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泵船和固定式泵房的优势与劣势及适用性探讨

类别:行业资讯 发布时间:2020/8/10 浏览人次:1756

引言

取水构筑物的类型可分为固定式取水构筑物和活动式取水构筑物两类。无论何种型式的取水构筑物,选择位置时都应考虑以下基本要求:①设在水质较好地点;②具有稳定河床和河岸,靠近主流,有足够的水深;③具有良好的地质、地形及施工条件;④ 靠近主要用水地区 ;⑤应注意河流上的人工构筑物或天然障碍物 ;⑥避免冰凌的影响;⑦应与河流的综合利用相适应。

根据 GB 50013-2006 《室外给水设计规范》规定,当水源水位变幅大,水位涨落速度小于 2.0 m/h, 且水流不急、要求施工周期短和建造固定式取水构筑物有困难时,可考虑采用浮船等活动式取水构筑物。随着取水技术的发展,这种适用于特殊环境取水要求的取水设备——泵船,已经在各个经济领域给排水工程中广泛应用。

泵船与固定式泵房,二者各有优点,也都存在劣势。

泵船

简介及适用性

泵船是利用船舶作为水泵机组的工作平台,泵船随着水位的升降自动升降,吸水口距水面距离保持不变而使水泵将水抽升直供用户或至储水池的成套设备,主要由泵船、水泵、真空系统、阀门、摇臂接头、输水管、起吊设备、人行栈桥、配电系统、自动控制系统、锚固系统等组成。

泵船设备间一般可分为上承式和下承式两种。上承式设备间其设备安装和操作管理简便,吸送水管可敷设在甲板面上,对船体结构有利,但重心高, 稳定性差,基础高,振动大;下承式设备间其水泵机组安装在船底骨架上,重心低,稳定性好,振动小,但操作管理和通风条件较差。

泵船配电设备的布置,可分为设置在泵船上和岸上配电室两种。前者,输电线路少,但占用泵船面积较大,采用高压电动机时,其安全条件更差;后者, 泵船面积小,安全条件优,特别是采用高压电源时更为有利,但当泵船设有多台水泵时,因每个机组需设一条输电线路,所以线路较多。

泵船的船体材质,可采用木质、钢质或钢丝网水泥。木质船体有投资较少、建造技术的掌握较为普遍的优点,但有强度低、容易腐烂、防火性能差和使用年限短等缺点;钢质船体因钢材量大其投资较木质船体高,但无木质船体的缺点;钢丝网水泥船造价较钢质船低,节约钢材,使用年限长,是一种较好的船体材质,但怕搁浅、碰撞和震动。

相较于固定式泵房,泵船取水位置选择还应满足以下要求:

根据《室外给水设计规范》及《泵站设计规范》规定,水源水位变幅大(一般在 10 m 以上),水位涨落速度小于 2 m/h,且水流不急时方可采用泵船。泵船位置应选择在水流平稳、且枯水期水深不应小于 1.0 m 的宽阔河面上。当水位涨落速度大于移船


速度时,不能保证泵船供水的连续性与安全性。

河床稳定,河岸的坡度不宜过于平缓,也不能太陡。特别是对水位变化迅速范围段的岸坡要求更为严格。在洪水位时不宜有漫坡地段,在低水位时不宜出现浅滩。河岸坡度过于平缓,不仅使联络管增长,给移船工作增加不便,也将增加移船次数。河岸坡度过陡,则使输水斜管的施工增加困难, 设备运输条件及移船操作条件变差。漫坡或浅滩更有使泵船搁浅、不能保证安全取水之弊。

对于水流湍急的河流,泵船位置应避开主流和大回流区。因主流一带水流较急,泵船不易锚固,且易被漂浮物或行船碰撞,不能保证泵船的安全;在大回流区,漂浮物聚集,容易堵塞吸水管网格, 不利于安全取水。

泵船位置宜选择在避风浪的河段。风浪大,使泵船颠簸甚巨,既不利于泵船的锚固,又给操作管理带来困难。目前泵船的锚固型式主要分为钢丝绳固定及旋臂固定,两者的造价根据岸边地形会产生较大的差距。

特点

投资小

因泵船不需要投资建筑复杂的水工建筑和泵房,不需要围堰施工,节省了高深度开挖基础、地基处理及泵房建造的土建费用,因而相对投资较小。对于水下地形复杂、地质条件不佳的取水口,减少的土建费用相当可观,可达到总投资 40%以上,且节省投资的比例随着取水口水位落差的增大而增大。

周期短

泵船设备制造周期比较短,不需要等到枯水期围堰后才进行施工,工程进度加快、工期缩短。

一般泵船建设周期约为 100 d 左右,并且无论取水口是否具备通航条件,都不影响泵船设备的建造和安装。对于具备通航条件的施工场地,泵船可采用整体式浮动泵站,泵站整体制造完毕后水运至现场整体安装;而对于不具备通航条件的施工场地, 可采用模块拼装式浮动泵站,泵站浮体实行模块化设计,分体制作,在取水口现场拼装成整体。

取水水质较好

泵船水泵吸水口能随着水位的升降而升降,实现表层取水。一般宜保持在取水面以下 1.5~2 m 深度取水,并宜在河道凹岸带,此处水沉淀物少,水质较好,取水的水质有保证,特别是对于水源河流水质较差,水体较浑浊,悬浮物较多的情况,泵船取水在保证水质方面有较大优越性。

管理维护不便

除严格按照 SL 255-2000《泵站技术管理规程》及 SL 316-2004《泵站安全鉴定规程》对泵船的主体及其设备进行管理维护外,每遇取水口水位涨落变化、泵船发生位移时,必须更换联络管和输水管之间的接头,管理操作及维护不便。

泵船常用的连接方式有阶梯式和摇臂式。受联络管长度和球形接头转角的限制,在水位涨落超过一定范围时,阶梯式连接的泵船需移船和换接头,操作较麻烦,并需短时停止取水。而由钢管和几个套筒旋转接头组成的摇臂式连接的联络管可以围绕岸边支墩上的固定接头转动,不需要拆换接头,不需经常移船; 但洪水时泵船离岸较远,上下交通不便,并且多接头的组合增加联络管的重量及转动摩擦力,当两端套筒接头受到较大的扭力时,接头填料易磨损漏水,降低接头的灵活性与严密性,其维护工作量增加。

可靠性较差

泵船的平衡和稳定性,直接影响到生产运行的可靠性和操作人员的安全。

首先,泵船设计的稳定性主要受以下几个因素影响:①浮船内设备的布置产生不平衡,应尽量通过设备布置使浮船达到接近平衡 ;②浮船在生产运行中因联络管中水的流动,以及浮船随水位涨落而升降时由于活动接头的摩擦力等因素产生不平衡;③ 浮船在进行设备和管道安装过程中产生不平衡。以上因素应在泵船设计时加以考虑。

其次,钢质或木质的泵船由于长期浸泡在水中, 经常受到风浪、流水的冲击,工作环境恶劣,需要定期维护检修以保证泵船性能的稳定。

再者,在通航区域的泵船还会受到过往船只撞击而漏水沉没的威胁。

由以上主要因素决定泵船的安全可靠性较差, 其维护要求相对较高。

泵船沉没事件时有发生,如 2008 5 月,长江中游某自来水公司停泊在江中有 30 余年的泵船突然下沉,导致开发区内的 80 多家企业和上万居民暂时停水;2013 7 月,重庆朝天门一艘泵船由于受到洪峰冲击导致缆绳断裂而侧翻沉没。因此,强化取水泵船的安全管理是使用取水泵船取水的安全工作重点。


固定式泵房

简介


 固定式泵房根据水泵层设置位置,可分为地面式、半地下式、地下式及水下式泵房。一般工程取水泵房采用地下式泵房,分为运行层和水泵层。运行层以 上多采用现浇钢筋混凝土框架结构,砌块墙围护,现浇钢筋混凝土楼板及屋面板,运行层以下采用现浇钢 筋混凝土壁板结构。固定式泵房运行层以下深度由水源地取水口处设计洪水位与设计枯水位确定。


固定式水泵房主要设备包括水泵、电动机、阀门、起吊设备、闸门、滤网、电气、控制系统及其他辅助设备。

固定式泵房的施工方法有:大开槽施工法、围堰施工法、沉井施工法、浮运施工法及气压沉箱法。目前固定式泵房施工广泛采用围堰施工法。

固定式泵房位置选择不需考虑水位变幅大小、水位涨落速度对泵房建设的限制,也没有河岸坡度缓陡、水速缓疾的限制,适用条件较泵船的广。

特点

投资大

首先,泵房地基优先选用天然地基,如不满足承载能力、稳定和变形要求的地基应根据建设地点的地质报告进行地基处理,地基处理费用不菲;其次, 建造取水泵房一般需要围堰施工,围堰费用高;再者,修建泵房取水口有水下工程量且泵房深度越深, 泵房土建施工费用越高。此 3 个主要因素决定了固定式泵房投资大的


特点。

周期长

一般固定式泵房的土建施工周期及进度受季节影响较大,要等到枯水季节围堰后方能施工,且需要高深度开挖基地、高难度建造泵房,对于水下地质条件不理想的取水口还需要做相应的地基处理,所以建造周期比较长。

取水水质难保证

一般固定式泵房水泵吸水口设置在设计枯水位以下,不能随水位的升降而升降,永远只能取到较低水位的水,沉淀物较多,取水水质难以保证。

若固定式泵房要取得较好水质的原水,可采用分层取水型式的泵房,通过设置竖向流道或不同高程进水口,实现表层取水。对于竖向流道的分层取水口,介于两个竖向流道之间的水位也只能取下层流道的原水,并不是真正意义上的表层取水;对于设置不同高程进水口,可用闸门或阀门控制分层取水口,高(常)水位时关闭下层闸门,枯水位时打开下层闸门,存在运行操作复杂的缺点。

2.2.4       管理维护方便

固定式泵房的建设有较长的历史,相应的管理维护技术亦已日臻完善,且不存在水位涨落时构筑 物位移、转换联络接头的管理维护,管理维护方便。 泵房管理应严格按照《泵站技术管理规程》执行,本着“经常养护,随时维修,养重于修”的原则,定期检查电气设备情况,经常检查建筑物有无裂缝、启闭设备运行状况,对运转部件定期加油、止水密封, 使制动装置运行可靠。并严格按照《泵站安全鉴定规程》定期对泵站进行安全鉴定,掌握工程现状,查清存在问题,作出客观评价,确保工程安全,延长工程使用寿命。

2.2.5       可靠性强

固定式泵房结构设计按照 GB 50265-2010 《泵站设计规范》进行荷载计算、稳定性分析等,对于水流冲击或一般其他撞击具有抵抗能力,安全可靠性强,其维护要求相对较低。

用于泵房稳定性分析的荷载包括自重、水重、静水压力、扬压力、土压力、淤沙压力、浪压力、风压力、冰压力、土的冻胀力、地震荷载及其他荷载在内的荷载,并对可能同时作用的各种荷载进行组合,设计保证泵房结构的稳定性,使水流、风浪、航运等对泵房正常取水的影响最小,保证工程质量。

两种取水方式工程实例的比较

以某 1×30MW 机组生物质发电工程补给水系统取水设计为例,对两种取水方式进行比较。取水量110 m3/h,按纯凝工况考虑设 2 台补给水泵(一用一备),取水水源是水库。取水口断面设计洪水位 61.99 m(珠基),水库正常蓄水位 58.5 m(珠基),死水位47.8 m(珠基),水位落差超过 10 m。泵船和固定式泵房在工程造价、施工难易、施工工期、取水水质及可靠性等方面各有优劣,二者比较结果详见表 1

由于正常蓄水位与死水位有 10m 以上的落差, 根据设计洪水位及死水位确定的固定式泵房方案泵房平面尺寸为 13.65 m(长)×6.5 m(宽),运行层以下深度达到了 16.4 m,所以泵房的土建施工费用占了泵房方案的 93%,并且具有需要围堰施工、施工周期较长及难度大的特点。而泵船方案泵船尺寸为

16.0 m(长)×5.6 m(宽)×1.3 m(高),采用 CCSA 船用钢板材料,大大节省了土建施工费用。

取水口设在水库中,水流较平缓,无通航要求, 水流对泵船的影响较小,亦不存在过往船只对泵船撞击的威胁。水源沿线河流含沙量较大,水体较浑浊,泵船取水可取到表层水,有利于取水水质。

通过表 1 比较可知,泵船方案综合造价 186 万元,较固定式泵房节省投资 26%,并且有施工周期短、不需要围堰施工、施工难度小、取水水质相对好等优点,但由于泵船长期浸泡在水中,其稳定性需要实时监控,因此安全可靠性较低,其维护要求相对较高。

结合此工程水位落差超过 10 m 及水源含沙量高的情况,推荐泵船方案。泵船方案对水位涨落有很好的适应性,投资小,经济上合理。并且随着泵船技术的逐步推广,其安全可靠性也将逐步提高。因此,以泵船方案作为推荐方案。

比较项目

泵 船

固定式泵房

设备费万元

150

17.62

土建费万元

36

234.04

施工难度

小,不需要围堰施工

大,需要围堰大开挖施工

施工工期

较长

 

取水水质

取水口随水位涨落而升降,取水水质较好

取水口在死水位之下, 只能取低水位的水,取水

水质较差

维护

要求相对高

工作量相对较小

安全可靠性

相对较低

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


    1 泵船和固定式泵房比较表


 

结语

     在江河湖泊或山区水库边建造取水泵房,传统方法是先围堰筑坝,将围堰区域内的水全部抽干后建造泵房,再安装水泵、阀门、管路及电气、控制系统等,是过程复杂且施工难度高的取水方式,但其本质——房,也使得其具有较高供水可靠性及维护管理方便的特点。而泵船取水克服了特殊环境需要围堰施工的缺点,降低了施工难度,节省了地基处理费用,但由于其本质——船,也决定了其供水可靠性不高,维护检修要求高的特点。

           综合以上所述,泵船和固定式泵房,这两种取水型式,各有其优势也都存在缺点。工程设计人员应根据实际工程对取水可靠性的要求及是否可短时停水、有无储水池等情况、水源水质情况、取水口水下地质地形、水位变幅、航运情况、综合造价、施工周期要求等条件具体比较分析,选择适合的取水方式,才能扬长避短,发挥出这两种取水方式各自的优点,做到既合理又经济。

 

参考文献:

[1]    GB 50013-2006,室外给水设计规范[S].

[2]    GB 50265-2010,泵站设计规范[S].

[3]    SL 255-2000,泵站技术管理规程[S].

[4]    SL 316-2004,泵站安全鉴定规程[S].

严煦世,范瑾初,等.给水工程(第四版)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1999.

上海市政工程设计研究院主编. 给水排水设计手册(第 3 册).城镇给水[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.


 



 

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