大同市册田水库引水更新改造工程设计综述

张 铎

（大同市供水有限责任公司，山西 大同 037000）

1 工程概况

大同市册田水库引水工程，是20世纪80年代末期，为缓解大同市水资源紧缺建设的第一项地表调水工程，于1989年开工，1993年建成投运。工程从册田水库坝下取水，经过四级泵站加压，采用48.7km长的DN1200预应力钢筋混凝土管道输水，经文瀛湖水库调蓄后向大同二电厂和市区供水。一至三级泵站设计引水流量1.7m3/s，采用专用供电线路，各站建有35kV变电站1座，2000kVA变压器2台，24SA-10型水泵3台，2用1备；一至三级泵站总扬程155.19m，工作扬程207.04m。四级站设计供水流量1.5m3/s，年供水量4730万m3，供水保证率95%，建有10kV变电站一座，1000kVA变压器2台，16SA-9型水泵6台，4用2备，地形扬程4.9m，工作扬程32.4m。四级泵站装机总容量8130kW，工作总扬程239.44m。

引水工程运营20多年来，不仅向大同二电厂、同煤集团等工业企业供水，同时兼顾向文瀛湖和御河生态补水。工程为充分利用册田水库地表水，置换供水区地下水，有效缓解地下水资源过度开采，发挥了重要作用，取得了良好的社会效益、经济效益和环境效益。

2 工程内容与标准

册田水库引水工程运营多年来，泵站的机电设备和引水管道老化严重，运行效率低下，事故隐患较多，严重影响泵站运行的安全性。

2.1 泵站安全鉴定

2017年11月，大同市水务局组织专家对册田引水工程进行泵站安全鉴定，鉴定结论为大同市册田水库引水工程一至三级泵站主副厂房为三类建筑物，四级泵站主副厂房为四类建筑物，一至四级泵站机电设备及金属结构为四类设备，混凝土压力管道为四类建筑物，册田水库引水工程泵站综合安全类别评定为四类泵站，按照国家《泵站安全鉴定规程》（SL316-2004）规定，应进行更新改造。

2.2 改造工程任务和规模

工程建设任务是对册田水库引水工程泵站和引水管道进行更新改造，恢复原供水能力，置换供水区地下水。设计供水流量1.5m3/s，年供水量4730万m3，供水保证率95%。

2.3 改造内容

工程主要建设内容是对一至三级泵站厂房及辅助建筑物进行维修加固，四级泵站厂房重建，泵站机电设备更换，将46.8km长DN1200混凝土管道更换为球墨铸铁管。

2.4 改造工程设计标准

工程等别为III等，主要建筑物级别为3级，引水管道及阀室防洪标准为30年一遇，100年一遇校核。抗震设防烈度为VIII度。

3 改造工程设计

泵站改造设计依据《泵站更新改造技术规范》（GB/T50510-2009）规定，确保安全可靠运行、充分发挥效益、提高装置效率，达到安全、高效、经济运行的目的。更新改造后泵站工程完好率达90%以上，设备完好率达95%以上，离心泵站设计工况的装置效率达到55%以上。

3.1 建筑物

为了满足建筑节能保温要求，对泵站建筑物原结构外墙设计铺设岩棉保温板和喷涂外墙涂料，门窗由原来的木窗更换为断桥铝双层中空玻璃窗户，屋面重新铺设防水保温层，使原有建筑物满足了节能、保温、密封、隔音、防水等设计使用功能。

新、老混凝土的连接，是泵站更新改造常见问题，应通过科学处理使新老混凝土结合成一个整体，否则达不到设计要求。要注意新老混凝土的连接除了凿毛外，必要时还要增加锚筋或采用新工艺，才能有效避免结构受力的破坏。

3.2 泵站参数设计

根据工程现状，本次改造设计泵站位置和设计流量不变，只对原管道进行重新优化。通过调整三级站出水池位置，降低地形高程，重新计算管路系统水头损失，从而确定水泵的工作扬程。通过水力计算，一至三级泵站工作扬程由原来的207.04m降到179m，详见表1。

表1 一至三级泵站工作扬程统计表单位：m

3.3 主水泵

泵站主水泵选择，根据其使用条件不同，需满足抗汽蚀、抗磨损和耐腐蚀要求，泵型根据泵站参数复核的结果优化选择。一至三级泵站选用卧式单级双吸离心泵，叶轮、泵轴、轴套、密封环选用不锈钢材质，轴承选用进口SKF轴承，水泵密封由原来使用填料密封变为机械密封，通过采用变速调节技术措施来满足泵站间流量匹配需要，改变原来通过调节出水阀开度来改变流量的操作方法，提高了水泵运行效率和使用寿命。

3.4 电气设备

泵站原有电气设备均已不能满足安全运行需要，因此，本次改造工程对泵站及其变电站电气设备全部进行优化设计，重新选择。结合原变电站布置位置和设备基础情况，将原35kV露天变电站改造为室内变电站。

高低压配电设备考虑厂房实际情况下全部更换，其中，高压开关柜型号为KYN28A-12，内配ZN63-12型真空断路器、LZZBJ9-12型电流互感器等，低压配电屏型号为MNS型。电容补偿柜选用比较先进的成套无功自动补偿装置，采用分部投切方式。主变压器原来为SL7型-2000/35型号，该设备为高耗能淘汰产品，现改造为节能环保的S13型。站变选用SCB型干式变压器。主电机原来为工频电机，在运行中通过压出水阀的开度来调节流量，机组工作效率较低。为了利于多级泵站的调度运行，设计主电机为变速调节，来改变主水泵转速，扩大主机组的扬程和流量运行范围。同时，将主电机电压等级由原来6kV变为10kV，提高机组运行效率，降低能源损耗。

4 关键技术设计

4.1 水锤防护

原来泵站水锤防护使用水锤消除器，泄水量较大，时有动作不灵敏问题。本次设计重新计算水锤，为了防止系统突然断电，机组倒转对部件造成破坏，在水泵出水管上采用液控蝶阀和压力泄放阀联合防护，作为水泵事故水锤防护阀。当停机或断电时采用两阶段关闭，能有效防止破坏性水锤，将倒转速度限制在规定范围内。

根据水泵特性参数、供水管线布置、管道长度、管径、管材、阀件组成及排气阀设置等参数，利用水锤分析软件进行计算，最终确定出口阀门关闭规律和防护方式。一至三级泵站水泵事故停机瞬时计算见表2。

表2 一至三级泵站水泵事故停机瞬时计算表

4.2 自动化系统

针对各级站原有控制、保护、测量、通讯等设备陈旧落后，根据泵站的规模、地位和作用以及实际运行管理需要，按照安全可靠、方便实用、技术先进、经济运行的原则，设计采用计算机监控技术，实现泵站综合自动化和全线信息化管理，对泵站进行综合自动化系统改造，该系统由监控系统、微机保护、计量、通讯等几个部分组成，将实现集信息采集、传输、优化调度与自动监控于一体的现代化泵站管理功能，实现优质安全运行，提高泵站运行管理水平和工作效率。

4.3 引水管道设计

引水管道原来为预应力钢筋混凝土管道，承插口连接。经过20多年生产运行，O形胶圈老化易脱落，管身钢筋锈蚀严重，承压能力降低，在运行中经常发生决口漏水事故。

本次设计管材使用耐防腐、强度高、寿命长的球墨铸铁管，管道接口采用T型防滑脱橡胶密封圈连接，内防腐采用水泥砂浆保护层，外防腐采用喷锌和沥青漆，通过锌与铁的电化学作用，对管道外壁起到主动保护作用，增强管道的防腐性能。设计改造管线在穿越高速公路和铁路时，为了降低投资费用，利用路下原有DN1200混凝土管道为套管，通过内穿DN1100钢管进行改造，水头损失满足设计流量和压力要求。

4.4 排气阀设计

原来DN1200引水管道上安装为DN100双口自动排气阀，由于线路上排气阀整体数量偏少、排气量偏小。在管道空管充水时排气慢，易形成压缩空气，或者抢修泄水时在管道内易形成负压，造成管口胶圈漏水事故。本次改造通过重新计算，确定使用DN200组合式空气阀，加大进气量和排气量，避免在管道内形成负压、断流、排气不畅等现象，确保管道运行安全。

同时，结合工程管理实际经验对排气装置进行优化设计，在主管道顶面开DN500人孔，焊DN500钢制短管，与DN500盲板法兰连接，将DN200空气阀安装在DN500盲板（开DN200孔）上面，这样排气井不仅能够具有进气、排气功能，还能够打开DN500盲板排除管道内积水或者进入管内进行维修，排气井兼具排气、排水、维修三种功能。

在管道上蝶阀的两侧各设计安装一套排气装置，蝶阀井兼具控制、排气、排水、维修四种功能，这样能够实现一井的多功能使用。

5 结语

册田水库引水更新改造工程目前已完成80%以上，工程全部实施完成后，可恢复原设计供水能力，工业供水和生态补水全年可达到5010万m3，生态补水占总供水量的72%。预计全年供水总收入可达到1.4亿元，上交各项税金0.14亿元，利润0.3亿元。册田水库引水更新改造工程不仅能够实现提质增效，而且社会效益也相应提高。按照市委、市政府提出的大力实施治“五河”、连“五库”、延“两线”的生态治理要求，逐步延伸册田引水支线，充分利用当地地表水资源，优化水资源配置，提升水生态环境，实现市区河道水量丰起来、水质好起来、风光美起来的生态环境，为大同市的绿色发展、经济发展、跨越发展做出新的更大贡献。