张村泵站的设计水利水电专科.docx
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张村泵站的设计水利水电专科
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)
3、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1
5灌溉作物以水稻小麦为主,总耕地面积为3×104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-1
40
30
40
30
(35)
(37)
20
灌水时间
D·m-1
9/3-
21/3
7/4-
13/4
2/5-
13/5
18/5-11/6
18/6-
30/6
6/7-
28/7
9/10-
21/10
表2
6、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。
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。
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,η采用0.90,t取22h,则设计流量为
Q设=24q设ω/(tη)=1454.55≈1455L/s
其中ω取30
则Qmax=1.2Q设=1746L/s
Qmin=24qminω/(tη)=727.3L/s
(二)、泵站设计扬程的确定
(Ⅰ)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=∑QitiHi静/∑Qiti
=∑Qiti(▽出-▽进i)/∑Qiti
=∑Qiti(340-▽进i)/∑Qiti
水源水位线如图4所示
图4水源水位线图
H静i=∑Qiti(340-▽出i)/∑Qiti
=24ω∑qi(340-▽进i)/∑qi
=
40(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=24.04m
2.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=25.10m
3.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
=340-316.8+hf=23.51m
(Ⅱ)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=32.6m
H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。
水泵Q—H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/sH=32.70m
η=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
五、确定水泵的安装高程
1.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(10.33H2O)和水温20℃(相应得汽化压力为0.24mH2O)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/Υ=0.43;当T=40℃时PB/Υ=0.75。
利用差分法得34℃时PB/Υ=0.558,修正后的允许吸水高度用[Hs]’表示。
即
[Hs]’=[Hs]-▽/900-(PB/Υ-0.24)
=3.5-318/900-(0.558-0.24)
=2.83m
2.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Υ=0.800×10-6m2/s
当T=40℃时运动粘滞系数Υ=0.658×10-6m2/s
采用差分法知T=34℃时,运动粘滞系数Υ=0.7432×10-6m2/s
则雷诺系数Re=vd/Υ=2.1479×0.4/0.7432×10-6=1.157×106m2/s>2000
所以为紊流
根据管壁面的情况取△=0.1
查图得λ=0.0018
则沿程损失HL=λlv2/2gd=0.018×7×2.14972/0.4×2×9.81=0.074268m
局部水头损失
a.因采用90°弯头则ξ=[0.131+0.1632×(0.4)7/2]×(θ/90°)1/2
=0.1376
则hj1=ξv2/2g=0.1376×2.14972/2×9.81=0.01509m
b.进口喇叭管
设与进口相接的管径为350mm,取α=10°查表得r=0.16
则ξ=r(1-A2/A1)2=0.0375
所以hj2=ξv2/2g=0.0375×2.14972/2×9.81=0.0041m
所以hf=HL+hj1+hj2=0.09346m
安装高度Hz=[Hs]’-▽/900-v2/2g-hf-(PB/Υ-0.24)
=2.83-318/900-2.14972/2×9.81-0.09346-(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
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。
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
=6×2.56+5×1.4+2×1.5
=25.36m
另外检修间的长度为3.6m
所以L=25.36+3.6=28.96≈29m
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=2150mm
B2=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=7m
3.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-h2
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=1.6mh2=0.3mh3=1.1m
h4=3.5mh5=1.2mh6=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(1±6e/B)
e=B/2-∑Ma/∑N
式中为基础底面边缘最大(最小)地基应力KPa/m2
∑N为计算单元内所有垂直力之和KN
B为计算底板厚度m
L为计算单元长度m
e为偏心距m
∑Ma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
P≤R
式中P——地基底面处的平均地基应力KPa/m2
R——修正后地基土的允许承载力KPa/m2
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:
Pmax≤1.2R
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
图7
进水喇叭口直径D进=(1.3-1.5)D1
=1.3×0.4=0.52M
D1——卧式泵的进水管直径
为了改善流态,进水管应仅靠后墙,即T=0.5D进=0.5×0.52=0.26m
2.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
=1.4×6=8.4m
3.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=(0.5——0.6)P进=0.6×0.52=0.312m取P=0.4m
4.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0.3——1.8范围内取值。
则Ks=0.64(1+0.65×0.26÷0.52+0.75)
=0.64×2.075
=1.328
所以h临淹=KsD进=1.328×0.52=0.69m
取hs=1m
5.进水池的长度Lg如图8所示
图8
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m
Q——泵站总流量m3/s
K——秒换水系数
因为Q=1.62m3/s>0.5m3/s
所以取K=20
Lg=20×1.62/1×8.4=3.86m
6.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=0.8m
7.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(α/2)=(8.4-2)/2tg(30°/2)
=11.9≈12m
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0.5
a=7-(hp/Do-0.5)2.4/(1×0.5/m2)
m=hp/Lp
设h淹=1mhp=1mLp=2m
m=0.5a=5.4
所以L=ah淹0.5=5.4mh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≥(2——3)Do
即B11=2×0.4=0.8m
所以B=6×0.8=4.8m取B=5m
2.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)
式中hmin——最小淹没深
设▽低=340m则
▽底=340-(0.3+0.4+0.4)=338.9m
3.出水池池顶高程:
如图10所示
根据池中最高水位加上安全超高△h来确定。
▽顶=▽高+△h
=341+0.5
=341.5m
十二、泵站运行工况
泵站运行工况已在泵的选型计算中说明,在此不再阐述。
如图10
十三、结束语
通过此次设计,使我们获得的专业理论知识系统化、整体化。
以便于巩固扩大所学的专业知识。
增强了我们独立分析问题、解决问题的能力;提高了设计计算技巧和编写说明书及绘图能力。
为适应今后的工作需要打下了坚实的基础。
但是,也发现了不少问题。
一是我们理论联系实际的能力还不够强,解决实际问题的能力还有待提高;二是对泵站的总体及细部还考虑不够周全,导致此次设计深度欠佳;三是此设计缺少一些数据,从而在设计说明书中对厂房的稳定分析和应力分析只是理论的阐述。
通过这次设计使我的理论知识更加全面、实践能力更强。
设计中发现的问题,也可能是今后工作中所遇到的,我会加以改正,今后不会再犯第二次。
在设计中存在的缺点、疏漏和不妥,恳请各位老师批评指正。
参考文献
温新丽主编,水电站及泵站,中央广播电视大学出版社,2001。
丘传忻编著,泵站,中国水利水电出版社,2004。
张景成张立秋主编、袁一星李亚峰主审,水泵与水泵站,哈尔滨工业大学出版社,2003。
王涛主编,水泵及水泵站习题实验课程设计指导书,北京:
水利电力出版社,1995。
丁成伟编,离心泵与轴流泵,北京:
机械工业出版社,1985。
目录
一、工程概况…………………………………………………………………
(1)
二、基本资料…………………………………………………………………
(2)
三、泵站设计参数的确定……………………………………………………
(2)
(一)泵站流量的确定…………………………………………………
(2)
(二)泵站设计扬程的确定……………………………………………(3)
四、水泵机组选型及配套……………………………………………………(5)
五、确定水泵的安装高程……………………………………………………(8)
六、站址选择…………………………………………………………………(9)
七、泵站设计及辅助设备选择………………………………………………(9)
八、整体稳定校核……………………………………………………………(13)
九、进水池与前池设计………………………………………………………(14)
十、管道设计…………………………………………………………………(16)
十一、出水池…………………………………………………………………(16)
十二、泵站运行工况…………………………………………………………(17)
十三、结束语…………………………………………………………………(17)
参考文献………………………………………………………………………(19)