千米扬程梯级泵站的调试运行

杨建中

千米扬程梯级泵站的调试运行

杨建中

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

张家口市区、崇礼县补水一期工程从云州水库调水至崇礼县滑雪场主蓄水池，以解决2022年冬奥会各滑雪场地的供水水源问题，总提水高度1029m，由10级梯级泵站和3条隧洞组成。该工程技术复杂，冬季运行条件恶劣，设计中采用了岸边式取水口布置、泵站级数优化和扬程匹配、无压隧洞加有压管道的输水系统、泵站进口调压塔的设置、大容量立式内胆式水锤消除罐以及高压变频机组等技术。经过18d的首次充水和调试运行，一次性试车成功，并随即完成了第1个雪季的供水。为长距离、高海拔、高扬程地区梯级泵站的设计、施工与运行积累了经验。

冬奥会；崇礼县滑雪场；千米扬程；梯级泵站；调试；运行

1 概述

张家口市区、崇礼县补水一期工程从云州水库引水至崇礼县翠云山顶主蓄水池(海拔2055m)，总提水高度1029m，设计流量0.4m3/s，供水时段为10月至次年3月，供水量为每个雪季484万m3，可满足千万平米雪道的造雪要求，为2022年冬奥会的举办提供水源保障。该工程跨越白河、清水河2个流域，设置了10级梯级泵站以及21.89km的压力管道和8.11km的无压输水隧洞。历经5年的施工，该工程于2015年10月基本完工，具备了试运行条件。2015年10月23日～11月9日，进行了联合试运行，一次试车通水成功。并随即开始了第1个雪季的供水，供水总量60万m3。通过此次的充水、试车、调试、运行检验，工程达到了设计要求和建设目标。本文对此次的调试过程作一介绍。

2 工程布置及主要设备

2.1 工程总体布置

本工程供水保证率为90%，设计取水最低水位为云州水库死水位，即1026.67m。取水口处现状库底高程低，上游植被好，水库淤积量小，具备岸边式取水口的条件。由于死水深较大，配合真空泵，将最低取水水位调至1024.1m，进一步提高了供水可靠程度，减小了结冰影响。

该工程全部位于山区，末端山势陡峭。共设10级梯级泵站，其中干线设4级泵站，支线设6级泵站，干线泵站均预留远期2台水泵位置，一期工程均为3台水泵，2用1备。

取水口设在库区内，泵站布置在岸边，采用开敞式进水口，竖井式泵房。其余9级泵站泵房为半地下式干室型，均设前池，前池与无压隧洞兼作上一级泵站出水池。由于干线4级泵站吸水管道距离长，高差大，为了降低吸水管内的水锤压力，保证水泵的安全运行，干线4级泵站内设置了溢流式调压塔。

输水管道为0.6m直径的压力钢管，局部0.8m。沿线设置35座检修阀室、进排气阀井36座、放水井7座、流量计井10座。

管道沿线布置了3条隧洞，其中干线2条，支线1条，均为无压隧洞，纵坡为1/5000。隧洞采用城门洞型，过水断面均采用钢筋混凝土衬砌，衬砌后隧洞宽1.8m。隧洞进出口和压力管道连接处设连接井，井口设溢流设施。

各站之间管道的参数见表1。

2.2 水泵

一期工程各泵站均为3台水泵，2用1备，其中2台变频，1台工频。水泵均为单级双吸离心泵，单泵流量0.2m3/s，水泵进水管上设手动偏心半球阀1个，用于检修水泵；在水泵出水管上设多功能水泵控制阀和手动偏心半球阀各一个。

表1 各站之间管道参数

2.3 大容量立式内胆式水锤消除罐

空气压力罐的用途是为了防止水锤压力及水位波动对供水系统的危害，使输水系统平稳地从一个状态过渡到另一个状态，当发生水锤，输水管内压力升高时，罐内空气被压缩，起气垫作用；当输水管内形成负压时，向管道补水。干线1、2级泵站各设置2台10m3的空气压力罐，干线3级泵站和支线1、3、6级泵站各设置2台6m3的空气压力罐。

3 梯级泵站调试运行原则

3.1 目的及特点

为了保证各级泵站的安全稳定和高效经济运行，实现各级泵站间的流量匹配，避免造成前池溢流或抽空，减小输水管道水锤压力波动，同时为泵站自动化控制提供依据和流程。

本工程的特点为梯级输水，共10级泵站，中间不分水，各级泵站为等流量输水。

3.2 泵站初次充水运行

管道通水准备工作和水泵启动前的准备工作全部合格，启动水泵前应确保出口偏心半球阀处于关闭状态；充水时先开启取水口泵站1台变频水泵，稳定后逐步开启水泵出口处偏心半球阀，通过变频装置使水泵降速运行，以达到充水流量，必要时配合水泵出口偏心半球阀开度调节。管道初次充水应控制充水流速，并检查管道沿线排气阀的排气状态，当沿线所有排气阀停止排气后，输水管道全部充满，充水过程完成。取水口泵站输水管线充水完成后，维持泵站流量不变，再进行干线2级泵站输水管线充水。当干线2级泵站前池内水位达到启泵水位后，启动一台水泵，程序同前。干线2级泵站充水流量应和取水口泵站流量一致。重复上述步骤逐步开启下级泵站，直至完成管线全线充水。

3.3 泵站正常启动或事故检修后重新启动水泵

干线第4级泵站与支线第1级泵站之间通过无压隧洞和压力管道连接，因支线第1级泵站进水池溢流管高程较低，该段隧洞和管道中的水需在每次停泵时抽空，否则会溢流。因此需在支线第1级泵站开机前再次向隧洞和管道充水。其余各级泵站压力管道可保持有水。

从取水口开始依次启动各级泵站，以前池内水位作为联动和联控的依据。各站依次先开启一台水泵投入运行。下一级泵站在上一级泵站开启后经延时，同时前池水位达到启泵水位后开启。每级泵站根据要求的输水流量和需开机台数，依次开启水泵。先投入变频泵运行。根据实时的输水流量、扬程，依据水泵变频特性曲线，确定水泵电机运行频率。在水泵的流量、扬程参数达到设计工况时，可切换至工频运行。

3.4 泵站正常停机

泵站正常停机时先同时关闭干线第1～4级泵站，经延时，待干线第4级泵站与支线第1级泵站之间隧洞和管道中的水将被抽尽时，再同时关闭支线各级泵站。正常停机时，若运行机组台数为2台，需依次关闭，间隔3～5min，待管线水锤压力震荡结束后，再关停另一台水泵。停泵时，先关闭水泵出口阀门，再关闭水泵。水泵关闭后，若间隔时间长，则打开水泵下部泄空阀，排空泵腔内积水，对机组按正常程序进行保养。

3.5 泵站事故停机

当干线某级泵站突然断电，应同时关闭干线其他泵站，关闭按正常停机程序进行。干线泵站停机后，支线泵站继续运行直至将隧洞内水抽至末端水池。支线泵站待支线1级泵站清水池水位降至停泵水位后，支线泵站按正常停机程序进行。

当支线某级泵站突然断电，应同时关闭干线各级泵站和其余支线各级泵站。此时，干线第4级泵站与支线第1级泵站之间隧洞和管道中的水只能通过支线第1级泵站进水池溢流管流失。

当干线某级泵站扬水管突然爆管，此时应同时关闭干线各级泵站，并及时关闭事故点下一级泵站前池进水阀门。干线泵站停机后，支线泵站继续运行直至将隧洞内水抽至末端水池。支线泵站待支线1级泵站前池水位降至停泵水位后，支线泵站按正常停机程序进行。

当支线某级泵站扬水管突然爆管，此时应同时关闭干线和支线所有泵站，各泵站水泵紧急停机，同时关闭事故泵站下一级的前池进口阀门。

4 梯级泵站调试运行过程

4.1 准备工作

包括供电线路、电气设备的检查和投运；各类水力机械设备和金属结构设备的检查与维护；沿线进排气阀处于开启状态，检修阀门处于开启状态，泄水阀处于关闭状态；所有建筑物的检查和清理等等。

4.2 泵组的运行准备

关闭水泵出口阀门，打开泵盖和多功能水泵控制阀上的排气装置，进行充水，由于水泵均为填料密封，在启动前先充水浸润8h以上。盘动联轴器，检查机组转动是否灵活轻便，泵内是否有不正常的响声和异物。解列电机，电机进行变频和工频的空载试验后再连接上水泵。试验正反转后准备工作完成。

4.3 立式内胆式水锤消除罐的运行准备

首先关闭空气压力罐与主管道连接的进水阀门，打开空气压力罐排水阀门。按水锤计算的预设压力从注气孔注入压缩气体，可以采用惰性气体或压缩空气，本次采用压缩空气。充气完成后关闭排水阀，检查是否有泄露情况。注入气体完成后，应在24h内启动水泵，开启检修阀向橡胶内胆内注水，防止橡胶内胆因长期受压导致影响使用寿命。管道内水放空时应同时卸掉压缩气体。

在出水管道充满水后打开罐体进水阀门。本次控制在水泵出口压力达到额定压力的60%后开启进水阀门。

4.4 调试过程

以干线4级泵站为例，简述单泵的充水调试运行过程。

(1)打开水泵出口阀门，利用上游水头充水平压后再关闭。对于泵后管道下翻的水泵尤其关键。

(2)先开启2号变频泵，试验最小频率，从38Hz起，至42Hz时泵后压力和流量开始增加，稳定3min后以1Hz的步长升至47Hz，然后将步长减小为0.5Hz至0.2Hz，压力管道出口满管出流时达到了额定流量，此时频率为48.2Hz。

(3)稳定运行，向隧洞内充水。同时检查管道沿线及各建筑物的运行情况。

(4)进行水泵切换。调整2号变频泵的流量，同时打开1号变频泵，开泵频率43Hz，稳定后停2号变频泵。

(5)按照2号变频泵的升频程序，使1号泵达到额定流量。

(6)将下一级泵站前池水位充满后，停1号泵。

(7)本级泵站充水调试完成。

其余各站基本按此程序完成了充水和调试运行。各级泵站的单泵运行最小频率(小流量时)和达到额定流量时的运行频率见表2。

表2 各级泵站单台变频泵运行频率汇总

通过此次调试，可以看出空气压力罐作用明显，支线3级泵站停泵水击压力为工作压力的1.2倍；变频水泵启动和运行稳定，最大电流为额定电流的0.7～0.9倍，起到了节能、安全、稳定的作用。

4.5 联合调度

梯级泵站的难点和重点是联合调度和各站之间流量的适配，同时也是自动化系统的落脚点。本工程自动化系统包括自动监控系统、视频监视系统和语音通信系统，分为2级控制。中控室位于管理处，设置监控工作站、数据服务器和打印机等，进行全线各现地站的监控和数据存储。各级泵站现地设置集中控制设备和现地控制设备。

考虑到流量受水泵性能和计量误差的影响，各站不以流量计数值统一作为联控的主要依据，而以流量值的范围作为报警和事故信号。主要控制信号为读取的各站前池水位，各站的前池水位同时也是上一级站的出水池。根据泵站的布置，前池内设定死水位、最低运行水位、启泵水位、最高运行水位和溢流水位等，以保证前池不溢流和不抽空为控制原则。最高运行水位至溢流水位之间容积150m3，事故情况下在最大设计流量时仍有6min的调节时间，通过本次调试证明时间足够。当超过最高或最低运行水位时，本级水泵开始调节，稳定后调节上一级或下一级水泵，依次类推，直至平衡。调整的步长仍需要在运行中逐渐摸索。

单站调试完成后，随即开始了第1个雪季的供水。由于用水量小且工程属于试运行阶段，故采用单泵供水，供水流量维持在600m3/h左右，根据下游工程和雪场情况进行了断续供水，同时对联合运转和自动化控制进行了进一步调试，共供水60万m3。供水期间历经了断电停泵、开停机、流量调整和10级泵站的联调联动等各种工况，甚至包括了误操作，整个供水过程说明工程及设备运转正常，经受了50年一遇极寒天气的考验，基本达到了设计要求。

5 结束语

(1)工程首次充水调试并试运行的成功，验证了设计思路和设计理念的可靠，并为2022年冬奥会的顺利举办提供了坚实的水源保障。

(2)工程位于张家口赤城县和崇礼县境内山区，地形、地质条件复杂，路由选定难度大，对设计、施工和设备的要求高。该工程的顺利通水，泵站级数之多，总扬程之大，在河北省尚属首例，实现了河北省水利工程一个新的突破，在长距离、高扬程引调水工程设计中也具有一定的代表性。

(3)泵站级数确定合理。选择单级离心泵、几何扬程控制在150m以内、管材压力等级控制在2.5MPa、空气压力罐容积控制在10m3等条件满足了工程使用和运行的可靠度要求，同时也突破了已建类似工程的扬程范围，减少了泵站级数，节省了运行管理人员和费用。

(4)由于是初次运行，自动化控制和程序编制需要进一步完善，运行人员的熟练程度需要进一步磨合，操作经验和操作手册需要进一步优化，才能使得工程的运行更加规范和可靠。同时，为类似工程积累更丰富的经验。

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1672-2469(2017)03-0066-04

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.025

2017-01-17

杨建中(1972年—)，男，教授级高级工程师。