张村泵站设计水利水电专科

1张村泵站设计一、 工程概况：1、张村泵站地形图（1/1000）如下图所示：由图上可知：水源位于张村的北面，地形的变动起伏不是很大。有公路经过张村。2、地质及土壤情况见钻孔地质柱状剖面图（如图 1）23、地下水位 316.00m,灌溉期间水源最低的日平均水位为 315.20m，最高日平均水位为 316.80m，夏季最高日平均水温为 34 。4、水源设计年内月平均水位见表 1：月份 1 2 3 4 5 6水位 316.58 316.60 316.55 316.58 316.47 316.38月份 7 8 9 10 11 12水位 315.87 315.60 315.47 316.00 316.52 316.55表 15 灌溉作物以水稻小麦为主，总耕地面积为 3104 亩，其中 80分布在张村的西面，各时段的灌水率见表 2。灌水率LS 千亩 -140 30 40 30 （35） (37) 20灌水时间Dm-19/3-21/37/4-13/42/5-13/518/5-11/618/6-30/66/7-28/79/10-21/10表 26、附近有电网通过，电压 25kv。当地建筑材料由块石、碎石、红砖、红瓦及木材等，水泥及钢筋可以由外地运来。管区交通方便，有公路通过。3二、基本资料：1.地质及土壤情况。2.地下水位：316.00m。3.根据灌区需要，控制出水池水位为 340.00m。4.附近有电网，电压为 35kv。5 水泵及电动机，根据需要从参数资料中选择。6.灌溉期间水源最低的日平均水位为 315.20m，最高日平均水位为316.80m，夏季最高日平均水温为 34。三、泵站设计参数的确定（一） 泵站流量的确定根据灌区时段灌水率表绘制初步灌水率图。如图 2 所示。图 2 张村灌区初步灌水率图由图可知，各阶段的灌水率相差悬殊。泵站将出现频繁的开停机，渠道输水断断续续的情况，给管理带来不便。如按其中最大灌水率来泵站和渠道流量，势必造成泵站装机容量和渠道断面过大，增加工程投资。因此，必须对初步灌水率图进行必要的修正。对 18/6-30/6 延长 2 天，则灌水率由 35 降到 30。对 6/7-28/7 缩短 2 天，则灌水率由 37 升高到约 40。4修正后的灌水率图如图 3 所示因在修正后的灌水率图上 6/7-26/7 连续灌水时间最长且灌水率最大为40，所以取此灌水率为设计灌水率。如图 3 所示。假定来水过程能满足有水过程，按原定灌水面积进行灌区规划设计，渠系安全衬砌， 采用 0.90，t 取 22h，则设计流量为Q 设 =24q 设 /（t）=1454.551455L/s其中 取 30则 Qmax=1.2Q 设=1746L/sQmin=24qmin/（t）=727.3L/s（二） 、泵站设计扬程的确定（） 静扬程的确定图 3 张村灌区灌水率修正图1. 设计静扬程用运行期间出现的几率最多，运行历时最长的静扬程（即加权平均扬程）代表设计扬程。用加权平均法求得H 静 =Q itiHi 静 /Q iti=Q iti（ 出 - 进 i）/Q iti=Q iti（340- 进 i）/Q iti5水源水位线如图 4 所示图 4 水源水位线图H 静 i=Q iti（340- 出 i）/Q iti=24q i（340- 进 i）/q i40(340-316.565)+30(340-316.543)+40(340-316.44）+30(340-316.38)+30(340-316)+40(340-315.74)+20(340-316.26)40+30+40+30+30+40+20=23.73m则 H 设静 =23.73m考虑引渠、闸损 0.31m。所以 H 设静 =24.04m2.最大静扬程这是泵站正常运行的上限扬程。应按泵站出水池最高运行水位与进水池最低运行水位之差计算。H 静 max= 出 - 进 min=340-315.12+hf=25.10m3.最小静扬程这是泵站运行的下限扬程。最低扬程应按出水池的水位和静水池的最高水位之差计算。即 H 静 min= 出 - 进 max=6=340-316.8+hf=23.51m（） 设计扬程（H 静 +H 损 ）泵站的设计扬程包括泵站的设计静扬程和设计总扬程。为了确定设计扬程，需要先估计管道损失，进而求的设计扬程H 设=（1+K）H 静其中 K管道损失率 查表得 K=0.3则 H 设=（1+0.3）24.04=31.25m设计最大扬程 H 设 max=（1+0.3）25.11=32.6mH 设 min=（1+0.3）23.51=30.56m四、水泵机组选型及配套根据计算的扬程计算范围为 30.56m-32.64m，和供水图初选 14sh19 离心泵6 台（其中一台备用） ，查 14sh19 型泵性能表，得其转数为 1450rpm，轴功率99.7KW，电机功率 1254KW，效率为 85%，允许吸上真空高度 Hs=3.5m，叶轮直径 D=350mm，重量为 878kg，因张村有 35KV 的电网通过，所以选用电动机。配套电机为 35KV，查表电机型号选用 JR116-4。14sh-19 型泵的工作特性曲线如图 5 所示。7水泵 QH 工作特性曲线和管路特性曲的交点 A，A 点即为水泵的运行工况点，水泵在该点工作时的参数可由图上查得：Q=270L/s H=32.70m=86 功率 N=99.7kw上述参数能够说明流量与扬程均能满足要求。而且水泵也在高效率情况下工作，因此，所选的 14sh-19 型水泵在性能上是满足的。其具体的外形尺寸如图 6 所示8五、确定水泵的安装高程91.对 Hs 进行高程和水温的修正工厂所给的水泵允许吸水高度Hs=3.5 是在标准大气压（10.33H 2O）和水温 20 （相应得汽化压力为 0.24m H2O）时的数据，与当地的实际条件不符合，须对 Hs 进行修正。水泵安装地海拔为 318.00m，当地最高水温 34，查表（水在各种温度下的气化压力表）知：30时 PB/=0.43；当 T=40时 PB/=0.75。利用差分法得 34时 PB/=0.558，修正后的允许吸水高度用Hs表示。即Hs=Hs-/900-(P B/-0.24)=3.5-318/900-(0.558-0.24)=2.83m2.安装高程的确定水泵吸水管设置 水平长 3.0m，垂直高 4.0m，进口设一喇叭管，一个 90弯头。直径 400mm。（1）吸水管阻力计算流道中的流速 V1=Q1/A1=2.1497m/s沿程损失当 T=30时 运动粘滞系数 =0.80010 -6m2/s当 T=40时 运动粘滞系数 =0.65810 -6m2/s采用差分法知 T=34时，运动粘滞系数 =0.743210 -6m2/s则雷诺系数 Re=vd/=2.14790.4/0.743210 -6 =1.157106m2/s2000所以 为紊流根据管壁面的情况 取=0.1查图得 =0.0018则沿程损失 HL=lv 2/2gd=0.01872.14972/0.429.81=0.074268m局部水头损失a.因采用 90弯头 则 =0.131+0.1632(0.4) 7/2(/90) 1/2=0.1376则 hj1=v2/2g=0.13762.1497 2/29.81=0.01509m10b.进口喇叭管设与进口相接的管径为 350mm，取 =10 查表得 r=0.16则 =r（1-A 2/A1） 2=0.0375所以 hj2=v2/2g=0.03752.1497 2/29.81=0.0041m所以 hf= H L+ hj1+ hj2=0.09346m安装高度 Hz=Hs-/900-v2/2g-hf-(P B/-0.24)=2.83-318/900-2.14972/29.81-0.09346-(0.558-0.24)=1.83m所以 安装高程 Za=Hz+318=319.83m六、站址选择站址选择的原则：（1） 应选在就近水源，水位稳定，水质良好的地方。（2） 泵站应建在地形开阔，岸边适宜的地方，开挖量少，适宜布置管道，注意避开山沟。（3） 泵站主要建筑物应建在坚实完整、承载力强的岩石地基上，避开大的活动性构造地带。（4） 泵站应选在就近电源，交通方便的地方。根据以上原则选择站址，拟定泵站枢纽纵向中心线如张村泵站总体布置图所示。根据地形图和地质资料 No.1 孔地面下 4.5m 即为砾石。预计泵站厂房基地高程为 319.83-0.56-0.25-0.6=318.42m。由图可得水平距 50m 范围地面高程322.00m 为泵列中心线。七、泵房设计及辅助设备选择（一） 泵房结构型式选用泵为卧式。进水池水位变化范围较大，吸程较低，故可采用干室型泵房。为了便于设备布置和维护管理，也便于进出水管路和进水池的布置，采用矩形干室型泵房。（二） 泵房的布置11泵站的厂房一般由三部分组成，即主厂房主要布置主机组;副厂房布置电气设备包括中央控制室；检修间检修机组及电气设备等。为了电气设备的防潮、防尘，并且能给运行管理人员由一个良好的运行管理环境，一般都专设高压开关室和中控室，而且设专用场地检修。这三部分相对位置主要根据泵站的地形、地质条件，高压线路的来向，进场公路的位置等加以确定。泵房的检修间不仅平时供机组检修之用，而且建站时，运送机组及其电气设备的汽车要进入其中，所以其位置主要是根据进厂公路的来向加以确定。此次设计中，将检修间布置在厂房的右端。为了缩短泵房的长度，便于运行管理人员监视主机组的运行，同时也可缩短通向主机组的电缆，将副厂房布置在主厂房出水侧。（三）泵房内部布置泵房内部布置主要是主厂房内的机组、排水沟、交通道、充水系统、技术供水的布设。1. 主机组的布置：为了使开挖量小，布设整齐，主厂房的跨度小，采用一列式布置。2. 排水沟和集水井为了排出水泵、水封用废水和管阀漏水等，主厂房内要设排水干、支沟。支沟一般沿机组基础四周和厂房的横向布置，干沟沿厂房纵向布置，与电缆沟分开。3. 电缆沟：从配电室引伸至电动机的电缆，直接架在泵房箱型基础的前墙和后墙上。（四）泵房尺寸的确定确定泵房尺寸，主要是根据设备的合理布置，并满足设备的安全运行要求和泵房的稳定条件定出其跨度和长度，根据机组及其起吊设备等条件决定除泵房的高度。1. 泵房长度（主厂房）的确定泵房的长度主要根据机组的长度（轴向） ，机组之间间距和检修间长度加以确定。12泵房长度 L=nL0+（n-1）L1+2L2+L3其中 L0机组的长度L1机组之间间距（查泵房内设备之间的间距）L2机组顶端到检修间和墙的距离L3检修间的长度n机组台数则 L=nL0+(n-1)L1+2L2=62.56+51.4+21.5=25.36m另外检修间的长度为 3.6m所以 L=25.36+3.6=28.9629m泵站的主厂房一般按工业单层厂房标准设计。柱距为 6m，但泵房长度 L 不是 6的倍数，所以将检修间长度 L3 调整为 4.6m，使泵房长度为 30m。2. 泵房的跨度泵房跨度系指两侧墙定位轴线之间的距离。它是根据泵房内出水管路、阀件、水泵横向长度及安装检修必须的距离而定。泵吸管长度尽量缩短，争取吸程。跨度 B=B1+B2其中 B1=泵前长度+阀门+水平管长=600+550+1000=2150mmB2=泵后长度+锥管长度+逆止阀长+阀门+人行道=500+300+800+550+2700=4850mm厂房跨度 B=B1+B2=2.15+4.85=7m3. 泵房内各部分高程水泵的安装高程确定之后，泵房内各部分高程在此基础之上就相应的定出。（1）泵房地面高程 地 地 = 泵 -h1-h213式中 泵 水泵安装高程h1 泵轴线至泵底座的距离，可从泵产品样本中查知h2 机组基础顶面至地坪的距离，一般为 0.2-0.3m所以 地 = 泵 -h1-h2=319.83-0.56-0.3=318.97m（2）检修间高程 D1应高于泵房底板，其高程一般和配电间地板高程一致，为了防洪安全以及便于汽车运输设备，检修间地板高程应高出最高洪水位及泵房外地面 0.5m左右。取 1=320m（3）副厂房和交通道高程：其高程与检修间相同4.泵房高度的确定（1）吊车轨面高程 轨 的确定： 轨 应保证载重汽车进入检修间装卸设备，所以吊车轨面高程应根据这个起吊基点由下式确定： 轨 = 地 +h1+h2+h3+h4+h5+h6式中： 地 检修间地板高程（m）h1汽车车厢底板离地面高度（m）h2垫块高（m）h3最高设备或部件的高度（m）h4捆扎长度（m）h5吊车吊钩到轨道面的距离（m）h6起吊物吊离车厢底板的必要高度（m）因为 h1=1.6m h2=0.3m h3=1.1m14h4=3.5m h5=1.2m h6=0.7m所以 轨 =320+1.6+0.3+1.1+3.5+1.2+0.7=328.4m(2) 屋顶高程 鼎 由吊车轨面高程 轨 加上轨面高度而定，轨道采用工字梁取 定 =330.00m（四） 搬入、通风及起吊设备的选择搬入方式主要采用卡车搬入。主副厂房不挡水各层，大都有条件开窗户，应尽量采用自然通风。其中设备采用电动单梁起重机，一步法起吊。起重机的工作制应采用轻级、慢速。制动器和电气设备的工作制应采用中级。八、整体稳定校核（一） 泵房整体稳定校核干室型泵房整体稳定校核一般应包括抗滑、抗浮两种工况。根据干室型泵房的结构特点，干室三面都回填土，因受力比较均匀，通常不必进行抗滑稳定计算。但是，由于干室内不允许进水，在高水位时浮力很大，必须进行抗浮稳定校核。抗浮稳定校核可选择泵房土建完毕，机组未安装，未回填土，但泵房四周达设计最高水位时，此时抗浮力为泵房土建部分的自重，包括屋面系统、砖墙、水下墙及底板等。设其为 W（方向朝下） ，浮托力为泵房淹没于水下同体积德水重，设其为 W 浮（方向朝上） 。浮托稳定程度以安全数 K 浮表示。K 浮抗浮力与浮托力的比值即 K 浮=W/W 浮K 浮必须大于或等于允许的抗浮安全系数K 浮，一般应大于 1.1。如果计算的尺寸不满足抗浮稳定的要求，可考虑增加泵房的自重或将底板适当的伸出并回填土，以利用其上的水重及土重，从而加大泵房的抗浮力。计算工况应以最不利的工况为准。（二）地基应力的校核干室型地基应力的校核工况，取泵房土建施工完毕，机组已经安装及进水15池为设计最低水位。取一台机组与相邻另一台机组的中心线所夹的范围作为计算单元，地基应力安下式计算：=N/BL（16e/B）e=B/2-Ma/N式中 为基础底面边缘最大（最小）地基应力 KPa/m 2N 为计算单元内所有垂直力之和 KNB 为计算底板厚度 mL 为计算单元长度 me 为偏心距 mMa 为计算单元内所有外力（包括水平力和垂直力）对 A 点的力矩之和 KNM根据工业与民用建筑地基基础设计规范有关规定，按允许承载力计算地基应符合下式要求PR式中 P地基底面处的平均地基应力 KPa/m 2R修正后地基土的允许承载力 KPa/m 2受偏心荷载作用时，除符合 e=B/2-Ma/N 要求外，尚应符合下式要求：Pmax1.2R九、进水池与前池设计（一） 进水池1.边壁形式与后墙距 T进水池的边壁形式采用矩形。如图 7 所示T图 7进水喇叭口直径 D 进=（1.3-1.5）D1=1.30.4=0.52MD1卧式泵的进水管直径PmaxminPmaxmin16为了改善流态，进水管应仅靠后墙，即 T=0.5D 进=0.50.52=0.26m2. 进水池宽度 B进水池宽度 B 对池中漩涡、回流和水头损失都有影响。宽度 B=机组间距机组数=1.46=8.4m3. 进水管口至池底的距离即悬空高度 P该高度在满足水利条件良好和防止泥沙淤积管口的情况下，应尽量减小为宜，以降低工程造价。P=（0.50.6）P 进 =0.60.52=0.312m 取P=0.4m4. 进水管口淹没深度 hs 的确定淹没深度 hs 对表面漩涡的形成和发展有决定性的影响。通常采用以下公式计算 h 临淹 ， h 临淹 KsD 进Ks=0.64（Fr+0.65T/D 进+0.75）其中 Fr 为弗劳德数 Fr=v 进 2/gD 进 在 0.31.8 范围内取值。则 Ks=0.64（1+0.650.260.52+0.75）=0.642.075=1.328所以 h 临淹 = KsD 进=1.3280.52=0.69m取 hs=1m5.进水池的长度 Lg 如图 8 所示图 8Lgh17进水池必须有足够的有效容积，否则在启动过程中，可能由于涞水较慢，进水池中水位急剧下降，致使淹没深度不足而造成启动困难，甚至使水泵无法抽水。Lg=KQ/hB式中 Lg进水池的最小长度 mQ泵站总流量 m 3/sK秒换水系数因为 Q=1.62 m 3/s 0.5m3/s所以 取 K=20Lg=201.62/18.4=3.86m6.进水池的安全超高h 如图 8 所示留有一定的安全超高h，除考虑风浪影响因素外，还应考虑停泵时所形成的涌浪。取 h=0.8m7.进水池底高程：进=314.0m为了保证良好的进水条件，进水池和机组增设隔墩。（二）前池此设计采用正向进水前池。设引水渠末端嘴下水深为 0.6m，渠底高程为 315.2-0.6=314.6m，渠底宽为 2m，前池扩散角取 30。则 前池的长度 L=（B-b）/2tg（/2）=（8.4-2）/2tg（30/2）=11.912m所以 前池坡率降 i=（314.6-314）/12=0.05 即i=1：20十、管道设计1.进水池的布置形式与水泵的结构和类型、进水池水位变化幅度有关。进水池最低水位经常低于水平管段。因此，需要有垂直的管段与水平管段连接。2.出水管道根据管路布置原则，本站的压力钢管比较短，长度不超过 80m。为了18减少管路局部损失，经济运行，本站压力管道不再合并，但机组输水，沿途设支镇墩，保证管道运行稳定。十一、出水池 如图 9 所示选择正向出水的形式。1. 水平出流时出水池长度 L根据水面漩涡法知 L=ah 淹 0.5a=7-（hp/Do-0.5）2.4/（10.5/m 2）m=hp/Lp设 h 淹=1m hp=1m Lp=2mm=0.5 a=5.4所以 L=ah 淹 0.5=5.4m h 淹 min=0.3m如图 9 淹没出流示意图2 出水池宽度 B从施工和水力条件考虑，最小单管出流宽度为B（23）Do即 B11=20.4=0.8m所以 B=60.8=4.8m 取 B=5m2. 出水池底板高程 如图 10 所示它是根据干渠最低水位低来确定。 即底= 低-（hmin+Do+P）h 淹hpL Lp19式中