CN206784496U - 一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，包括多个通过主干管串联在于一起的梯级泵站，且主干管的一端连接待低水位取水位置，另一端连接高水位出水位置，水由低水位取水位置经梯级泵站逐级抽取至高水位出水位置处，定义为正向输水，水由高水位出水位置处以重力自流的方式引入低水位取水位置处，定义为反向输水，沿着正向输水的方向，且除了首级泵站外，其余的泵站的前面均设有调节池，且调节池的入口和泵站的出口之间通过U型旁通管连通。

Description

一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构

技术领域

本实用新型属于水利水电工程中梯级泵站输水技术领域，具体涉及一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构。

背景技术

在水利工程中，常通过建设泵站对地势低处的水体进行加压，来增加水体的势能，以此将低处水体通过管道传输提升到地势高处实现远距离、大落差加压输水。对于在空间分布上高差较大的山区等地，受制于地势以及实际工程建设的难度等因素的影响，会在输水沿线不同位置建设多个高程递增的、采用管道输水的泵站进行输水，也就是利用管道传输实现梯级泵站的远距离、高水头差输水。另一方面，在需要将地势较高处的水体输送到地势低处时，往往在地势高处的高水位与地势低处的低水位之间铺设管道，以重力自流的方式进行输水，且输水工程的水力过渡过程由管道上的阀门逐级控制，以保证输水安全和输水流量的要求。

将低水位的水体经梯级泵站逐级抽取至高水位处，定义为正向输水；而将高水位水体以重力自流的方式引入低水位处，定义为反向输水。而在现在的工程建设中，或仅仅通过建设梯级泵站加压，将低处水体输送至高水位水库或蓄水池等处，或是单独的将高水位水体通过管道输送到低水位处。而在实际的水资源调配过程中，存在着如下情况：低水位地方来水量大时，将水体通过梯级泵站加压，利用管道向高水位处水库等处输水，进行储水；而在低水位地方缺水时，可通过管道重力自流的方式，将高水位储存的水体泄放至下游低水位处以供水，缓解缺水问题。而在现有工程建设中只单独的考虑了所定义的正向或反向输水工况，不能合理而经济的解决需要在时空分布差异的高低水位实现双向输水的问题。

实用新型内容

基于以上问题，本实用新型提出一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构与方法，可以很好地解决上述问题，优化水资源在空间上的配置。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，包括多个通过主干管串联在于一起的梯级泵站，且主干管的一端连接低水位取水位置，另一端连接高水位出水位置，水由低水位取水位置经梯级泵站逐级抽取至高水位出水位置处，定义为正向输水，水由高水位出水位置处以重力自流的方式引入低水位取水位置处，定义为反向输水，沿着正向输水的方向，除了首级泵站外，其余的泵站的前面均设有调节池，且调节池的入口和泵站的出口之间通过U型旁通管连通。

本实用新型所述泵站之间由主干管以及U型旁通管连接进行输水，梯级泵站之间的连接形式为串联；

进一步的，在每个所述的泵站的入口、出口、调节池的出口以及U型旁通管上均设有阀门，用以控制供水的方向以及输水量。

其中调节池前的主干管上设置的阀门，用以开启或阻断调节池进水；调节池与泵站之间连接的主干管上设置的阀门，用以开启或阻断调节池与泵站之间输水；主干管从地势低处管口端和地势高处管口端均设置有阀门，用以开启或阻断管道输水。

进一步的，所述的调节池在进出水端的侧壁上设置有进水管、出水管以保证水流循环；所述调节池顶部设置有检修孔、底部还设置有清淤管，用以定时人工的从检修孔进入调节池，对输水过程中调节池底部淤积泥沙进行冲洗排淤。

进一步的，所述调节池顶板上还设置有通风管、通风帽，以确保输水时调节池内气流畅通，不致影响正常输水时调节池的安全。

进一步的，所述调节池顶板上还设置有水深测量仪、水位报警器；所述水深测量仪用以对调节池的水位进行读取，可通过池外的显示设备的读数，实时监测池内的水位，便于操作人员管理；所述水位报警器可在调节池的水位过高情况下进行报警，提醒泵站监测人员采取措施，以防止调节池内部水位过高而顶托其顶板，对其安全性造成影响。

进一步的，所述调节池与非进出水端的侧壁上设置有圆形溢流孔，设置在靠近调节池顶板下方竖直距离0.5m处，当水位过高时水流可经侧壁上的圆形溢流孔流出，以防止调节池的水位过高而顶托其顶板，对其安全性造成影响。

进一步的，所述调节池中设置有V型消能板，V型消能板两翼呈对称结构，其中轴线与调节池进出水管口连接而成的中轴线一致；所述V型消能板高度为调节池侧壁高度的1/3；所述消能板上设置有矩形出水孔，一部分水流经消能板出水孔后，流速减慢，另一部分水流可通过矩形出水孔穿过消能板，一部分水流则被消能板以反向的流速回弹，被回弹的水流与初始水流碰撞混掺，在板前形成漩涡区，削减水流的能量，因此在板后至出水管时可以形成相对平稳的水流，有利于提高水泵的吸水效率和延长水泵机组的使用寿命。

进一步的，所述梯级泵站位置参考低水位取水口与高水位出水口之间的高程、地势条件、泵站扬程等因素而定。

进一步的，所述梯级泵站的泵站个数根据实际工程高程差、地势条件、水泵扬程等因素而定；所述泵站与调节池通过主干管串联连接，具体为“进水——调节池——泵站——出水”形式，主要是正向输水时水流流向。

与现有的技术相比，本实用新型有益效果在于：

（1）本实用新型的结构在两个不同高程的地区可实现双向输水，扩大了工程的效益范围。

（2）本实用新型提出在反向输水时，适度开启调节池前进水阀门，使调节池与反向供水管道联通，可有效的泄放由阀门启闭而产生的水锤压力，在设计时可主要考虑泵站正向输水时产生的水锤破坏来设计主干管压力承载力。因此本实用新型在确保工程经济性的前提下，增加了工程实际作用范围。

（3）本实用新型中对梯级泵站输水结构中的调节池内部设置了消能措施，正向输水时可迅速平稳来流，避免发生气蚀而保证水泵吸水条件良好，可有效提高水泵的吸水效率和调节池工作的安全可靠度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为三座泵站组成的梯级泵站输水平面布置示意图；

图2为调节池剖面图；

图3 为调节池立视图；

图4为V型消能板结构示意图；

图5为V型消能板流速分解示意图；

图6为正向输水时阀门开启顺序流程图；

图7为反向输水时阀门开启顺序流程图；

图8为实施例中输水管线的高程沿距离的变化曲线图；

图9为反向输水时采用方案1沿程管道的压力变化曲线图；

图10为反向输水时采用方案2沿程管道的压力变化曲线图。

其中，1泵站PS1，2泵站PS2，3泵站PS3，4调节池P1，5调节池P2，6阀门V1，7阀门V2，8阀门V3，9阀门V4，10阀门V5，11阀门V6，12阀门V7，13阀门V8，14阀门V9，15阀门V10，16阀门V11，17主干管，18 U型旁通管，19调节池，20顶板，21 V型消能板，22水深监测仪，23水位报警器，24进水管，25出水管，26清淤管，27通风管，28通风帽，29检修孔，30支墩，31溢流孔，32V型消能板的出水孔。

具体实施例

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，在现有工程建设中只单独的考虑了所定义的正向或反向输水工况，不能合理而经济的解决需要在时空分布差异的高低水位实现双向输水的问题，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，包括多个通过主干管串联在于一起的梯级泵站，且主干管的一端连接低水位取水位置，另一端连接高水位出水位置，水由低水位取水位置经梯级泵站逐级抽取至高水位出水位置处，定义为正向输水，水由高水位出水位置处以重力自流的方式引入低水位取水位置处，定义为反向输水，沿着正向输水的方向，且除了首级泵站外，其余的泵站的前面均设有调节池，且调节池的入口和泵站的出口之间通过U型旁通管连通。本实用新型所述泵站之间由主干管以及U型旁通管连接进行输水，梯级泵站之间的连接形式为串联；

进一步的，在每个所述的泵站的入口、出口、调节池的出口以及U型旁通管上均设有阀门，用以控制供水的方向以及输水量。

其中调节池前的主干管上设置的阀门，用以开启或阻断调节池进水；调节池与泵站之间连接的主干管上设置的阀门，用以开启或阻断调节池与泵站之间输水；主干管从地势低处管口端和地势高处管口端均设置有阀门，用以开启或阻断管道输水。

进一步的，所述的调节池在进出水端的侧壁上设置有进水管、出水管以保证水流循环；所述调节池顶部设置有检修孔、底部还设置有清淤管，用以定时人工的从检修孔进入调节池，对输水过程中调节池底部淤积泥沙进行冲洗排淤。

进一步的，所述调节池顶板上还设置有通风管、通风帽，以确保输水时调节池内气流畅通，不致影响正常输水时调节池的安全。

进一步的，所述调节池顶板上还设置有水深测量仪、水位报警器；所述水深测量仪用以对调节池的水位进行读取，可通过池外的显示设备的读数，实时监测池内的水位，便于操作人员管理；所述水位报警器可在调节池的水位过高情况下进行报警，提醒泵站监测人员采取措施，以防止调节池内部水位过高而顶托其顶板，对其安全性造成影响。

进一步的，所述调节池与非进出水端的侧壁上设置有圆形溢流孔，设置在靠近调节池顶板下方竖直距离0.5m处，当水位过高时水流可经侧壁上的圆形溢流孔流出，以防止调节池的水位过高而顶托其顶板，对其安全性造成影响。

进一步的，所述调节池中设置有V型消能板，V型消能板两翼呈对称结构，其中轴线与调节池进出水管口连接而成的中轴线一致；所述V型消能板高度为调节池侧壁高度的1/3；所述消能板上设置有矩形出水孔，一部分水流经消能板出水孔后，流速减慢，另一部分水流可通过矩形出水孔穿过消能板，一部分水流则被消能板以反向的流速回弹，被回弹的水流与初始水流碰撞混掺，在板前形成漩涡区，削减水流的能量，因此在板后至出水管时可以形成相对平稳的水流，有利于提高水泵的吸水效率和延长水泵机组的使用寿命。

进一步的，所述梯级泵站位置参考低水位取水口与高水位出水口之间的高程、地势条件、泵站扬程等因素而定。

进一步的，所述梯级泵站的泵站个数根据实际工程高程差、地势条件、水泵扬程等因素而定；所述泵站与调节池通过主干管串联连接，具体为“进水——调节池——泵站——出水”形式，主要是正向输水时水流流向。

下面结合附图本实用新型进行详细说明：

实施例1：

正向输水过程。正向输水为各级泵站从水位低处干渠（或进水池、或调节池等）引水，通过泵站逐级加压向水位高处水库（或蓄水池等）输水。具体步骤为：在开泵之前依次将主干管上阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7开启，保持主干管17管路在泵站PS3至干渠段畅通，且关闭18 U型旁通管上阀门V9、V10、V11。首先开启1泵站PS1，输水至4调节池P1中，由于调节池P1侧壁上设置有31溢流孔，当水流足够高时，会从溢流孔溢流流出，因此待调节池P1中22水深监测仪的读数保持平稳时，可开启2泵站PS2泵站内水泵机组，同理开启3泵站PS3内水泵机组，最后开启阀门V8。以此实现正向输水过程。如图6所示为正向输水时阀门开启顺序流程图。

实施例2：

反向输水过程。反向输水为从水位高处水库（或蓄水池等）通过重力自流的方式向下游输水。期间，水流不经过泵站PS1、PS2、PS3，而直接通过图1中与泵站和调节池对应以分支形式连接的18 U型旁通管输水，方向与正向输水过程相反。具体步骤为：在输水之前，关闭阀门V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11。开始反向输水时，首先开启5调节池P2前阀门V6（可泄放旁通管上阀门开启过程产生的压力水锤，起到类似于调压塔的作用）至20%开度，接着再开启18 U型旁通管上阀门V11，由于调节池P2侧壁上设置有31溢流孔，当水流足够高时会从溢流孔溢流流出，因此待调节池P2中22水深监测仪的读数保持平稳时表示开阀水锤引起水锤已经泄放。然后，开启调节池前阀门V3至20%开度，接着开启阀门18 U型旁通管上阀门V10，待调节池P1中22水深监测仪的读数保持平稳时，开启阀门V9。以此实现反向输水，且整个管路的流量由阀门V9、V10、V11的开度控制。如图7所示为反向输水时阀门开启顺序流程图。

为更好的对本实用新型的实施例2以及本实用新型有益效果（2）进行说明，以下结合图1、图8所示的泵站及管道布置情况，进行反向输水过程的进行数值模拟。模拟基本参数设置：输水管道长29.7km，输水流量为3.4m³/s，干渠、水库水位分别为31.0m、130.0m，管道直径DN1600，水击波速取1050m/s，中间调节池P1、P2水位分别为56.0m、86.0m。值得注意的时，在反向输水之前，正向输水已经进行，水泵机组停机后管道为满管状态，且由PS3-PS2-PS1逐级停泵，调节池储水达到4000m³。

由于开阀水锤与阀门开启角度和快慢密切相关，根据实际情况，本模拟采用两种方案：方案1为反向输水时，不开启调节池前阀门V3、V6，仅依次开启阀门V11（350s开至27%开度）、V10（1000s开至100%开度）、V9（300s开至100%开度）的开阀方案；方案2为采用依次开启V6（开至20%开度）——V11（350s开至27%开度）——V3（开至20%开度）——V10（1000s开至100%开度） ——V9（300s开至100%开度）的开阀顺序方案。方案1、方案2 的模拟结果分别如图9、图10所示。

对比方案1、2开阀实现反向输水的水力过渡过程的数值模拟结果（图9、10）。发现在方案2条件下，水锤管道最大压力包络线显著降低，管道沿程水锤压力逐渐减小。其中，方案1最大水锤压力为107.8m，方案2最大水锤压力为68.5m（沿程的最大压力减小36.5%），且管道负压并不明显。表明本实用新型实施例2效益显著。设计时，管道设计承载力应以事故停泵水锤压力值设计为主导，因此本实用新型在确保工程经济性的前提下，增加了工程实际作用范围。

在本实施例采用的是三级泵站串联，实现干渠与水库间的双向输水，在具体工程中可根据调水的高差、长度以及方向而适当的增加或减少泵站的数量和改变输水管路的方向，其他多种情况不再一一在实施例中叙述。另外，调节池侧壁上的溢流孔数量及尺寸仅为示意图，可根据工程实际情况确定。对于本技术领域的专业人员，可对本实用新型进行修改，优化，但还要在本实用新型的实施原理以内，进行的任何改进，等同替换等，均应包含在本实用新型的权利要求的范围以内。

Claims (10)

1.一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，包括多个通过主干管串联在于一起的梯级泵站，且主干管的一端连接低水位取水位置，另一端连接高水位出水位置，水由低水位取水位置经梯级泵站逐级抽取至高水位出水位置处，定义为正向输水，水由高水位出水位置处以重力自流的方式引入低水位取水位置处，定义为反向输水，沿着正向输水的方向，且除了首级泵站外，其余的泵站的前面均设有调节池，且调节池的入口和泵站的出口之间通过U型旁通管连通。

2.如权利要求1所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，在每个所述的泵站的入口、出口、调节池的出口以及U型旁通管上均设有阀门。

3.如权利要求1所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述的调节池在进出水端的侧壁上设置有进水管、出水管以保证水流循环；所述调节池顶部设置有检修孔、底部还设置有清淤管。

4.如权利要求1所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述调节池顶板上还设置有通风管、通风帽。

5.如权利要求1所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述调节池顶板上还设置有水深测量仪、水位报警器；所述水深测量仪用以对调节池的水位进行读取，可通过池外的显示设备的读数，实时监测池内的水位；所述水位报警器可在调节池的水位过高情况下进行报警，提醒泵站监测人员采取措施，以防止调节池内部水位过高而顶托其顶板，对其安全性造成影响。

6.如权利要求1所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述调节池与非进出水端的侧壁上设置有圆形溢流孔。

7.如权利要求6所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述的圆形溢流孔设置在靠近调节池顶板下方竖直距离0.5m处。

8.如权利要求1所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述调节池中设置有V型消能板，V型消能板两翼呈对称结构，其中轴线与调节池进出水管口连接而成的中轴线一致。

9.如权利要求8所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述V型消能板高度为调节池侧壁高度的1/3；所述消能板上设置有矩形出水孔，一部分水流经消能板出水孔后，流速减慢，另一部分水流可通过矩形出水孔穿过消能板，一部分水流则被消能板以反向的流速回弹，被回弹的水流与初始水流碰撞混掺，在板前形成漩涡区，削减水流的能量。

10.如权利要求1所述的一种双向输水的梯级泵站及管道的设计结构，其特征在于，所述梯级泵站位置以及个数参考低水位取水口与高水位出水口之间的高程、地势条件、泵站扬程而定。