小型农田水利工程泵站设计.ppt

第1页 小型农田水利工程泵站设计 工作内容及步骤 邵国洪 第2页 小型农田水利工程泵站工程设计工作内容及步骤 1 设计前期工作 1 1 了解设计任务和设计要求1 2 组织相关专业人员到工程现场查勘1 3 收集有关设计资料 2 设计工作内容 3 设计成果 2 1 设计依据2 2 水文计算2 3 特征扬程的确定2 4 泵型的选择2 5 枢纽布置及设计2 6 电气设计 3 1 水文部分设计报告3 2 水工部分设计报告3 3 设计图纸3 4 工程量明细表 汇总表3 5 设计概算书 第3页 1 设计前期工作 1 1 了解设计任务和设计要求了解泵站的主要功能 业主的具体要求等 做到 心中有数 泵站的功用是什么 管网加压 提水灌溉 排涝等 水源类别 建在何处 业主有无特殊要求等 1 2 组织相关专业人员到工程现场查勘现场踏勘的主要目的是相关专业到现场了解泵站的各种建设条件 相关专业主要有水文 水工 地质 电气 概预算等 各专业现场踏勘主要工作内容有 水文专业 了解泵站是否有防洪要求 调查历史洪水位 掌握流域的洪水特性等 目的是为下阶段水工专业泵站枢纽布置及泵站建设高程提供约束性数据 水工专业 了解拟建泵站取水方式 泵站所处的地理环境 地形条件 周边交通条件及电力和通讯设施情况等 为下阶段设计工作积累原始资料 地质专业 了解区域地质概况 有无地质灾害 周边料场储量和质量情况等 为下阶段水工专业泵站选址提供约束性数据及建议 主目录 第4页 1 设计前期工作 1 2 组织相关专业人员到工程现场查勘电气专业 了解泵站周边电力设施现状 初拟泵站接线方案 概预算专业 调查各类建筑材料供应地 运距 了解有无场内二次搬运情况 主目录 第5页 1 设计前期工作 1 3 收集有关设计资料 1 工程所在地的社会经济资料 2 收集和整理流域自然地理概况 流域和河道特征 流域的暴雨和洪水特性等资料 资料系列应尽可能长 3 泵站建筑物处地形测量资料 包括平面图 纵横断面图 4 能源 电网 条件 电源地理位置 容量 可靠程度 电压等级等 5 原工程设计报告及相关图纸 如涉及改 扩建 6 主要材料单价 7 业主关于工程的要求和设想 8 地勘资料 泵站建筑物处的地质纵 横剖面图 岩土物理力学指标 钻孔位置 必要时 主目录 第6页 2 设计工作内容 2 1 设计依据 1 前期工程规划 设计成果及上级审查批复的结论性意见 2 业主对泵站设计的要求 相关合同 协议等 3 规程规范 水利水电工程等级划分及洪水标准 sl252 2000 防洪标准 gb50201 94 泵站设计规范 gb50265 2010 泵站施工规范 sl234 1999 泵站技术管理规程 sl255 2000 泵站安装及验收规范 sl317 2004 水工建筑物荷载设计规范 dl5077 1997 水工混凝土结构设计规范 sl191 2008 水工建筑物抗震设计规范 sl203 97 建筑地基基础设计规范 gb5007 2002 建筑地基处理技术规范 jgj79 2002 水利水电工程设计报告编制规程 dl5020 93 dl5021 93 水利水电工程设计防火规范 sdj278 90 主目录 第7页 2 设计工作内容 2 2 水文计算设计暴雨计算 站址处的各频率设计洪水计算 应包括施工期洪水计算 并进行计算成果的合理性分析 洪水计算成果中的水位 流量关系曲线将提供给水工专业确定泵站防洪高程 主目录 总结与建议 水工专业根据 泵站设计规范 确定泵站等级和规模后 将会调用水文专业的洪水计算成果 用来确定泵站防洪高程 如有防洪要求 第8页 2 设计工作内容 2 3 特征扬程的确定泵站特征扬程包括设计扬程 平均扬程 最高扬程和最低扬程 特征扬程按以下步骤计算确定 1 根据 泵站设计规范 第3 3条的规定推算泵站进水池最高 防洪 水位 设计水位 最高运行水位 最低运行水位 平均水位 2 根据 泵站设计规范 第3 条的规定计算泵站设计 平均 最高和最低净扬程 并按净扬程的15 25 估算管路扬程损失后 即可得到初选水泵时的选泵特征扬程 对于有输出管道的泵站工程应通过水头损失计算确定 主目录 总结与建议 贵州山区小农水工程修建的泵站多为提灌站 一般有相当数量的扬水管 提水管 因此在提水管未设计完成之前其管道水头损失是未知数 设计扬程也需在提水管设计完成之后才能确定 即水泵选型应在提水管设计之后才能进行 平均扬程是指加权平均扬程 按 泵站设计规范 第3 3 2条计算 按平均扬程选泵时应保证水泵在平均扬程工况下在高效区运行 第9页 2 设计工作内容 2 4 泵型的选择 1 泵站的设计流量 通常小农水大多采用泵站均匀供水方式 泵站的设计流量按最高日供水量计算 水泵的最佳日工作时间在16 20h d 短时提水量大 但年利用小时低的泵站也可考虑24h供水 提水量小的泵站为考虑方便运行管理也可根据实际情况选择日工作时间在8h以内 具体情况区别对待 2 水泵类型选择 水泵类型主要根据扬程选择 常用有离心泵 轴流泵 混流泵等 一般情况下 泵站设计扬程h小于l0m 宜选用轴流泵 5 20m 宜选用混流泵 20 l00m 宜选用单级离心泵 大于100m时可选用多级离心泵 主目录 总结与建议 贵州山区小农水工程泵站的设计扬程一般较高 多选择单级 多级离心泵 具体选单级还是多级主要由水泵的性能决定 原则是尽可能保证泵在性能曲线内高效区运行 泵站设计规范 建议装置效率在63 78 之间 也有部分工程用潜水泵或深井泵 潜水泵扬程一般在50m以内 深井泵投资较高 一般宜选用离心泵 第10页 2 5 枢纽布置及设计 枢纽布置及设计是泵站设计工作的主要内容 可参考以下步骤进行 2 5 1 站址选择2 5 2 泵房型式选择2 5 3 提水管设计及设计扬程计算2 5 4 水泵选型2 5 5 泵房高程及泵站布局2 5 6 泵站水锤压力计算 主目录 第11页 2 5 1 站址选择 站址选择的原则是权衡多方面利弊 选择最优方案 根据泵站规模 运行特点 考虑地形 地质 水源或承泄区 电源 枢纽布置 对外交通 占地 拆迁 施工 管理等因素以及扩建的可能性 经技术经济比较选定 主目录 章节目录 总结与建议 小农水工程泵站多建在岸边或半坡 站址应尽可能选择在地形相对开阔 岸坡适宜 有利于工程布置的地点 宜选择在岩土坚实 抗渗性能良好的天然地基上 以保证泵站建筑的稳定和安全 同时节省土建投资 不应设在大的和活动性的断裂构造带以及其它不良地质地段 站址选在淤泥 流沙 湿陷性黄土 膨胀土等软基地段时 应慎重研究确定基础类型和地基处理措施 一般不建议选择软基地带作为站址 第12页 2 5 2 泵房型式选择 1 小农水泵站泵房常用型式有几下几种 1 干室型泵房 当水源水位变幅超过水泵的有效吸程 站址处的地下水位又较高时 宜采用干室型泵房 干室型泵房内是一个封闭空间 比如建于河道中取水的井筒式泵房就属干式泵房 干式泵房例图 2 湿室型泵房 湿室型泵房的下部为一与前池相通并充满水的地下湿室 泵房和进水池合并建造 比如建于河道岸边的排架式泵房 湿室式泵房例图 3 直墙分基式泵房 没有水下结构 每套水泵机组均有各自单独的基础 并且与泵房墙基分离 直墙分基式泵房例图 4 斜坡分基式泵房 同直墙分基式泵房 区别是有斜坡护砌 斜坡分基式泵房例图 5 滑轨式泵房 将泵房安装在滑轨上的泵房 以适应大幅水位变动 滑轨式泵房例图 6 浮船式泵房 将泵房安装在浮船上 通过摇臂与岸边连接 以适应大幅水位变动 主目录 章节目录 总结与建议 干室型泵房采光差 通风差 室内潮湿 受浮托力大 不以利于泵房稳定 当上部建筑自重小于浮托力时需要在底板上加锚杆抵抗浮托力对泵房稳定的影响 湿室型泵房水泵室与进水池合并 较干式泵房有利于泵房稳定 通常安装深井泵 分基式泵房有利于防止各台机组的相互干扰 结构简单施工方便 造价 通风采光好 滑轨式 浮船式泵房均属移动式泵房 需在较大的水位变幅下工作 因此泵的效率往往不高 而且需选择性能曲线较陡的泵 滑轨式泵房的缺点是不利于运行维护 浮船式泵房的缺点是造价昂贵 第13页 2 5 3 提水管设计及设计扬程计算 1 提水管管材选择 在材质方面 可选的管材品种较多 常用的有铸铁管 钢管 塑料管 预应力钢筋砼管等 每种材质的管材各有优缺点 铸铁管不易锈蚀 价格适中 但很笨重 安装难度较大 接头容易漏水 钢管价格较高 重量也较大 不易漏水 承压力高 但容易锈蚀 价格较高 预应力钢筋砼管价格虽较便宜 但接头易漏水 体积庞大 不易安装 塑料管 pe管 优点是不锈不漏 水力条件优越 但价格较高 露天容易老化必须埋设 采用何种管材可根据工程实际情况作技术经济比较确定 主目录 章节目录 总结与建议 提水管采用pe管等塑料管时 应尽量避免管线沿途出现 驼峰 和 膝部 的起伏现象 驼峰处事故停泵时往往会产生伴有水柱分离的水锤现象 断流空腔再弥合水锤 所谓弥合水锤是指有压管流中出现大空腔呈现很高程度的真空 从而很管内产生负压的水锤危害 损坏塑料管 出现 压扁 现象 当起伏不可避免时 可以驼峰处安装进排气阀进气破坏真空 第14页 2 5 3 提水管设计及设计扬程计算 2 提水管径初估及承压计算 管径可根据经验公式进行初估 计算公式 q 设计流量 m3 s h 扬程 m 初估管径计算出来后再反算流速 调整管径直至满足规范要求和商品经济管径要求 泵站设计规范 规定 进水管道设计流速宜取1 5 2m s 出水管道设计流速宜取2 m s 贵州属山区地区 小农水工程泵站往往具有 小流量 高扬程 长管道 的特点 管道的流速稍大就会导致水头损失陡增 从而使水泵的设计扬程陡增 装机容量增大 运行成本高 因此进水管道设计流速一般取1 0 1 2m s 出水管道设计流速宜取1 2 1 5m s有较好的经济性 具体取值可根据工程实际情况作技术经济比较后择选最佳流速值 钢管承压计算可按锅炉公式确定管壁厚度 计算公式 式中 h 管道内水压力 m d 钢管内径 m c 锈蚀厚度 mm c 2 钢材的允许应力 n mm2 纵向焊缝焊接应力减弱系数 钢管承压计算管壁厚度同时还应满足 泵站设计规范 规定的明设光面钢管管壁最小厚度值 式中 d 钢管内径 mm 主目录 章节目录 总结与建议 因进水管道设计流速低于出水管道设计流速 故进水管道管径一般要大于或等于出水管道管径 若进水管管径过小 会造成进水管流速过大 水头损失大 进水效果不佳 第15页 2 5 3 提水管设计及设计扬程计算 3 提水管水头损失计算 管道的水头损失由沿程水头损失和局部水头损失两部分组成 当采用估算法计算局部水头损失时常取沿程水损的10 局部水损也可通过水力学公式进行计算 其计算的准确度要比估算法高 以钢管为例 沿程水头损失计算通常有3种方法 1 水力学 中沿程水头损失hf计算公式 式中 c 谢才系数 沿程损失系数 n 钢管管材的糙率 l 压力钢管的长度 m 2 灌溉与排水工程设计规范 gb50288 99 中沿程水头损失hf计算公式 式中 f 摩阻系数 m 流量指数 b 管径指数 q 流量 m3 h l 管道长度 m d 管道内径 mm 3 村镇供水工程技术规范 sl310 2004 中沿程水头损失hf计算公式 hf i l m 式中 l 计算段管道长度 m i 单位管长水头损失 当 1 2m s时 i 0 000912v2 1 0 867 v 0 3 d1 3当 1 2m s时 i 0 00107v2 d1 34 设计扬程计算 设计扬程 静扬程 沿程水头损失 局部水头损失 进出水管道均计入 主目录 章节目录 总结与建议 上述3个沿程水头损失计算公式中 计算结果最大的是 灌溉与排水工程设计规范 计算公式 计算结果最小的是 水力学 中的计算公式 村镇供水工程技术规范 中的计算公式计算结果居中 具体采用哪个公式计算根据工程实际情况选择 第16页 2 5 4 水泵选型 水泵选型应遵循以下原则 泵型选择应根据泵站的各种特征扬程和设计流量 并结合泵房结构型式 综合进行方案的技术经济比较确定 所选水泵效率不宜低于63 所选泵型 在平均扬程时 应在高效区运行 在设计扬程时 水泵出水量应达到设计流量 在最高 最低扬程时 水泵能安全 稳定运行 配套电动机不过载 机组台数以3 9台 包括工作泵和备用泵 为宜 设计流量小且供水流量稳定的可设2台机组 一用一备 互为备用 机组利用小时数低 有相当容积的高位水池时 也可考虑不设备用机组 当机组利用小时数较高 可根据泵站机组台数 增设1 2台备用机组 主目录 章节目录 总结与建议 当采用1台泵向2种不同工况高程供水时应格外谨慎 避免高扬程泵在超过其性能曲线范围的低扬程供水时 可能造成电机过载甚至烧毁电机 第17页 2 5 5 泵房高程及泵站布局 1 泵房高程除应满足防洪要求外 还应满足离心泵吸上高度要求 即需满足 允许吸水高度hg 吸上高度 0水泵的允许吸水高度hg hs vs2 2g hg hg为进出水管道总水头损失 hs 修正后的 hs hs 10 09 pa pv 允许吸上真空高度 hs 10 09 h vs2 2g 进水管流速行进水头 h 水泵汽蚀余量pa 大气压力高程修正 pa通过查表求得pv 水汽化压力 水温20 0 24根据我国原机械工业部部颁标准jb1040 67规定 在此基础上计算得来的允许吸水高度hg再扣除0 3m的安全余量后作为允许吸水高度 此值加上最低运行水位即为允许的最大安装高程 主目录 章节目录 第18页 2 5 5 泵房高程及泵站布局 2 泵房布局 泵站枢纽总体布置包括泵站厂房 进 出水建筑物 包括引渠 前池 进水池 进 出水流道或管道 出水池及压力水箱 专用变电站 其它枢纽建筑物和工程管理用房 内外交通 通信以及其它维护管理设施的布置等 泵站枢纽总体布置应符合 泵站设计规范 第5章的规定 泵房内部布置的内容包括各种功能用房 主机房 辅助设备用房 中央控制室 高 低压配电室 电气维修室 检修间及交通道等 和室内机电设备的平 立面布置以及泵房尺寸 宽度 长度和高度 的确定 泵房内部布置应遵循 泵站设计规范 第6 1节及 水利水电工程设计防火规范 的规定 在此不作赘述 主目录 章节目录 总结与建议 由于贵州地区小农水泵站规模一般不大 有的泵站甚至只设水泵室 电气设备均共享水泵室 由于水泵室工作环境潮湿 且有管道爆裂等危险因素长期存在 因此 建议尽量考虑紧邻水泵室设独立的值班室 启动柜 电气开关均置于值班室内 干湿分开 动静分开 即使共享水泵室 电气总开关也不要安装在室内 安装在室外 紧急情况下可关掉室外电源 第19页 2 5 6 泵房水锤压力计算 水锤压力指的是管道系统由于水流状态 流速 突然变化而产生的瞬时压力 泵站水锤压力计算的主要目的是校核管道承压能力是否满足要求 水锤压力计算原理比较复杂 现阶段可采用软件模拟计算水锤 可以采用帕马金曲线简化图计算停泵水锤 还可以采用简单管水锤的解析计算 简单管是指压力管道的管径 管壁材料和厚度沿管长不变 简单管水锤的解析计算方法如下 tt 2l c tt为水击相时 即水击波在管路中往返一次所需要的时间 s l为计算管长 m c为均质圆形管 e d2l c时 产生间接水击水头 hi 2lv0 g tt tg 式中 hd为直接水击水头 m hi为间接水击水头 m 关阀为正 开阀为负 v0为闸门前水的流速 m s tg为阀门关闭时间 s g为重力加速度 g 9 8m s2 主目录 章节目录 总结与建议 在出水管上安装缓闭止回阀和安全阀可有效缓解水锤 对高扬程 大流量泵站尽量考虑真空泵抽气充水启动 不采用底阀充水方案 一是可以减小底阀开启的水头损失 二是可避免停泵时水柱倒流对底阀产生的瞬时冲击损坏底阀 第20页 2 6 电气设计 泵站电气设计包括以下内容 1 供电系统 2 电气主接线 3 主电动机及主要电气设备选择 4 无功功率补偿 5 电动机起动计算 6 站用电 7 电气设备布置及电缆敷设 8 过电压保护及接地装置 9 照明 10 继电保护及安全自动装置 11 自动控制和信号系统 12 电气