东江泵站前池最低运行水位的探究

东江泵站前池最低运行水位的探究

林乐荣

深圳市东江水源工程管理处 广东深圳 518035

摘要：本文利用东江泵站前池水位、西河潭隧洞进口水位、输水管路损失、水泵特性曲线等基本参数，通过计算，探究东江泵站前池最低运行水位是否可进行适当调整。

关键词：最低运行水位；有压启动；水泵气蚀性能；许用汽蚀余量；必须汽蚀余量

1 工程概述

东江水源工程是为长远解决深圳水源短缺问题，由深圳市政府投资建设的大型跨流域调水工程。工程自惠州市惠城区水口街道东江和马安镇西枝江分别取水，输水主干线全长106公里，经两级泵站提升，跨越惠州两区6个镇(街道)和深圳7区12个街道，在深圳经松子坑、西丽、铁钢、石岩四大水库调蓄后形成一个覆盖深圳全市的供水网络。

东江泵站位于惠州市惠城区水口街道东江上游约6km左岸的廉福地。东江泵站设计总装机台数为9台，分两期建成。东江泵站一期泵站总装机台数4台，3用1备，2001年12月28日正式建成通水，东江泵站一期泵站至西河潭隧洞进口为2根Φ2600的PCP、PCCP输水管，管长约7.65km；东江泵站二期泵站总装机台数5台，4用1备，2010年11月26日正式通水运行，东江泵站二期泵站至西河潭隧洞进口前后为2根Φ2600的钢管，中间为1根Φ3600的PCCP输水管，总管长约7.68km。

西河潭隧洞为无压洞，隧洞断面为4.1m×5.4m，隧洞全长4.89km。西河潭隧洞出口至永湖加压泵站进水池(不包含元山隧洞)均采用2孔3.2m×4.0m箱涵输水，箱涵总长约13.8km。元山隧洞为圆形有压洞，洞径为Φ5m，全长约1.47km。

西枝江取水泵站位于惠州市惠城区马安镇西枝江上游约3km左岸的老二山，是除东江泵站之外的第二个水源泵站。西枝江泵站设计装机台数为2台，1用1备，与东江泵站一起取水，两个泵站互为备用。

2 探究目的

东江泵站一期泵站原设计前池最低运行水位为10.30m，水泵安装高程定为6.10m；东江泵站二期泵站原设计前池最低运行水位9.91m，水泵安装高程与一期相同为6.10m。

取水口下游建有东江水利枢纽，为径流式电站，已建成运行十多年，正常蓄水位10.5m，回水至东江泵站取水口水位约为10.8m，正常情况下东江泵站可维持在原设计前池最低水位以上运行。但由于近两年东江流域连续干旱少雨，上游来水少以及东江水利枢纽的其他调度影响，东江水利枢纽水位持续低水位运行时间长，回水至东江泵站取水口水位低，导致东江泵站前池水位低于原设计的最低运行水位，为保证泵站及工程的正常运行，对东江泵站前池最低运行水位的探究。

3 计算论证

3.1 计算原则

通过东江泵站前池水位、西河潭隧洞进口水位、输水管路损失、水泵特性曲线等基本参数，计算东江泵站前池最低运行水位。

3.2 东江泵站一期泵站

(1)基本设计参数

东江泵站一期泵站基本参数如下：

进水前池水位：

正常运行水位(m)：10.76（珠基，下同）

最高运行水位(m)：18.16

最低运行水位(m)：10.30

泵站设计流量(m³/s)：11.25

装机台数(台)：4(3用1备)

(2)水泵技术性能参数

1)型号：VENU V1-1200.1000C

2)叶轮直径(mm)：1055

3)运行扬程：

最大扬程(m)：26.8

设计扬程(m)：21.6

最小扬程(m)：11.4

4)单泵流量(m³/s)：在扬程21.6m以下运行时，

单泵流量不小于3.75 m³/s

5)转速(r/min)：定速水泵额定转速495 r/min，

变速水泵额定转速495 r/min

调速范围510～302r/min

6)配用电机功率(kW)：1150

7)进出水管管径(mm)：DN1600/DN1400

8)水泵安装高程(m)：6.1

9）水泵运行工况效率和汽蚀保证值

2.1.3 东江泵站二期泵站

(1)基本设计参数

东江泵站二期泵站基本参数如下：

1)进水池水位：

设计运行水位(m)：10.12

最高运行水位(m)：19.03

最低运行水位(m)：9.91

2)泵站设计流量(m³/s)：15

3)扬程：

最大扬程(m)：30.5

设计扬程(m)：27

最小扬程(m)：11

4)装机台数(台)：5(4用1备)

(2)水泵技术性能参数

1)型号：VENU V1-1200.1000C

2)叶轮直径(mm)：1049

3)运行扬程：

最大扬程(m)：30.5

设计扬程(m)：27

最小扬程(m)：11

4)单泵流量(m³/s)：3.85

5)转速(r/min)： 495

6)配用电机功率(kW)：1400

7)进出水管管径(mm)：DN1600/DN1400

8)水泵安装高程(m)：6.1

2.2 东江泵站安装高程要求的前池最低运行水位

2.2.1 东江泵站一期泵站

东江泵站一期泵站水泵安装高程为6.1m，倒灌式安装方式，泵壳顶部高程约7.4m。如最低运行水位调整为8.60m，需满足的条件如下：

首先最低运行水位需要满足水泵的有压式启动方式，即启动运行水面必须比泵壳顶部高程7.4m高；

其次最低运行水位必须满足水泵汽蚀性能要求，即运行水位必须满足水泵吸上高度要求；

最后最低运行水位必须满足吸水喇叭口淹没深度要求，即最低运行水位时吸水口不产生漩涡或水面紊动等情况。

(1)根据水泵汽蚀性能复核

根据装置汽蚀余量的计算公式与水泵安装高度计算公式(倒灌式)：

—标准大气压水头(≈10.33m)

—常温下汽化压力水头(≈0.24m)

—吸水管路损失(≈1m)

—许用汽蚀余量，这是确定泵使用条件(如安装高度)用的汽蚀余量，它应大于必须汽蚀余量，以保证运行时不发生汽蚀。

许用汽蚀余量[NPSH]与必须汽蚀余量(NPSHr)的关系如下：

[NPSH]=(1.1～1.5)NPSHr，取1.5

当前池最低运行水位调整为8.60m时，结合出水池水位变化情况（主要受东江泵站运行机组台数影响），推算出一期泵站的扬程运行范围为26.8m~21.6m。通过查水泵特性表，可得吸出高度计算值如下表：

表2.2-1 东江泵站一期泵站水泵安装高度和装置汽蚀余量计算表

注：吸出高度hg为负值，表示水泵安装高程在对应扬程时可安装在工作水面之上的高度值。

如表2.2-1所示，东江泵站一期泵站水泵安装高程为6.1m，如前池最低运行水位调整为8.60m时，淹没深度为2.5m。而运行扬程范围汽蚀性能所要求的最低安装高度为-1.14m（工作水面之上1.14m），满足水泵汽蚀性能要求。

(2)根据水泵淹没深度计算

从东江泵站一期泵站综合厂房布置图上可以查得以下关键参数。

吸水口高程：3m

吸水喇叭管直径：2.6m

根据淹没深度要求，喇叭管垂直布置时，宜大于（1.0~1.25）D(D为喇叭管进口直径)。

如前池最低运行水位调整为8.60m，则

Z1=8.6-3=5.6＞1.25×D=3.25(m)

满足规范要求。

综上，前池最低运行水位如调整为8.60m，能满足淹没吸水喇叭口深度要求。

(3)结论

东江泵站一期泵站前池最低运行水位如调整为8.60m，能同时满足有压启动、水泵汽蚀性能和淹没深度要求。

2.2.2 东江泵站二期泵站

东江泵站二期泵站水泵安装高程为6.1m，倒灌式安装方式，泵壳顶部高程约7.4m。如最低运行水位调整为8.60m，需满足的条件如下：

首先最低运行水位需要满足水泵的有压式启动方式，即启动运行水面必须比泵壳顶部高程7.4m高；

其次最低运行水位必须满足水泵汽蚀性能要求，即运行水位必须满足水泵吸上高度要求；

最后最低运行水位必须满足吸水喇叭口淹没深度要求，即最低运行水位时吸水口不产生漩涡或水面紊动等情况。

（1) 根据水泵汽蚀性能计算

根据装置汽蚀余量的计算公式(倒灌式)：

—标准大气压水头(≈10.33m)

—常温下汽化压力水头(≈0.24m)

—吸水管路损失(≈1m)

—许用汽蚀余量，这是确定泵使用条件(如安装高度)用的汽蚀余量，它应大于必须汽蚀余量，以保证运行时不发生汽蚀。

许用汽蚀余量[NPSH]与必须汽蚀余量(NPSHr)的关系如下：

[NPSH]=(1.1～1.5)NPSHr，取1.5

当前池最低运行水位调整为8.60m时，结合结合出水池水位变化情况（主要受东江泵站运行机组台数影响），推算出二期泵站的扬程运行范围为30.5m~22.8m。通过查水泵特性曲线，可得吸出高度计算值如下表：

表2.2-2 东江泵站二期泵站水泵安装高度和装置汽蚀余量计算表

注：吸出高度hg为负值，表示水泵安装高程在对应扬程时可安装在工作水面之上的高度值。

如表2.2-1所示，东江泵站二期泵站水泵安装高程为6.1m，当前池最低运行水位调整为8.60m时，淹没深度为2.5m。而运行扬程范围汽蚀性能所要求的最低安装高度为2.01m（工作水面之下2.01m）。说明满足水泵汽蚀性能要求。

(2) 根据水泵淹没深度复核

从东江泵站二期泵站综合厂房布置图上可以查得以下关键参数。

吸水口高程：3m

吸水喇叭管直径：2.6m

根据淹没深度要求，喇叭管垂直布置时，宜大于（1.0~1.25）D(D为喇叭管进口直径)。

如前池最低运行水位调整为8.60m，则

Z1=8.6-3=5.6＞1.25×D=3.25(m)

满足规范要求。

综上，前池最低运行水位调整为8.60m，满足淹没吸水喇叭口深度要求。

(3) 结论

东江泵站二期泵站前池最低运行水位如调整为8.60m，能同时满足有压启动、水泵汽蚀性能和淹没深度要求。

2.3 东江泵站最大扬程限制的最低运行水位

最大扬程与前池水位、西河潭隧洞进口水池水位、管路特性、一二期开机台数和流量等相关。

先假定进水池水位，建立西河潭隧洞进口水位、输水管路损失、水泵特性曲线、单机流量和总流量的联立方程组，具体如下：

一期、二期前池水位(Z1、Z2)和开机台数为已知，设一期、二期的总流量分别为Q1、Q2，对应的水头损失和扬程分别为f(Q1)、f(Q2)和Yc1、Yc2，西河潭隧洞进口的水深为h、水池水位为Z3，总流量Q=Q1+Q2，则

h=f(Q)，

Yc1=f(Q1)+Z3-Z1

Yc2=f(Q2)+Z3-Z2

利用一期、二期水泵特性曲线函数q1(x)、q2(x)分别自动查出Yc1、Yc2对应的流量为Q1＇、Q2＇

Q1＇=q1(Yc1)

Q2＇=q2(Yc2)

Z3＇=西河潭隧洞进口水池底板高程+f(Q)+超高

给定初值Q1、Q2、Z3，通过试算至Q1≈Q1＇、Q2≈Q2＇、Z3≈Z3＇时结束，计算结果见表2.3-1。

表2.3-1 东江泵站机组工作扬程与流量计算表

从表2.3-1中可以看出：当水泵扬程不超出最大设计扬程、二期泵站前池水位为8.6m时，不管一期泵站是否开机，二期泵站都可开4台机组；当一期泵站前池水位为8.6m、二期不开机时，一期泵站可开4台机组；当一期泵站前池水位为8.6m、二期开4台机组时，一期泵站最多开2台机组（1、2号开一台，3、4号开一台）；当一期泵站前池水位为8.6m、二期开3台机组时，一期泵站可开3台机组；当东江泵站一期泵站前池水位不低于9.3m、二期泵站开4台机组时，一期泵站可开3台机组。

3 结语

通过计算分析表明：东江泵站（一期、二期）前池最低运行水位可以适当降低，具体情况应视泵站实际情况进行确定，建议下一步通过实际运行，察看是否具备调整最低运行水位条件。

36