南水北调中线惠南庄泵站特点分析.docx

南水北调中线惠南庄泵站特点分析唐文富(南水北调中线干线工程建设管理局 ,北京 102407)摘要 :介绍惠南庄泵站主要供水特点 ,通过分析该泵站的输水系统布置及水泵机组设计 、制造 、安装及运行等方面的特点 ,阐明惠南庄泵站供水安全可靠 、高效节能 ,满足北京市的供水要求 ,同时为同类型泵站的设计及设备制造等提供参考。关键词 :南水北调 ;惠南庄泵站 ;供水 ;水泵 ;变频调速 ;特点中图分类号 : TV68文献标识码 :B文章编号 :167221683 (2010) 0320028204Analyze the Characterist ics of Huinanzhuang Pump StationTA N G Wen2f u( A d m i nist rat i on B u reau o f t he M i d d l e R oute P roj ect i n t he S out h2t o2N ort h W ate r D i ve rsi on , B ei j i n g 102407 , Chi na)Abstract : The p ap er de scri be s t he mai n wat er suppl y cha ract eri stics of Hui na nzhua ng p u mp st atio n , by a nal yzi ng t he wat er p u mp st atio n layo ut and t he cha ract eri stics of p ump design , manuf act ure , i n st allatio n a nd operatio n , expo unds t he p u mp st atio n wat er suppl y i s relia ble , efficient en2 er gy savi ng , a nd can meet Beiji ng wat er de ma nds , w hile p ro vide t he i nfo r matio n fo r t he sa me t yp e of p u mpi ng st atio n de si gn a nd equip ment ma n2 uf act urer s.Key words : So ut h2to2No rt h Wat er Tra nsf er ; Hui na nzhua ng p ump st atio n ; wat er suppl y ;p ump ; va ria ble f requency ;cha ract eri stics惠南庄泵站是南水北调中线工程总干渠上唯一的一座加压泵站 ,是北京段实现管涵加压输水的关键控制性建筑物 ,承 担着向北京市多年平均净输水 10 . 52 亿 m3 的任务 。泵站为大 (1) 型 I 等工程 ,上游接北拒马河暗渠 ,下游接 双排 DN4000 预应力钢筒混凝土管 ( PCC P 管) 至大宁调压 池 , PCCP 管线长约 56 . 4 km 。泵站设计流量为 60 m3 / s ,共安装 8 台卧式单级双吸离心 泵 (6 工 2 备) ,水泵设计扬程 58 . 2 m ,单泵设计流量 10 m3 / s , 配套电动机单机功率 7 300 kW ,总装机容量 58 . 4 M W 。北京市水资源短缺形势更为严峻 ,南水北调中线工程是解决北京市缺水的根本性措施 1 ,这就决定泵站的供水保证率高 达 95 %以上 。泵站供水水质泵站前池进口处设有 1 套水质监测装置 ,实时监测及自 动分析上游来水水质情况 ,并将水质监测情况上传至中线工 程总调度中心 ,为调度运行决策提供依据 。另外 ,泵站还设有1 套加氯系统 ,能根据泵站供水流量自动投加氯对水进行消 毒处理 ,确保入京水质符合生活饮用水水源水质标准 。3泵站供水方式泵站有小流量重力自流输水和大流量水泵加压输水两种 供水方式 。当供水流量小于 20 m3 / s 时 ,采用主 、副厂房两侧 的小流量管重力自流输水 ,节约电能 ,降低运行成本 ; 当供水 流量为 2060 m3 / s 时 ,则启动水泵机组进行加压输水 ,提高 供水能力 。1泵站扬程根据泵站进 、出水池特征水位见表 1 , 泵站净扬程为 :21 00 m (最大值) 、1 . 17 m (设计值) 、- 8 . 50 m (最小值) 。表 1 泵站进 、出水池特征水位4项 目进水池( 泵站前池)出水池( 大宁调压池)最高运行水位/ m设计水位/ m最低运行水位/ m60 . 9660 . 3359 . 5061 . 5061 . 5052 . 46泵站供水保证率北京市是我国首都 ,城市规模大 、人口数量多 ,是一座严 重缺水的城市 ,特别是 1999 年以来 ,北京市连续遭遇大旱 ,使2根据水泵进、出水管道的长度 、直径及糙率等 ,通过水力收稿日期 :2010203206修回日期 :2010205207作者简介 :唐文富( 19742) ,男 ,湖南武冈人 ,工程师 ,主要从事水利水电工程建设管理与施工技术等方面的研究。28 南 水 北 调唐文富 南水北调中线惠南庄泵站特点分析计算 ,输水管道水力损失及泵站总扬程见表 2 1 。表 2 泵站特征扬程PCCP 管道沿线共设 5 处分水口 ,共分流 14. 2 m3 / s 。当采用双管分流时 ,系统扬程最大降低约 12 m ,当采用单管分流m时 ,系统扬程最大降低约 18 m ;当流量在 20 60 m / s 范围内调节时 ,泵站扬程为 26. 5258. 20 m ,变幅最大达 2. 2 倍 2 ,因 此 ,泵站扬程变幅大且变化复杂 ,使水泵运行工况复杂。3水泵吸 水泵出 泵站出口至沿程 总水力 设计最大 损失损失扬程扬程最小 扬程入损失 口局部 大宁调压损失 池局部损失 0 . 65 3 . 04 6 . 63 46. 71 57. 03 58. 20 59. 03 48. 53 由上可知 :泵站前池至大宁调压池地形高程差小 ,即泵站几何扬程小 ,但泵站总扬程大 ,泵站的总扬程主要为补偿管道 输水时的水力损失 。泵站输水系统布置惠南庄泵站输水系统布置见图 1 。5图 1 惠南庄泵站输水系统布置示意图水泵进水管前设有容积较大的前池和相互独立的进水间 ,水面面积共约 1 . 32 万 m2 ,总容积约 8 . 73 万 m3 ,总有效 容积约 1 . 92 万 m3 ,一方面能够保证水泵进口水流流态稳定 , 另一方面使泵站具有一定的调蓄能力 。8 台机组采用双列交错集中布置方式 ,设备布置紧凑 ,主厂房长度较短 ,工程投资少 。水泵进水管采用一泵一管形式 ,共设 8 条 DN2600 进 水钢管 ; 出水管采用四泵一管形式 , 即每 4 台机组出水管道 (直径 DN2200 ) 以 非 对 称 Y 型 岔 管 连 接 方 式 汇 入 一 条 DN4000 出水总管 。非对称 Y 型岔管连接方式的水流条件 好 ,水头损失小 ,安全性较高 。每 4 台机组及其出水管为一组 ,对称布置 ,与前池 、北 拒马河暗渠的独立双孔布置相协调 ,形成 2 个独立的供水系 统 ,能够在不中断供水的条件下进行前池 、机组 、管道及其阀 件等的检修 ,提高供水保证率 。2 条 DN3000 小流量自流管分别从前池东 、西两侧取 水 ,从主 、副厂房两端绕过后采用非对称 Y 型岔管连接方式 汇入 DN4000 出水总管 。该 2 条小流量自流管与主 、副厂房 不发生关系 ,对主 、副厂房内设备布置没有干扰 ,可以在水工 结构及主要土建工程完成后先期供水 ,同时 ,可以在不中断供 水的情况下进行机组安装 、调试及检修 。水泵出水侧设置 1 台重锤式液控缓闭止回蝶阀 ,作为 工作阀门 。在机组启动 200 s 内自动开启 ,实现“闭阀启泵” 功能 ;在机组停机过程中通过快 、慢两阶段关闭 (停机 40 s 内 快关至 24, 在 210 s 内慢关至全关) 该阀断流 , 消除水锤效应 。同时在泵站事故停电下 ,可以利用重锤自重关闭该阀切断水流 ,以保证机组安全 。泵站作为北京市供水水量的计量点 ,在出水管道上设 有超声波流量计 ,用以测量供水水量 、流量 、流速及水温等参 数 ,同时将测量数据上传至中线工程总调度中心 ,为调度运行 提供依据 。水泵机组设计66 . 1水泵型式根据泵站的规模 、特征参数等 ,适用于该泵站的泵型有卧 式单级双吸离心泵及立式单级单吸离心泵 ,选择卧式单级双 吸离心泵 3 ,其技术经济性较好 ,泵房高度低 、开挖深度小且 结构简单 ,即工程投资少 ,另外 ,卧式水泵可以采用水平中开 结构 ,水泵安装 、检修 、维护方便 ,运行成本较低 。6 . 2水泵驱动装置根据泵站出水管路特性 ,水泵更适合调速运行 4 ,因此 ,选用电动机 变频装置配套驱动水泵 。 水泵驱动采用变频调速方式 ,能够保证水泵始终运行在设计工况下 ,适应流量及扬程变幅大的运行工况 5 ,保证泵站 供水稳定 、安全 、可靠和高效节能的供水要求 。每台机组单独配备一套变频装置 ,设备运行互不干扰 ,调度方式灵活 ,供水 保证率高 ,能够满足泵站双管 4 台或 6 台水泵同时调速运行的要求 ,确保泵站全年大部分时间输水流量在 40 m3 / s 以上 。6 . 3主要技术参数泵站水泵机组主要技术参数见表 3 。南 水 北 调29 第 8 卷 总第 48 期 南水北调与水利科技 2010 年第 3 期表 3 惠南庄泵站水泵机组主要技术参数扩大 ,减少水力损失和流量损失 ,提高水泵效率 。主轴密封采用“”型橡胶密封 ,与国内同类型水泵常用的 机械密封相比 ,该密封摩擦力小 ,密封效果好。国内常用的机械 密封一般需要调整弹簧装置的弹力使密封环的动、静环接触 ,弹 力调整过大或过小 ,会导致动、静环间摩擦力增大或漏水量增加 , 从而降低水泵效率 ;而“”型橡胶密封是利用橡胶的弹力和水的 压力使密封环的动、静环接触 ,其接触力大小能自适应 ,即在保证 不漏水的前提下尽量减少摩擦力 ,从而提高了水泵效率。水泵轴与电动机轴通过弹性钢质膜片联轴器连接 ,该 联轴器结构紧凑 、传递扭矩大 、补偿两轴不对中能力强、没有 相对滑动及旋转间隙且减震能力强 ,因此 ,联轴器的传动效率 高 ,能耗少 。采用变频调速技术 ,可以连续地改变水泵转速 ,通过降低 水泵转速来降低扬程并调节流量 ,以适应水泵运行工况的变更 ,项 目 名 称参 数备 注卧式单级 双吸离心泵F P60218001058 . 237590 . 062486 . 755 . 985175018002000型式型号设计流量/ ( m3 s21 ) 设计扬程/ m 设计转速/ ( r mi n21 ) 设计点效率/ ( %) 设计点轴功率/ k W必需汽蚀余量 N PS H r/ m安装高程/ m 叶轮直径/ mm 出水口直径/ mm 进水口直径/ mm水泵北京高程8 使水泵始终运行在较优效率区 ,极大限度地节约能耗 。7 . 4年运行时间长 ,运行安全可靠性高水泵年运行小时高达 7 300 h ,供水保证率在 95 %以上 ,因此 ,水泵运行安全可靠性高 。水泵基础与预埋基础板之间设有一块厚度约 30 mm 的垫板 ,在下泵壳安装调整符合要求后根据现场实测数据进 行加工 ,保证水泵基础接触良好、荷载力分布均匀 ,减少水泵 运行时的振动 。两个分半式叶轮的叶片相互错开 ,减少了压力脉动值 的叠加 ,从而减少水泵运行时的振动 。同时 ,叶轮采用不锈钢 整体铸造 ,抗锈蚀及抗汽蚀的能力强 。主轴密封冷却润滑水直接取自水泵出口的压力水 ,水 量和水压均可调节 ,使主轴密封在水泵所有运行模式下都有 可靠的冷却水 。水泵主轴安装在两个滑动轴承上 ,驱动端采用径向/ 轴 向组合轴承 ,除承担径向力外还可以承担机组运行时产生的轴 向力 ;非驱动端采用径向导轴承 ,用以承担径向力。每台机组 配置 1 套稀油站 ,用以循环冷却轴承的润滑油。在机组额定工 况下 ,轴承能够在油冷器冷却水中断后安全运行 15 min ,且不 产生任何异常现象和有害影响。在机组启动或停机过程中 ,通 过启动高压油顶轴系统 ,确保轴承在机组低转速下安全运行。配备了用于监测水泵的进出水侧压力 、轴承温度 、转 速 、位移和振动等许多自动化监测元件 ,实时监测水泵运行状 况 ,并上传至泵站中控室 ,为运行人员正确分析水泵运行情况 提供依据 。7 . 5制造技术标准高 、难度大泵壳 、叶轮等主要部件采用铸造工艺 ,由于单件铸造尺寸 大 、重量重 (下泵壳重达 35 . 7 t ) 、结构复杂且为异形 ,使其铸 造及表面加工难度大 。鼠笼型交流 异步电动机A MC1000 10L BSFV7300315016060 . 8731 . 537597型式型号额定功率/ k W额定电压/ V 额定电流/ A 额定功率因数 额定频率/ Hz 额定转速/ ( r mi n21 ) 额定效率/ ( %)电动 机水泵特点77 . 1采用了技术先进的水力模型水泵是泵站的关键设备 ,水力模型是水泵的心脏 6 。长期 以来 ,我国的大型水泵多用于灌溉和排涝 ,水泵制造厂家一般 不从事水力模型设计 ,水力模型多数来自高校和科研单位 7 , 根据惠南庄泵站供水特点 ,目前国内没有合适的水力模型。惠南庄泵站的水力模型是针对泵站供水特点采用先进的 CFD 计算与 CAD 技术相结合的方法专门设计的 , 对水泵模 型装置进行全面的数模仿真计算及动态力分析 ,通过能量 、汽 蚀 、飞逸特性 、全特性、水压力脉动特性及力特性等的模型试 验 ,优化及验证了原型泵的性能参数 。根据模型试验结果 ,水 泵安装高程比原设计高程降低了 1 . 0 m 。7. 2 流量大、扬程高 ,且流量及扬程变幅大 ,运行工况复杂水泵流量及扬程均为目前国内卧式单级双吸离心泵中之 最 2 ,在国际上仅次于巴西圣保罗市 CO MA SP 泵站水泵 ( Q = 11 m3 / s , H = 119 . 3 m , N = 15 000 k W ,装机 3 台) 1 。 泵站供水流量在 20 60 m3 / s 范围内调节时 ,相应的水泵扬程在 26. 5258. 20 m 范围内变化 ,使水泵运行工况复杂。7 . 3高效 、节能惠南庄泵站水泵效率高达 90 % ,目前 , 我国水泵效率较 发达国家同类泵效率水平低 5 %10 % 3 。叶轮采用不锈钢 ,固定口环采用铝铜合金 ,耐磨且抗锈 蚀 、汽蚀能力强 ,能保持叶轮过流面光滑及叶轮与口环间隙不水泵机组安装与调试水泵机组安装流程 :水泵基础板预埋 水泵基础混凝土 浇注 下泵壳安装 水泵基础中间垫板现场配刨及安装 轴 承支承和轴承下半部分安装 水泵转子 (叶轮 + 主轴) 安装 830 南 水 北 调唐文富 南水北调中线惠南庄泵站特点分析轴承上半部分及轴承盖安装 上泵壳安装 主轴密封安装 电动机粗调及基础锚件安装 电动机基础二期混凝土浇注 盘车 、电动机精调 水泵与电动机联轴 。每台水泵均在制造厂内进行预组装后加工定位装置 ( 定 位销或止口法兰) ,并按尽可能多的部件组装在一起运输 ( 如 叶轮带主轴运输等) ,减少了现场组装 、调整工作量 ,降低了安 装难度 ,缩短了安装工期 ,能更好地保证安装质量。按照南水北调中线工程建设总进度计划 ,泵站在 2014 年 中线工程全线通水时启泵运行。鉴于目前泵站外部电源及流 量达不到启泵条件等实际情况 ,为检验水泵制造及安装质量 , 在 2008 年 - 2009 年京石段临时通水末期 , 在不中断供水的 情况下 ,对水泵进行了充水试验 、静水压试验及小流量 、低转 速的空载试验和两机联合空载试验 ,同时对阀件等设备进行 了有水调试。水泵在上游来水流量约 5 m3 / s 、前池水位约59 . 0 m 的工况下空载运行 ,旋转方向正确 ,转动灵活 ,轴承温 度正常 ,轴封及各连接部位无渗漏等异常情况 ,叶轮过水流量 为 3 . 3 41 2 m3 / s 时 ,水泵转速为 45 55 r/ min ,基本符合水泵 性能曲线。采用上述对不同水泵台数匹配的变频调速运行及单、双管配合的运行方式 ,可以实现水泵在不同流量工况下的可靠运行。在各种供水流量需求下 ,均可以实现流量的调节 ,调度 运行灵活 ,供水保证率高 。在各种运行工况下 , 水泵效率均大于 80 % , 即水泵均 在较优效率区内运行 。在各种运行工况下 ,水泵汽蚀余量均不大于相应运行 设计工况下的汽蚀余量值 ,水泵运行安全 、振动小 。水泵及电动机在调速范围内的各种工况下调速运行 ,均能安全 、稳定运行 。变频器效率不低于 97 % 。在确保机组平稳 、无汽蚀运行的前提下 ,可以以单位流 量耗能省为目标组合最优运行方式 ,实现泵站节能高效的运 行 ,取得好的经济效益 。10结语惠南庄泵站是目前国内安装卧式单级双吸离心泵的最大 泵站 ,装机容量大、年运行时间长、供水保证率高及流量 、扬程 变幅大 ,通过选用性能优良的水泵机组及技术先进的变频调 速技术 ,采用合理的输水系统布置及灵活的调度运行方式 ,使 泵站运行安全 、稳定 、高效 ,对北京市的安全可靠供水起着关 键的作用 。2008 年 9 月 - 2009 年 8 月 ,泵站利用 2 条小流量 自流管向北京市供水 11 个月 ,累计净供水 3 . 34 亿 m3 ,对缓 解北京市城市供水压力发挥了重要作用 ,创造了巨大的经济 效益和社会效益 。国内对大型高扬程水泵的研究起步较晚 ,目前国内大型 高扬程泵多为农用泵 ,年运行仅几百小时 ,其设计 、制造标准 低 3 ,惠南庄泵站水泵