型、型号和台数等。因为电机、传动及辅助设备等的配套,泵站工程建筑物的设计以及泵站经济运行都是以泵站的选型为依据的。水泵选型不合理不仅会增加工程投资,而且会降低水泵的运行效率,增加泵站能耗和运行费用。因此,水泵的选择非常关键。

(1)、水泵选型的基本原则

①、必须满足流量和扬程要求。

②、水泵应在高效区内运行。

③、水泵在长期运行中泵站效率较高、能耗少,运行费用低。

④、按所选水泵、台数建站,工程投资省。

⑤、在设计标准工况下,水泵机组能正常安全运行,不允许发生汽蚀、震动和超载。

⑥、便于安装、维修和运行管理。

(2)、泵型概述

水泵按作用原理主要分为叶片式、容积式和其他类型水泵(如螺旋泵、射流泵、气升泵等),而其中以叶片式应用最为广泛。叶片式水泵主要为离心泵、轴流泵和混流泵。这三种泵型比较见表5-8。

常用泵型比较表                        表5-8

泵型

离心泵

混流泵

轴流泵

比转速

40—300

300—500

500以上

一般扬程范围

10m以上

5—30m

0—10m

口径

40—2000mm

100—6000mm

300—4500mm

流量范围

流量小,从零流量到大流量均能运转

流量较大,从零流量到大流量均能运转

流量大,不能在小流量运转

轴功率变化

具有上升型功率曲线,零流量时功率最小

具有平坦的功率曲线,电动机始终能满载运行

具有陡降型功率曲线,零流量时功率最大

效率变化

高效率范围广,能适应扬程变化

高效率范围广,能适应扬程变化

高效率范围窄,扬程变化后效率很快降低

气蚀性能

不好

结构与重量

同口径时结构复杂重量大

同口径时结构简单,重量较大

同口径时结构简单,重量较轻,全调节泵复杂

辅助设备

较少

中小型少、大型多

中小型少、大型多

维修保养

较易

较易

较一般

由上表可见,灌溉或给水泵站,扬程较高,宜选用离心泵和轴流泵。对扬程较低的排水泵站,常选用混流泵和轴流泵。一般扬程小于10m,选用轴流泵;5—30m时选用混流泵,20—100m选用单级离心泵。

本工程设计最高静扬程4.32米,总扬程初步估算到7米,最小扬程3.5米,水泵主要在小扬程工况下工作,最高扬程低于10米,因此确定选用轴流泵进行方案设计。

(3)、轴流泵的分类及选择

轴流泵又分为立式轴流泵和潜水轴流泵等,泵工程中选用传统立式轴流泵和潜水轴流泵进行方案比较加以选择。对传统立式轴流泵工程实例较多,但对大口径潜水泵在国内使用还不广泛。

大口径潜水电泵是今年年来开发的新泵型,它是将电机和水泵组合成一体,具有体积小、重量轻、移动安装方便的优点。在有些场所它甚至无需另建机房,可大大节省工程投资,其建站费用仅为同类泵站的50%—60%。潜水式电泵已有70多年的历史,但大口径、低扬程、大流量的潜水式轴流泵和混流泵只是冷却、润滑、自动耦合以及自动控制等许多关键技术的解决为潜水电泵的大型化打下了基础。在国外,大口径潜水电泵应用甚广。瑞典、德国、日本、美国等均相继开发出各种形式的大口径潜水电泵。最大口径已达到1.6m以上,流量超过8m3/s,而且还在不断增大。

我国近年来在开发大口径潜水电泵方面做了大量工作。随着自动耦合问题的突破,使起吊重量大大减轻,有效地解决了安装检修的难题。目前,大口径潜水电泵的口径已从300—800mm发展到900mm,1000mm,1200mm,1600mm等各种规格。大口径潜水电泵的流量,扬程范围与立式轴流泵对应,配套电机功率可达800KW,使用电压也突破低压,开发出6Kv、10Kv高压潜水电泵。

采用现代大口径潜水电泵的潜水泵站具有以下特点:

①、工程投资对一些形式的泵站可以有所降低。潜水泵站因无需上不泵房结构,水工结构非常简单。即使需要建泵房,因潜水电泵结构紧凑,占地面积小,也可使泵房跨度减小,高度降低,从而减少工程投资。

②、安装、拆卸、维修、保养非常方便。由于大口径潜水电泵为同轴整体结构,没有安装过程中的同心、摆度等问题。同时,大口径潜水电泵均采用自偶连接装置水泵与管道连接不用螺栓,大大提高了装拆的效率。在非运行季节,可吊出维修保养,延长使用寿命。

③、运行条件大为改善。由于水下运行,无噪音,泵房在地下,对周围环境影响很小。

④、便于自动化控制。大口径潜水电泵启动过程简单,只要到了一定水位,水位控制开关动作,即可起动或停机。

⑤、由于大口径潜水电泵设施简单,因此大大缩短了泵站施工工期,做到当年投资,当年受益。

表5-9针对本工程,采用立式轴流泵和潜水轴流泵的综合比较情况。

立式轴流泵和潜水轴流泵方案比较表                  表5-9

比较项目

立式轴流泵

潜水轴流泵

台数(以8台为例)

8

8

占地面积(ha)

0.45

0.45

比较项目

立式轴流泵

潜水式轴流泵

上部结构及土建费用

上部结构建筑面积590平方米,10.5米高,造价约110万

上部结构可以不做,节省费用110万

装机容量(KW)

单机450KW,总功率3600KW

单机450KW,总功率3600KW

水泵、电站及配套设备费用

基本相当

基本相当

配套设备

电机、泵轴、机房需配专用冷却、通风设备

无需冷却、通风设备

泵房施工

土建结构复杂,施工难度大,周期长

土建结构简单,施工难度小,周期短

安装、维护要求

泵轴安装精度要求高,维护保养、吊装程序复杂

通过自偶系统安装简便,维护保养程序简单

技术成熟性

技术很成熟

相对较新产品,技术成熟

振动噪音

振动大,泵房噪声大,需对电机采取隔音措施降至0.85dB以下

水泵电机一体投放在水中,振动小,噪声小

配件

国产配件

国产配件

当地使用情况

使用较多

有单台泵710KW使用经验,运转良好

    鉴于大型潜水泵的特点,今年来,大口径潜水泵在沿海城市大中型排污泵站和城市供排水泵站得到快速发展。尤其是年运行时间较短的排涝泵站和低扬程泵站,采用大口径潜水电泵的泵站在逐渐增多。泵工程通过综合分析比较,认为潜水轴流泵在技术、经济及使用情况方面优势较明显,因此选择潜水轴流泵作为推荐泵型。

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