浅谈移动式取水泵站设计与应用

奚兰美

（江苏河海给排水成套设备有限公司，江苏泰州 225403）

在江河湖泊或山区水库边建造汲水泵站，传统办法是先围堰筑坝，将围堰区域内的水全部抽干，建造泵房，再安装水泵、阀门、管路、控制等。其特点是：①施工周期长，围堰工作量大，费用高；②泵房造价高，水位落差越大，泵房造价越高；③因取水口固定在低水位以下，取出的水永远是底层的原水，泥砂含量较高；④进水管一直沉在水底，如遇污物堵塞，无法发现且清理困难；⑤泵站建设时对环境影响大，安全系数低。

为了克服传统汲水泵站建造使用时存在的缺点，针对不同特殊取水要求，研发出现了移动式取水泵站。移动式取水泵站适合在江、河、湖泊、水库边汲水，制造简单方便，周期短，造价低；取水效率高，水质好，安全可靠；不受水位变化、涨落频率变化等因素的影响。主要应用作为自来水厂、电厂、化工厂、生物制药厂、造纸厂、水利灌溉、矿场等工程的永久性取水设施及各类大型工程建设时的临时取水设施。

移动式取水泵站是个系统工程，涉及到船舶、电气、给排水、高低压控制系统、PLC自控系统、防腐学、材料学、力学等多门专业。现以武凯迪绿色能源开发有限公司1×30 MW机组配套的移动式取水泵站为例，阐述移动式取水泵站的设计、性能等方面的技术。

1 移动式取水泵站的结构设计

武汉凯迪电厂的泵站取水水源为湘江干流祁阳段，取水口位于厂区东面，湘江西岸。取水口河岸现为沙场，该河段含沙量较小。取水口河段的设计洪水位为85.26 m（P=2%），取水口断面枯水位为68.76 m（P=97%）；水流最大流速为2 m/s。

根据以上工况，我公司为该项目设计了长14 m、宽6 m、深1.3 m的泵船。移动式取水泵船平面布置见图1。

图1 移动式取水泵船平面布置图

泵船主要有船体3、泵房11、摇臂输水管12、悬臂梁4组成。在船体泵房内安装了两台水泵5，一用一备，在水泵的进水端安装真空引水罐9，通过吸水弯管2从河中吸水，吸水弯管的外围装有拦污栅罩1，防止水中漂浮物进入吸水管，在水泵的出口端装电动蝶阀6和微阻缓闭止回阀7。第一次启动泵前，先关闭电动蝶阀，开启真空引水罐的注水管和溢流管的阀门，向真空引水罐内注入清水，随注入水位升高筒内和泵体内空气逐渐被排出，当真空引水罐溢流管口有水流出时将溢流口和注水管的阀门关闭。然后启动水泵，打开电动蝶阀，水泵抽吸水筒的储水，随着筒内水位的下降，空间容积不断增大，因真空引水罐处于密闭状态，此时罐内压强下降，形成负压，随着水的不断外排，筒内真空度增高，当液面下降达到一定的负压后，在大气压作用下吸水弯管下的水不断地被吸入筒内，水泵开始正常工作。当水泵发生故障不能工作时，由于水压的作用水会倒流，微阻缓闭止回阀关闭，将消除水锤对水泵的影响。在摇臂输水管的两边安装了悬臂梁，可抵抗水流、风浪对泵船的推力，泵船通过旋转套筒15与摇臂输水管连接，摇臂输水管通过旋转支座16与岸主支墩相连。当河内水位升降时，水对船体向上、向下的推动力带动摇臂输水管沿岸边支墩轴上下摆动，实现移动式取水泵站随着水位涨落而自动升降，水泵与吸水口的位置始终保持不变。最高和最低水位移动泵站横剖面见图2。

图2 最高和最低水位浮动泵站横断面图

2 设计移动式取水泵站的注意事项

2.1 移动式取水泵站取水位置的选择

移动式取水泵站取水虽有较强的适应性，位置选择不像固定式取水构筑物那样要求严格，但如位置选择不当，同样会给供水安全、运行管理带来不良的后果。在确定移动式取水泵站取水位置时，除应选择满足河岸较为稳定、没有严重的冲刷或淤积，并能保证取得所需要的水量和良好的水质，离用水单位近，施工方便等一些基本条件外，尚应注意以下几点：

（1）河岸坡度要适宜。主要是指位于洪水位以下既不过缓、也不太陡的河岸。坡度过缓会增加摇臂输水管的长度，当摇臂输水管长达到50 m时，则不适宜用1根摇臂输水管；坡度过陡虽可缩短摇臂输水管的长度，但也会给移船操作、上下交通及摇臂输水管施工带来困难，工人上下船操作管理很不方便。河床中有突出河底的礁石等障碍物处，不宜选作移动式取水泵站取水位置。

（2）水流要求平稳，应避开大的洄流、急流和大风浪区。在大洄流区，洪水期有大量漂浮物聚集，易堵塞吸水头，废水在洄流区也不易排走，水质不良，同时也常有泥沙沉积，影响取水。急流区，流速大，浮船不易锚固，易被漂木、行船碰撞，常发生缆索被撞断，船体被撞坏、冲走等事故。因此，取水位置宜选在水流平稳、河道平直的河段上。

（3）不受江河航行、放筏的影响。移动式取水泵站位置要与航道保持一定距离，以免相互碰撞。

（4）枯水期间应有足够的水深。水深应根据浮船吨位、吃水深度确定。对于一般浮船水深最好为2 m或更大些，如水深不足，稍有淤积，浮船将会搁浅。因此，在决定浮船取水所在位置的水深时，应充分考虑到淤积情况和冲淤变化，设计水深应留有余地。

2.2 摇臂输水管的计算

一般情况下，摇臂输水管较长，自重大，受力复杂，必须进行强度与刚度计算。如不能满足设计要求，就须加固。加固后，按新的组合断面重新复核。

摇臂输水管可按简支梁的公式计算。

作用于摇臂输水管的载荷，一般考虑以下7项，并应根据摇臂输水管的具体使用条件进行组合运算：

（1）垂直方向均布荷载，如：摇臂输水管自重、水重。

（2）水平方向均布荷载，如：风力、水流对摇臂输水管的作用力。

（3）加速附加应力，即：在风浪的作用下，船体突然起伏产生的加速对摇臂输水管造成惯性作用而产生的一种弯曲应力。

（4）管内水压力。

（5）船受风浪、水流作用产生的推拉力，当锚缆失效且风向、水流方向与摇臂输水管一致时，作用于摇臂输水管的力为风力与水流作用阻力之和。

（6）船体纵向颠簸产生的扭矩，其值等于套筒接头的摩擦力矩。

（7）活动荷载，联络管作为交通或考虑检修时的活荷载。

摇臂输水管最大挠度计算公式：

式中：

f—摇臂输水管最大挠度，cm；

q—单位长度荷载，kg/cm；

L—摇臂输水管长度，cm；

E—弹性模量，kg/cm2，对于钢E=2.1×106kg/cm2；

J —惯性力矩，cm4；

［f］—允许挠度，cm。

对于加固后的J值应按加固后的整个截面计算，允许挠度［f］为L/200～L/300。

2.3 运行平衡问题

摇臂输水管和悬臂梁均布置在靠岸边一侧，上水时必然产生不平衡，所以在临水侧，必须设置平衡压载舱，依靠灌注水来保持平衡。

2.4 移动式取水泵站的锚固形式

锚固设施应根据取水河段地形地质、水文条件（如流速、风浪、水位变幅及涨落速度、有无洄流等）及航行等因素确定。锚固一般分为岸边主摇臂及辅助悬臂、岸边系留与船艏艉抛锚、岸边系留与船艏艉抛锚增设角锚3种形式：

（1）岸边主摇臂及辅助悬臂，适用于水库上的小型浮船，风速及水流速度较小的情况。

（2）岸边系留与船艏艉抛锚，适用于水面较宽对航行影响较小的河段，可适应浮船向岸边或江心移动，操作方便。

（3）岸边系留与船艏艉抛锚增设角锚，适用于水流湍急，水面宽阔，岸边平坦，浮船停泊位置距岸较远又不影响航行的河段。其锚固可靠，但布置复杂，一般较少采用。

3 移动式取水泵站的优点

通过对不同工况移动式取水泵站的设计、应用实践，总结出移动式取水泵站有以下优点：

（1）适用于江、河、湖泊边的各种取水工程，水位涨落变化时，浮动泵站随着水位涨落而自动升降，水泵与吸水口的位置始终保持不变；水泵吸水口一直保持在液面以下1～2 m的位置，取出的水泥砂含量低，污物少。

（2）不论取水口是否需具备通航条件，都能建造浮动泵站。

（3）泵站稳性提高，满足三仓进水泵站不沉的设计理念。

（4）与土建泵房相比，无需围堰施工，工程进度加快，工期缩短，造价降低（水位落差越大，造价节省越明显），且施工简单、安全，对周边环境影响小。

（5）解决了固定泵站进水管埋在水底易堵塞且难清理的问题。

（6）安全设施齐全，使用放心可靠。

（7）配备起吊设施，检修保养方便。

（8）摇臂接头密封可靠，转动灵活。