水泵及水泵站课程设计计算说明书.docx
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水泵及水泵站课程设计计算说明书
土木工程与给排水
水泵及水泵站课程设计
计算说明书
分院：
土木建筑分院
专业：
13给排水科学与工程
班级：
1班
组别：
1组
指导老师：
季志文
姓名：
曾水飞
学号：
20130110070106
华东交通大学理工学院
土建分院土木工程与给排水课程设计
2015年12月
附录二规范
前言
一、目的意义
课程设计是本课程的一个重要实践性教学环节，通过本课程设计主要达到以下目的：
（1）了解和掌握课程所学的基本内容，包括水泵及水泵站的基本知识、水泵的选择和选型、泵站水泵机组的布置及水泵站的工艺设计原则、步骤等的掌握；对水泵站所需辅助设施的内容、作用和具体设置的了解。
（2）全面掌握水泵站的工艺设计步骤和计算方法、辅助设施的选择设计方法。
（3）培养学生独立工作及团队分析的能力。
本课程设计的意义在于；
⑴总结和灵活应用本课程所学的基本理论知识，培养学生综合分析和解决问题的能力。
⑵为后续课程的学习及今后解决实际工程问题打下一个坚实的理论基础。
因此，本课程设计具有承上启下的作用，是一个重要的教学和理论相联系的不可缺少的教学环节。
设计内容
设计说明书中应包括以下内容：
概述
工程概况
设计依据
设计任务和范围
设计流量和扬程的确定
应包括以下内容
⑴设计流量的确定，处理好近期和远期规划的关系；
⑵输水干管管径、数量的确定及校核；
⑶净扬程的计算，包括水位变化导致的净扬程的变化；
⑷设计扬程的估算。
初选水泵和电动机
包括水泵的型号、工作泵、备用泵的型号和台数；可概要进行工艺性能和特点、技术经济的选泵方案比较；
设计机组的基础
根据所选水泵样本的安装尺寸进行设计计算；
吸水管和压水管的管径确定和管路布置
精选水泵和电动机
精确计算泵站内的水头损失，求出水泵站的扬程；比较所选水泵的设计工况与泵站的实际流量和扬程极其变化规律是否满足。
如不满足，则需重新选泵和电动机进行调整和重新计算。
水泵安装高度的确定和泵房高度的计算
包括水泵站的机器间标高，吸水池标高的设计计算；泵房高度的详细计算可参考《给排水工程快速设计手册》第1，2分册中泵站的设计部分
主要辅助建筑物按顺序进行各设施的选型和设计
主要工艺参数、尺寸、座数、构造、材料，选用设备的型号、规格和台数。
包括排水、起重、引水、通风、计量等；
泵房的平面布置（参照教材或设计手册相关原则）
运行的有关说明（泵站及其附属设施的启动、日常运行的方式及控制参数，劳动定员）
工程概算和技术经济指标
设计计算书中应有泵站工艺计算的详细过程和步骤；必要时应注明所选用参数和计算公式的出处；应附有按比例认真绘制的（单线）计算草图，清晰地表明泵站内主要设施的构造和有关工艺尺寸。
平面布置图比例规范；图中不同性质内容的线型应有所区别，使图纸层次分明，图面美观。
例如可用带有特定符号的粗线画各类管线，中粗线画构筑物和建筑物。
图中应有构筑物和材料一览表、图例和相关说明等。
4．应选择各构筑物及有关建筑物的适宜的剖面，用单线画明其主要构造，以适当的线型和规范的符号画出连接管线以及阀门、水泵和计量装置等控制点和水面线；标出水流方向，注明构筑物顶、底、水面和主要工艺管线的标高。
三、设计目的：
本课程设计的主要目的是把《水泵及水泵站》、《给水排水设计手册》中所获得的理论知识加以系统化。
并应用于设计工作中，使所学知识得到巩固和提高，同时提高我们有条理地创造性地处理设计资料地独立工作能力
四．设计：
1.1设计题目
宜春市新建水厂的二泵站初步设计
1.2设计原始资料
一、设计原始资料：
1、城市概况：
水厂所处地区为宜春某中等城市，该地区四季分明，雨量充沛，尤其春夏季，属亚热带季风气候，温度较高，基本上无冰冻现象发生，该区河流较多，水源丰富，常年是东南季风。
地势平坦，坡度较小，整个区域面积不大，人口大约为 2.8万。
2、设计水量：
该市最高日最高时用水量625L/s，时变化系数Ｋｈ＝1.25，日变化系数Ｋｄ＝1.3，
管网最大用水时水头损失为12m，吸水管水头损失为1.5m，
管网中地形标高控制点为6.1m，吸水井最低水位-1.7m，
控制点自由水头20m，用水量最大时泵站内水头损失2m。
消防用水时，水泵站的供水量为682L/s。
3、水厂工艺流程：
原水——（加矾氯）静态混合器——平流式沉淀池——快滤池——（加氯）清水池——吸水井——二泵房——管网
编号
最高日最高时用水量QL/s
时变化系数X
Ｋｈ
控制点自由水头H1m
吸水井最低水位H0m
1
526.9
1.55
16
-2
2
450
1.4
16
-1.5
3
415
1.6
10
-1.6
4
650
1.3
10
-1.8
5
355
1.7
20
-1.5
6
625
1.25
20
-1.7
图1.1清水池相关尺寸图
1.3设计任务
1、设计计算说明书一份；
2、设计2#图纸不少于2张（水泵房平面、剖面图）
1.4设计要求
课程设计是一门实践性较强的课程，因此在整个课程设计期间，要求学到以下几点：
1、自始至终认真参加，独立思考，独立完成课程设计任务；
2、严格遵守课堂纪律及有关规章制度，认真参加答疑，不得迟到早退，得无故缺席；
3、无故不按时完成、或不能独立完成课程设计任务者，其课程设计按零分计；
4、设计计算说明书整洁有条理、内容完整并符合规范要求；设计图纸图面整洁、布局合理、线条层次分明、尺寸标注符合规范；
5、设计计算正确、设计说明书书写工整有条理。
1.5参考资料
⑴《给排水设计手册》；给水分册、排水分册及设备分册，建工出版社
⑵《给排水快速设计手册》第1，2，4分册建工出版社
⑶《给排水简明设计手册》
⑷《水泵与水泵站》张景成张立秋主编哈尔滨工业大学出版社
⑸《给排水工程专业课程设计》张志刚主编化学工业出版社
⑹其它设计规范
2计算说明书
2.1流量和扬程的计算
城市管网供水扬程计算公式如下：
式中H――总扬程，mH2O；
――二泵站吸水池最低水位到控制点的地面高差，mH2O；
∑h——总损失，包括管路损失和泵站损失，其中泵站内吸压水管路水头损失一般取值2.0~3.0mH2O，本设计取为2m；
hsev——管网中控制点所需的自由水头，mH2O；
h安全——安全水头，本设计取为2mH2O。
式中∑h管网――管路总损失，单位mH2O；
――表示管道的沿程阻损与局部阻力之和的阻力系数；
――流量，单位m3/s。
2.1.1水泵站二级供水的设计流量和扬程
水泵站二级供水的设计流量
设计流量选取该地区最高日时用水量
该城市的最高日最高用水时情况如下：
输配水管网中的水头损失为12m；管网中控制点（即水压的不利点）所需的自由水头为20m；二泵站吸水池最低水位到控制点的地面高差为7.9m。
则水泵站二级供水的设计扬程
。
根据
，即
，可以得管网的阻力系数S=39.68s2/m5。
可得到管路特性曲线方程
2.1.2消防供水的设计流量和扬程
消防供水的设计流量Q=625×1.1=687.5L/S
该城市的最高日最高时和消防用水时情况输配水管网中的水头损失为12m；管网中要求的最低自由水头为20m；二泵站吸水池最低水位到控制点的地面高差为7.9m。
则消防供水的设计扬程为
。
2.1.3设计流量和扬程计算结果汇总
设计流量（L/s）
设计扬程（m）
二级供水
625
45.3
消防供水
687.5
41.9
2.2水泵初选及方案比较
2.2.1选泵的主要依据
选泵的主要依据是所需的流量、扬程及其变化规律。
2.2.2选泵要点
1）大小兼顾，调配灵活，合理使用水泵的高效段；
2）型号整齐，互为备用；
3）考虑泵站的发展，实行近期和远期建设相结合；
4）大中型泵站需作方案比较；
5）合理选择水泵的构造形式；
6）保证吸水条件，照顾基础平齐，减少泵站埋深；
7）大小兼顾，合理调配的原则下，尽量选大泵；
8）考虑必要的备用泵；
9）选泵后应进行校核；
10）因地制宜，尽量选用当地成批生产的水泵型号。
2.2.2选泵的主要原则
（1）选泵首先要满足最高时供水工况的流量和扬程要求；在平均流量时，水泵应在高效段运行；在最高与最低流量时，水泵应能安全、稳定运行。
所选水泵特性曲线的高效率范围应尽量平缓，以适应各种工况的流量和扬程要求。
（2）尽可能选用同型号水泵，互为备用；或扬程相近、流量大小搭配的泵。
（3）水泵选择必须考虑节约能源，除了选用高效率泵外，还可考虑运行工况的调节；应考虑近远期结合，一般可考虑远期增加水泵台数或换装大泵。
对于埋深较大的水源泵房，远期可采用更换水泵的方式，减少泵房面积。
（4）应在保证水泵的正常吸水条件，在不发生气蚀的前提下，尽可能选用允许吸上真空度值大或必需汽蚀余量值小的泵，应充分利用水泵的允许吸上真空高度，以提高水泵安装高度，减少泵房埋深，降低造价。
同时应避免泵站内各泵安装高度相差太大，致使各泵的基础埋深参差不齐或整个泵站埋深增加。
（5）水泵的台数及流量配比根据供水系统的运行调度要求、泵房的性质及规模、近远期结合方式等作综合考虑，并结合调速装置的应用进行多方案比较后确定。
（6）水泵的构造形式对泵房的大小、结构形式和泵房内部布置、泵站造价等有影响，因此要合理选择水泵的构造形式。
（7）选泵时应尽量结合地区条件优先选择当地制造的成系列生产的、比较定型的和性能良好的产品。
2.2.3备用泵的选择原则
根据供水对象对供水可靠性的不同要求，选用一定数量的备用泵，以满足供水对象对供水可靠性的不同要求：
①在不允许减少供水量的情况下，应有两套备用机组。
②允许短时间内减少供水量的情况下，备用泵只保证供应事故用水量。
③允许短时间内中断供水时．可只设一台备用泵。
④城市给水系统中的泵站，一般也只设一台备用泵。
通常备用泵的型号可以和泵站中最大的工作泵相同。
当管网中无水塔且泵站内机组较多时，也可考虑增设一台备用泵，它的型号相最常运行的工作泵相同。
另外应该注意，备用泵与其它工作泵一样，应处于随时可以启动的状态。
2.2.4水泵初选
离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。
尽可能选用离心泵。
IS型单级单吸悬臂式离心泵，可以用作给水，而且检修方便，但是却适用于流量比较小的供水，绝大多数泵的最大流量才100L/s左右，不适合本次设计。
单级双吸式离心泵是在给水工程中常用的一种离心泵（如Sh型、SA型），而且流量与扬程均能满足，故本设计初选水泵为单级双吸式离心泵并联。
经过选择比较，初选水泵见表2.1。
所选每台水泵的特性曲线见图2.1和图2.2。
表2.1初选水泵表
水泵
型号
额定流量
（L/s）
额定扬程
（m）
转速
轴功率
（KW）
所配电机
型号
所配电机
功率（KW）
方案一
2台14SA-10B
312.5
47.09
1450
166.18
Y315M2-4
160
方案二
4台300S58A
208.33
47.89
1450
121.14
Y315M1-4
130
图2.114SA-10B型泵性能曲线
图2.3300S58A型泵性能曲线
2.2.5方案比较
水泵方案比较见表2.2。
表2.2方案比较表
编号
供水
情况
工作泵台数及型号
供水流量
（L/s）
每台泵效率η（%）
水泵扬程H实（m）
所需扬程
H需
扬程利用率H需/H实（%）
方案一
二级供水
2台
14SA-10B
652
86.81
47.09
45.2
95.59
消防时
2台
14SA-10B
687
86.81
47.09
41.9
88.9
方
案
二
二级供水
3台300S58A
652
80.06
48
45.2
94.16
消防时
3台300S58A
687
80.74
47
41.9
89.1
2.2.6方案比选分析
由表2.2中可以看出，选泵满足最高时供水工况的流量和扬程要求，两种方案的效率均较高，且满足消防时的要求。
方案一和方案二均选用了两种型号的泵，型号整齐、调配灵活，管理方便，能够互为备用；在水泵的效率以及扬程利用率方面，方案一优于方案二，具有良好的节能效果；但方案二在进行两级供水时，每台泵的效率都处在其高效段内；从远期规划方面考虑，方案二具有良好的发展和改善空间；其缺点是扬程利用率较低。
综合上述因素，根据选泵的原则，决定选用方案二（4台300S58A），其中1台300S58A为备用泵。
2.3基础设计
机组（水泵和电动机）安装在共同的基础上。
基础的作用是支撑并固定机组，使它运行平稳，不致发生剧烈振动，更不允许基础沉陷。
因此，对基础的要求是：
①坚实牢固，除能承受机组的静荷载外，还能承受机械震动荷载；
②要浇制在较坚实的地基上，不易浇制在松软地基或新填土上，以免发生基础下沉或不均匀沉陷。
卧式水泵均为块式基础，其尺寸大小一般均按所选水泵安装尺寸所提供的数据确定。
对于不带底座的大、中型水泵的基础尺寸，可根据水泵或电动机（取其宽者）地脚螺孔的间距加上0.4~0.5m，以确定其长度和宽度。
基础设计计算的相关公式为：
长：
L=水泵底座长度+0.15~0.20m
宽：
B=水泵底座螺孔间距+0.15~0.20m
高：
H=水泵底脚螺栓长度L＋150~200mm
螺栓埋入深度＝20~30×螺栓直径＋30~50mm
（其中，螺孔间距根据所选水泵的安装图进行确定）
根据生产泵房厂家提供的相关资料，确定所选泵的安装尺寸。
S型泵安装尺寸图见图2.3。
图2.3S型泵安装尺寸图
对于所选300S58A型的水泵，其主要外形尺寸（带底座）见表2.3。
表2.3300S58A型水泵主要外形尺寸表
泵型号
泵尺寸
L
L1
B
B1
B2
B3
H
H1
H2
H3
300S58
1108
615
1450
1070
300
450
830
510
40
250
电机尺寸
进口及吐出锥管法兰尺寸
出口法兰尺寸
A
B
h
h1
N-Φd4
Dg1
D01
D1
n-Φd1
Dg2
D02
D2
508
475
760
315
Φ35
Φ445
Φ400
Φ300
12-Φ22
Φ305
Φ350
Φ250
根据表2.3数据计算可得
基础长L=水泵底座座长度方向间距L1+0.40~0.500m=L1+0.16=2.368+0.16=2.528m，取为2.53m
基础宽B=水泵底座螺孔间距B1+0.15~0.20m=A+0.16=0.630+0.5=1.278取1.30m
螺栓埋入深度＝20~30×螺栓直径＋0.03~0.05m=25×0.035+0.05=1.055m,取为1.1m
基础高H=水泵底脚螺栓长度＋0.150~0.200m=0.855+0.200=1.055m>0.5~0.7m，符合要求。
基础统计
水泵
电机
Wp+wm/kg
L/M
B/M
H/M
型号
Wp/kg
型号
Wm/kg
300S58A
709
Y315M2-4
700
1409
2.53
1.3
1.05
2.4泵站形式
2.4.1最大安装高度的计算
相关计算公式如下：
式中
――最大安装高度（m）；
――修正后的允许吸上真空高度（m）；
――吸水管从喇叭口到泵进水口的水头损失（m）。
其中，允许吸上真空高度的修正公式相关的计算公式如下：
式中
――修正后的允许吸上真空高度（m）；
――水泵厂给定的允许吸上真空高度（m）；
――安装地点的大气压（即
），mH2O，
海拔高度与大气压（
）关系见表2.4；
－－实际水温下的饱和蒸汽压力，mH2O，
水温与饱和蒸汽压力（
）的关系见表2.5。
表2.4海拔高度与大气压（
）关系
海拔m
-600
0
100
200
300
400
500
600
700
大气压
（mH2O）
11.3
10.3
10.2
10.1
10.0
9.8
9.7
9.6
9.5
海拔m
800
900
1000
1500
2000
3000
4000
5000
大气压
（mH2O）
9.4
9.3
9.2
8.6
8.4
7.3
6.3
5.5
表2.5水温与饱和蒸汽压力（
）
水温℃
0
5
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
饱和蒸汽压
（mH2O）
0.06
0.09
0.12
0.24
0.43
0.75
1.25
2.02
3.17
4.82
7.14
10.33
根据该水泵站的具体实际情况：
该水泵站海拔为2米，则
；
夏季最高水温为30℃，则
；
根据相关选泵软件可知，对于所选300S85A型水泵，汽蚀余量Hsv=2.6mH2O。
汽蚀余量与允许吸上真空高度之间的关系：
即水泵厂给定的允许吸上真空高度为
则修正后的允许吸上真空高度为
即可得到最大安装高度：
根据经验取
，
所以最大安装高度
，取安装高度为5.45m。
2.4.2水泵的引水方式
水泵引水有自灌式和抽吸式两种形式，真空吸水高度较低的大型水泵，自动化程度和供水安全性要求较高的泵房，水泵顶部标高可以在吸水井最低水位以下，以便自动灌水，随时启动水泵。
抽吸式需要有抽除泵壳内空气的引水设备，引水时间一般不大于5min。
经过综合分析比较，又已知二泵站处的地质情况是：
地面表层（约2米），从经济性考虑，不适合采用自灌式引水方式，故考虑抽吸式。
真空泵引水在给水泵站中采用较为普遍，其优点是水泵启动快，运行可靠，易于实现自动化。
目前使用最多的是水环式真空泵，其型号有SZB型，SZ型，S型3种。
故本设计采用抽吸式水环式真空泵引水方式进行引水。
真空泵的排气量可近似按下式计算：
式中
——真空泵的排气量，m3/min；
——泵站中最大一台水泵泵壳内空气容积，m3，相当于水泵吸入口面积乘以吸入口到出水闸阀间的距离；
——从吸水井最低水位算起的吸水管中空气容积，m3，根据吸水管直径和长度计算，可查表2.7求得，本设计取为0.159m3/m；
——大气压水柱高度，该水泵站海拔为2米，查表2.4得
；
——离心泵的安装高度，本设计为5.45m；
——水泵引水时间，h，一般应小于5min，消防水泵不得超过3min，本设计取为3min；
——漏气系数，一般取1.05~1.10，本设计取1.10。
表2.7水管直径与空气容积的关系表
D（mm）
100
150
200
250
300
350
400
450
500
600
700
800
（m3/m）
0.008
0.018
0.031
0.071
0.092
0.096
0.120
0.159
0.196
0.282
0.385
0.503
计算得真空泵的排气量近似为1.09m3/min。
最大真空值Hvmax可由吸水井最低水位到水泵最高点之间的垂直距离计算得Hvmax=45.77kPa，所以极限真空度为45.77-101.325=-55.555kPa。
由计算所得的真空泵的排气量和极限真空度，根据水泵厂提供的真空泵样本，选用2台SZ-1J型水环式真空泵（一用一备）。
SZ-1J型水环式真空泵主要性能见表2.8。
表2.8SZ-1J型水环式真空泵主要性能
型号
不同真空度时的抽气量（m3/min）
极限
真空度
（kPa）
耗水量（L/min）
电动机
生产厂
0
（kPa）
-40.53
（kPa）
-60.8
（kPa）
-81.06
（kPa）
-91.19
（kPa）
型号
功率
（kW）
转速（r/min）
SZ-1J
1.5
1.48
1.36
0.92
-
-88.5
10
Y112M-4
4
1450
新乡水泵厂
2.4.3泵轴标高和泵房机器间室内地坪标高的确定
泵轴标高和泵房机器间室内地坪标高如图2.5示意。
机器间地坪标高为-2.942m。
图2.5泵轴标高和泵房机器间室内地坪标高示意图
2.4.4小结
根据上述相关计算，可以确定该泵房为半地下式泵房。
2.5水泵机组的布置
2.5.1水泵机组的布置原则
水泵机组的排列是泵站内布置的重要内容，它决定泵房建筑面积的大小。
机组间距以不妨碍操作和维修的需要为原则。
机组布置应保证运行安全，装卸、维修和管理方便，管道总长度最短、接头配件最小、水头损失最小，并应考虑泵站有扩建的余地。
2.5.2水泵机组的布置方式
根据《给水排水工程快速设计手册》（第一册给水工程）水泵机组各种布置方式的比较表来进行水泵机组布置方式的选择。
根据本设计实际综合考虑，选用的是S型水泵，是侧向进出水的水泵，泵的台数为4台，由上表分析比较可知，宜采用直线单行布置，该种布置虽然稍增长泵房的长度，但泵房跨度较小，进出水管顺直，水利条件较好，节省电耗。
2.5.3水泵机组的平面布置
根据《给水排水工程快速设计手册》（第一册给水工程）的相关内容，机组直线单行布置各部尺寸应符合相关要求。
机组直线单行布置相关规范尺寸如图2.6所示：
图2.6机组直线单行布置相关规范尺寸
由上述规范要求规定，根据本设计具体情况考虑，计算得到：
每台水泵机组之间的间距为2m；管道轴线间距为4.700m。
水泵机组布置各部分详细尺寸见泵房机器间布置草图（附图1）。
取进、出水侧水泵基础到墙壁的距离以及基础到墙壁的距离均2m,电机组与配电设备的距离也为2m,则可以初步定出泵房机器间的长度和宽度：
长：
宽：
2.6吸压水管流速和直径的确定
2.6.1吸压水管流速和直径的设计要求
根据《给水排水工程快速设计手册》（第一册给水工程）的相关内容，设计要求如下：
1、吸水管路及出水管路的设计流速根据表2.10确定。
表2.10吸水管路及出水管路的设计流速
管径（mm）
D<250
250
D<1000
1000
D<1600
D
1600
吸水管内流速（m/s）
1～1.2
1.2～1.6
1.5～2.0
1.5～2.0
出水馆
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