水力机械电气及金属结构设计范本doc 38页.docx

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6水力机械、机电及金属结构

6.1水力机械

6.1.1泵站工程概况

×××水库的工程任务为以烤烟灌溉为主、兼顾农村人畜饮水供水。

只有提灌区需要修建泵站提水，提灌区采用坝后取水+重力输水+提水后重力输水方案。

泵房位于水库大坝下游0.8km黄溪河村民组对面坡脚。

闸阀室后DN300提水灌区干管采用重力输水至泵房，再由泵站提水至835.0高位水池，高位水池引出输水干管至杜麻村、白岩坪村受水点。

泵站设两台水泵（一用一备，互为备用）。

DN300提水灌区干管道经坝后闸阀室O点（桩号提干0+000）引出后，提水灌区干管沿黄溪河河谷右岸铺设，后在桩号提干0+297处跨河至左岸，穿过田地铺设至黄溪河寨对面坡脚B点（桩号提干0+638）防洪高程以上设置泵站（安装高程：

750.24m、设计净扬程75.4m，上水铸铁管长390m），提水至C点（桩号提干1+020）进入标高835.00m600m³高位水池。

再由高位水池自流输出，至供水节点D点（桩号提干1+452）处设置分水点，向杜麻村2#供水区供水；再至供水节点E点（桩号提干4+175）处进入高程800.00m的600m³白岩坪调节水池，最后由水池自流输出至（桩号提干5+651）处到达主管输水终点白岩坪出水点，为白岩坪村供水区供水。

提水灌区干管平面全长5651m，实际管长5790m。

泵站工程布置详见设计图（岑巩×××水库—初设—水工—供水—01）。

6.1.2水泵及附属设备选择

6.1.2.1泵站特征参数

（1）库内特征水位

水库校核洪水位：

771.91m

正常蓄水位：

770.00m

水库死水位：

760.50m

（2）高位水池

水池容积：

总容积1200m³（2个，每个600m³）

设计水位：

835.00m

最高运行水位：

835.00m

最低运行水位：

831.40m

（3）提水流量：

0.054m³/s（195m³/h）

（4）泵站特征扬程：

最高净扬程：

835.00-760.50=74.5m

最低净扬程：

835.00-771.91=63.09m

设计净扬程为出水池正常水位与取水源保证率95%的水位之差，×××水库来水多年平均流量为0.045m³/s，取水流量为0.1242m³/s，经计算，取水源保证率95%的水位为769.6m。

设计净扬程：

835-769.6=65.4m

（5）上水管

管长：

390m；

管材：

铸铁管

管径：

DN250

6.1.2.2水泵型式

泵站至高位水池扬程较高，流量较大。

经初步分析，水泵泵型可选择离心泵或者潜水泵。

方案比较：

本工程取水方案为坝后管道取水，若选用水泵泵型潜水泵，不便于管道中直接取水，需要在坝后修筑取水池或者取水塔。

若在坝后修筑取水池，则增加了工程水工工程量，而同等扬程同等流量的潜水泵与离心泵价格相差不大，配套电机功率相同，故坝后取水选用潜水泵提水不经济。

本提水泵站选取离心泵较为合理。

6.1.2.3泵型选择

1、泵站扬程计算

（1）泵站进水管中心线高程

取水口进口中心线高程758.3m，取水口后设DN1200钢管至闸阀室，在闸阀室内渐变为DN600钢管。

闸阀室内DN600钢管一分为四：

DN600放空管、DN100生态放水管、DN300提水灌区干管、DN300自流灌区干管；DN300提水灌区干管在0+638桩号引至泵房，泵站提水至835.00m高程600m³高位水池。

（2）泵站吸水管及出水管管径计算

根据《室外给水设计规范》（GB50013-2006）6.3.1节：

水泵吸水管及出水管的流速宜按下列数值：

①吸水管：

直径小于250mm时，为1.0～1.2m/s；

直径在250～1000mm时，为1.2～1.6m/s；

直径大于1000mm时，为1.5～2.0m/s。

②出水管：

直径小于250mm时，为1.5～2.0m/s；

直径在250～1000mm时，为2.0～2.5m/s；

直径大于1000mm时，为2.0～3.0m/s。

根据《泵站设计规范》（GB/50265-2010）第9.3.1条：

离心泵或小口径轴流泵、混流泵的金属管道设计流速宜取1.5～2.0m/s，出口管道设计流速宜取2.0～3.0m/s。

管道直径采用公式：

计算。

式中：

Q—水泵的设计流量（m³/s），工作水泵1台，备用水泵1台，设计供水流量Q=0.054m³/s；

ν—管道设计流速（m/s），吸水管流速取1.2～1.6m/s试算，出水管流速取1.5～2.0m/s试算。

本工程泵站提水流量Q=0.054m³/s，拟采用球墨铸铁管。

（a）吸水管管径计算：

吸水管试算流速取1.2～1.6m/s，对应管径为0.283～0.245m，查钢管管径规格，有DN250mm钢管满足要求。

因此本工程吸水管（15m）选取DN250mm钢管对应过水流速为1.42m/s；

（b）出水管管径计算：

出水管试算流速取1.5～2.0m/s，对应管径为0.253～0.219m，查铸铁管管径规格，只有DN200或者DN250mm铸铁管，不在计算结果范围内。

经计算，如果选择DN200mm球墨铸铁管（外径222mm，K9级，壁厚6.3mm）作为出水管，管道过水流速为2.20m/s；若出水管选取DN250mm球墨铸铁管（外径274mm，K9级，壁厚6.8mm），管道过水流速为1.42m/s。

选择DN200球墨铸铁管作为出水管水头比DN250球墨铸铁管作为出水管水头损失增加11.29m，总扬程增加太大，因此考虑到经济合理等因素选择DN250球墨铸铁管作为出水管，又考虑水泵出水管并联段的连接问题，选取并联段为DN250钢管（长度为15m）。

（3）泵站最高扬程计算

最高扬程为最高净扬程加上水库至高位水池管道水头损失

计算管道水头损失分两段计算：

1、闸阀室——泵站

2、泵站——高位水池

根据《村镇供水工程设计规范》（SL687-2014）及《室外给水设计规范》（GB50013-2014），管道总水头损失按下列公式计算：

hz=hl+hj

式中hz—管（渠）道总水头损失（m）；

hl—管（渠）道沿程水头损失（m）；

hj—管（渠）道局部水头损失（m），（根据以往设计经验，对于长管道，按沿程水头损失的10%进行框算）。

管道沿程水头损失按下式计算：

式中：

hl—管道沿程水头损失（m）；

i—单位管长水头损失；

L—管道长度（m）

计算管段长度（m）。

1）闸阀室至泵站段管道水头损失按下式计算：

i=10.67C-1.852Q1.852d-4.87

式中：

Q—管道流量（m³/s）；

d—管道内经（m）；

C—海曾威廉系数，取125。

2）泵站至高位水池段管道水头损失按下式计算：

当V＜1.2m/s时

i=0.000912V2（1+0.867/V）0.3/d1.3；

当V≥1.2m/s时，

i=0.00107v2/d1.3

式中：

ν—管道断面水流平均流速（m/s）；

d—管道内径（m）；

经计算，管道水力计算结果见下表。

表6-1-1管道水力计算成果表

管段

管道长度（m）

采用管道型号

管道流量（m³/s）

实际内径管径（m）

流速（m/s）

起点标高

终点标高

单位长度水损i

沿程水头损失

局部水头损失

总水头损失

闸阀室—泵站

700

DN300铸铁管

0.0776

311.60

1.02

753.93

750.24

0.0036

2.51

0.26

2.77

泵站—高位水池

390

DN250铸铁管

0.0771

260.20

1.45

750.24

835.00

0.0085

3.33

0.33

3.66

由上表可以看出，管道有闸阀室至泵站管段水头总损失为2.77m，泵站至高位水池管段水头总损失为3.66m，则泵站最高扬程为：

74.5+2.77+3.66=80.93m，最低扬程为：

63.09+2.77+3.66=69.52m，设计扬程：

65.4+2.77+3.66=71.83m。

因此选择水泵型号时需按照此扬程来选择。

2、水泵型号的选择

本泵站对白岩坪村、杜麻村受水区供水。

由水文计算知，×××水库供水和灌溉全部考虑采用管道输水。

根据拟定的灌溉制度和灌溉面积、灌溉水利用系数，计算灌溉的年内需水过程，再从计算成果中查找出P=80%的最大旬用水量11.2万m³，灌区分三轮轮灌（灌区分为三个片区，每个片区灌溉4天），每日最大预计每天提水时间16h，折算成流量为54L/s。

据生活需水预测成果，农村人畜用水量为699m³/d，根据《村镇供水工程技术规范》（SL310-2004）和《室外给水设计规范》（GB50013-2006）的相关要求，供水日不均匀变化系数取1.3，则计算最大日供水量为908.7m³/d，折算成流量为10.52L/s。

泵站提水流量计算本工程设计每天提水时间16h，灌区分三轮轮灌（灌区分为三个片区，每个片区灌溉4天），则提水流量为：

3110.1÷16÷3600=0.054m³/s，即195m³/h。

水泵型号选择根据提水最大扬程（含水头损失）80.93m，最低扬程为69.52m，设计扬程为71.35m，及水泵供水流量195m³/h确定。

由以上参数选择水泵两种方案运行方式进行比较：

方案一：

两台离心泵型式（一备一用）

型号：

D200-43*2型多级卧式离心泵

台数：

2台（一用一备）

额定流量：

190m³/h

扬程：

86m

额定转速：

1480r/min

效率：

77%

必须汽蚀余量：

3m

重量：

860kg

配套电机型号：

YE2-315S-4-110KW

配套电机功率：

110KW

重量：

953kg

由下图6.1.1D200-43×2型多级离心泵性能曲线线可知，当水库在最低水位（760.50m）与最高水位（771.91m）运行时，提水扬程在69.52m-80.93m之间，D200-43×2型多级离心泵在高效区运行，运行效率均大于75%。

图6.1.1D200-43×2型多级离心泵性能曲线

方案二：

三台离心泵型式（两备一用）

型号：

ISW80-315C型单级单吸卧式离心泵

台数：

3台（两用一备）

额定流量：

100m³/h

扬程：

77.7m

额定转速：

2900r/min

效率：

62%

必须汽蚀余量：

5m

重量：

631kg

配套电机型号：

Y200L2-2

配套电机功率：

75KW

重量：

550kg

由下图6.1.1ISW80-315C型单级单吸离心泵性能曲线线可知，当水库在最低水位（760.50m）与最高水位（771.91m）运行时，提水扬程在69.52m-80.93mm之间，ISW80-315C型单级单吸离心泵在高效区运行，运行效率均大于60%。

图6.1.2ISW80-315C型单级单吸离心泵性能曲线

方案一与方案二进行比较，由上图可知实际运行中方案一D200-43*2型多级卧式离心泵运行效率要高于方案二；且方案一中一台D200-43*2型多级卧式离心泵价格为3.1万左右，方案二中一台ISW80-315C型单级单吸卧式离心泵价格为2.2万元，方案一设备投资要比方案二优化0.4万元，且泵房占地面积也要比方案二少，节约了泵房工程量。

且方案一运行功率为110kw，方案二运行功率为2*75=150kw，泵站运行费用比较方案一少于方案二。

故方案一比方案二优。

6.1.2.4装机台数

根据《泵站设计规范》（GB/T50265-2010），泵站装机台数与泵站的设计流量及流量和扬程的变化幅度和年运行小时数有关，流量变化幅度大和年运行小时数高的泵站，台数宜多，流量比较稳定和年运行小时数低的泵站，台数宜少，主泵台数最少可为1~2台，年运行小时数高的泵站，至少设有一台备用；年运行小时数低的泵站，可不设备用。

根据以上原则，本泵站到高位水池设计流量为0.0771m³/s，设计扬程为71.35m；，计算过程见6.1.2.3泵站水力计算。

该泵站为中等扬程、小流量泵站，本水库的任务为以烤烟灌溉为主、兼顾农村人畜饮水供水，泵站年利用小时数较高，可靠性要求较高。

根据泵站运行的灵活性和机组运行的稳定性及重要性，结合6.1.2.3水泵型号选择比较方案的结果，本泵站选两台泵装机方案，一台作为工作泵，另外一台作为备用泵。

6.1.2.5泵房布置

经设计，泵房尺寸为9.48m×4.98m，泵房内设两台水泵，一组电器柜，两台水泵净间距为1.5m，水泵距泵房边墙最小距离为1.5m。

泵房水泵安装轴线方位角为西北方向，泵房东北面设变压器，西北面为进场公路，与泵站外侧公路相连。

6.1.2.6泵站安装高程

根据本工程泵站级别为4级，其设计洪水标准为20年一遇（P=5%），校核洪水标准为50年一遇（P=2%）。

根据规范规定，泵房挡水部位顶部安全超高加高值为：

0.3m（设计工况）、0.2m（校核工况）。

根据泵站选址地形泵站的底板高程为749.74m，满足防洪要求。

2台水泵安装高程均为750.24m。

泵站进水管采用6.8mm厚K9级球墨铸铁管，水泵厂家提供的水泵必需汽蚀余量△hc为4.0m，根据我国原机械工业部部颁标准JB1040-67规定，在此基础上再加上0.3m的安全余量，[△h]=△hc+0.3=4.3m，允许吸上真空高度：

[Hs]=10.09－[△h]+

由于提灌站所在地海拔为1200～1300m之间，需对计算得的[Hs]进行修正：

[Hs]〃=[Hs]－10.09+

依据《泵站设计规范》（GB/T50265-2010），计算参数及成果如下表:

泵站地坪海拔高程

750

m

进水管流量

271

m3/h

进水管外径

274

mm

进水管长度L=

10

m

进水管壁厚

6.8

mm

进水管摩阻系数f=

625000

流量指数m=

1.9

管径指数b=

5.1

进水管内径d=

260.4

mm

进水管局部阻力系数ζ=

2.8

水泵汽蚀余量△hc

4

m

大气压力Pa/γ=

9.45

水汽化压力（水温20℃）PV/γ=

0.24

［△h］=△hc+0.3m

4.3

m

进水管流速Vs

1.42

m/s

允许吸上真空高度［Hs］=10.09-［△h］+Vs2/2g=

5.89

m

修正［Hs］为［Hs］"=［Hs］-10.09+（Pa-PV）/γ=

5.01

m

进水管水头损失hg=hf+hj=f×（L×Qm/db）+ζ×（V2/2g）=

0.28

m

水泵的允许吸水高度Hg=［Hs］"-Vs2/2g-hg=

4.63

m

泵站地坪高程=

749.74

m

进水管中心高程距地坪H=

0.50

m

泵站安装高程

750.24

m

吸水池正常水位

760.50

m

吸上高度

-9.76

m

允许吸水高度-吸上高度=

14.39

大于0，满足要求

根据实际地形情况，泵房地面高程为749.74m，水泵安装高程为750.24m。

安装高程与吸水池取水位高差750.24－760=-9.76m，允许吸水高度－吸上高度=14.39m>0，满足吸上要求，因此水泵安装高程定为749.74m。

由上，泵站水泵安装高程为750.24m低于水库最低运行水位760.50m，水泵的启动方式为淹没式启动，能够达到快速启动的目的。

6.1.2.7水泵运行方式

本泵站设置两台水泵（一用一备），两台泵均为D200-43*2型卧式单级双吸中开式离心泵，正常运行工况下：

本泵站2台水泵电动机选用额定电压为0.38kV异步电动机；泵站装机容量为2*110kw，照明负荷考虑30kw，总容量为250kw。

当一台出现故障时，关闭其两端的控制闸阀，打开另外一台泵两端的控制闸阀，再对故障泵进行检修。

6.1.2.8水泵附属设备

（1）水泵出口止回阀门的选择

为控制水锤以及满足机组运行要求，在水泵的出口设置液力自动阀。

它具有截止、止回、消除水锤等功能，一阀多用，而且动作完全连锁，不会产生误动作；当水泵启停时，利用阀门前后介质的压力变化来控制动力，使阀门自动按照水泵操作规程进行动作；阀门动作不受扬程以及流量变化影响；阀门使用寿命长，节能效果明显。

其技术参数如下：

公称直径：

DN250mm

公称压力：

1.6MPa

（2）水泵吸、出口检修阀门的选择

由于水泵直接从输水管抽水，因此吸水管内有水压，为防止水压过高需在吸水管设检修阀门，当水泵停止工作时需将该闸门关闭。

检修阀门型式为软密封蝶阀，其技术参数如下：

公称直径：

DN250mm

公称压力：

0.8MPa

为使机组和液力自动阀检修方便，在水泵出水口后须设置检修阀门，出口检修阀门设在液力自动阀之后，检修阀门型式为软密封蝶阀，其技术参数如下：

公称直径：

DN250mm

公称压力：

1.6MPa

（3）水泵出水总管水击泄放阀的选择

水击泄放阀是泵站水锤防护设备，使泵站安全、稳定运行。

水击泄放阀纯水力控制，差动式的活塞设计使得该阀即使在很低的工作压力下亦可正常工作；感应到高压后0.5~1s瞬间开启，将升压限制在最大设定压力以内；压力降低后5～30S缓慢关闭；流线型设计使得阀门具备最大的泄水能力，保护系统不受过压破坏。

水击泄放阀其技术参数如下：

公称直径：

DN150mm

公称压力：

1.72MPa

水击泄放阀前设置检修蝶阀，参数为：

DN150mmPN2.5MPa。

6.1.2.9泵站机组水锤防护措施

本泵站有两台水泵，出水管长约390m，直径DN250mm，根据《泵站设计规范》和本泵站的实际情况，确定水锤计算参数如下：

泵的最高反转速≤1.2倍额定转速，超过额定转速的持续时间不超过2min；

最高压力不超过水泵出口额定压力的1.3~1.5倍；

管道任何部位不出现水柱断裂。

本泵站的调保计算，调保计算控制工况结果：

水锤波速C计算：

C

K

d

δ

E

1182

2.06

0.25

0.0068

160

水锤波速C为1182m/s。

水击相时为Tt=2L/C=2*390/1182=0.64s

直击水锤

计算：

Hd

L

V0

g

Tt

171.1

390

1.42

9.81

0.6

直击水锤

为171.1m。

根据计算得：

当最高压力当不设水锤防护措施时，水泵出口处发生最高水锤压力为171.1m，大于1.5倍设计扬程的压力130m，不能满足要求。

所以在水泵出口设置液力自动阀和主管桩号0+645m设置防水锤排气阀后，液力自动阀采用4s快闭95%，20s缓闭5%关闭规律。

间接水锤Hi计算：

Hd

L

V0

g

Tt

Tg

27.3

390

1.42

9.81

0.6

4

间接水锤Hi为27.3m。

泵站附近水击正压得到控制，最高水击压力发生在液力自动阀处最高水击压力为4.5m＜1.3倍水泵出口压力，管道全线负压水锤基本消除；

水泵不反转；

管道任何部位不出现水柱断裂；

以上结果均在规范允许值范围内，能满足规范要求。

6.1.3泥沙对水泵的影响及措施

由于×××泵站进水管直接从水库放水管接引，洪水期会有少量泥沙随水流进入管道对水泵造成影响。

含沙水流会降低水泵扬程和流量，泥沙浓度越高，颗粒越大，则扬程和流量降低幅度也越大，含沙量越大，水泵扬程越低。

且泥沙会对过流部件造成磨损。

针对泥沙会对水泵造成的不利影响，可采取以下措施：

①在水库至泵站管道较低处设冲砂阀，定期清除管中泥沙；②选择水泵时，选择抗磨性能好的水泵。

6.1.4辅助系统机械设备选择

（1）机修设备

本泵站由于泵机与电机设备重量分别为740kg和953kg，都属于比较重的机械，检修时若用人工台吊难度大，建议在泵房内设置电动单梁起重机装置，方便检修与维护。

（2）排水系统

由于泵房高程较高，不存在防洪问题，因此该泵站机组检修和渗漏水通过泵房内各排水沟组成的排水系统自流至泵房外，无需设置额外排水系统。

（3）供水系统

主泵机组和辅助设备的冷却、润滑、密封等用水从水泵出水主管上接出一根DN50mm水管取水。

（4）水力量测系统

泵站及机组段的水力量测系统设置以下项目：

全厂性量测：

进水池水位、出水池（高位水池）水位。

机组段量测：

水泵出口压力、测流装置。

6.1.5泵站主要机电设备清单

表6-1-2泵站主要设备清单表

序号

名称

规格

单位

数量

1

卧式离心清水泵

D200-43*2

台

2

2

电动机

380V1100kW

台

2

3

液力自动阀

DN250mmPN1.6MPa

台

1

4

水泵进水口检修碟阀

DN250mmPN0.8MPa

台

2

5

水泵出水口检修碟阀

DN250mmPN1.6MPa

台

2

6

水击泄放阀

DN150mmPN1.72MPa

台

1

7

水力量测系统

套

1

8

波纹管伸缩节

DN250mmPN1.6MPa

伸缩量100mm

个

8

6.2电气

6.2.1泵站配电系统

6.2.1.1工程概况

×××水库的工程任务为以烤烟灌溉为主、兼顾农村人畜饮水供水。

工程修建以后，水库年供水量110万m³，其中向杜麻村和白岩坪村的烟区提供保证率80%的供水量70.28万m³，同时每年向杜麻村和白岩坪村提供39.72万m³的农村人畜安全饮水。

因此，到2020年，×××水库将解决×××镇杜麻村和白岩坪村共计6799人（设计人口）、1350头大牲畜和3525头小牲畜的安全饮水以及9228亩烟地灌溉用水问题。

×××水库提水泵站装机2台，单机容量110kW，电动机出口电压380V，一用一备。

6.2.1.2接入系统方式

×××水库提水泵站主要向集镇和农村供水，其性质属三级负荷。

泵站装机为2×110kW异步电动机，一用一备；额定电压为0.38kV。

本泵站用电考虑T接附近黄溪河村寨农网10kV线路方式，T接点距离泵站变压器0.2km，架空导线型号为LGJ-50。

6.2.1.3电气主接线

本泵站2台水泵电动机选用额定电压为0.38kV异步电动机；泵站最大运行负荷为140kW，其中泵站动力负荷考虑为110kW，照明负荷考虑30kw，电气主接线初定为一回10kV电源进线，设置一台容量为400kVA油浸式变压器，接线组别为D，yn11，将10kV降压到0.4kV后向泵站所有用电负荷供电，供电系统采用单母线接线，母线电压为0.4kV。

具体电气主接线图参见“泵站电气主接线图”。

泵站电动机容量为110kW，经计算应装设软启动装置，以保证正常启动时母线电压降不大于10％，配电变压器不因电动机启动时过流发热。

表6.2.1.3-1泵站用电负荷表

项目名称

单位

数量

每台功率

合计功率

备注

D200-43*2型离心泵

kw

2

110

220

照明

kw

1

30

30

6.2.1.4无功功率补偿

本泵站2台水泵电动机均采用异步电动机，需在母线上装设集中电容装置进行无功功率自动补偿；电容器容量为30kvar，一步投切。

6.2.1.5电气设备选择

本泵站主要电气设备的选择如下：

1、主变压器