灌溉泵站设计.doc
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某灌溉泵站设计
一基本设计资料
1基本情况
本区地势较高，历年旱情比较严重，粮食产量低。
根据规划，拟从附近湖中扬水灌溉该区的6.7万亩农田，使之达到高产稳产的目的。
机电扬水灌区内主要作物有小麦、玉米、谷子和棉花等。
灌区缺少灌溉制度，现参考附近老灌区的灌水经验，拟定出本灌区灌溉保证率为75%的灌溉制度。
其设计毛灌水率如表1所示。
表1设计年内毛灌水率
灌水时间（日/月）
1/3-15/4
16/4-10/6
11/6-30/7
1/9-30/9
15/11-10/12
灌水率（l/（s·千亩））
30.00
22.00
16.50
22.50
30.75
图1站地地形图
2地质及水文地质资料
根据可能选择的站址，布置6个钻孔。
由地质柱状图明显的看出，3米以内表土主要是粘壤土，经土工试验，得到的有关物理指标为粘壤土的内摩擦角φ=35°，承载力为200kN/m2。
站址附近的地下水位多年平均在307.2m左右（系黄海高程）。
3气象资料
夏季多年平均旬最高气温34℃，春、秋季干旱少雨，年平均降雨量为524mm，降雨年内分配极不均匀，每年7、8、9月的降雨量占全年降雨量的80％以上。
年平均无霜期为200天左右，多年平均最低气温为-8℃，最大冻土深度为o.44m。
平均年地面温度为15℃，平均年日照时数为2600.4h。
累积年平均辐射总量为527.4lkJ／cm，平均日照百分率为59％。
热量和积温都比较丰富，能满足一年两熟作物生长的需要。
4水源
灌区西北有一湖泊，是规划灌区的水源，其水量充沛。
灌溉保证率为75％时的湖泊月平均水位如表2所示。
表2湖泊月平均水位（保证率为75%）
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
水位（m）
308.9
308.9
309.2
309.3
309.5
309.7
312.0
313.0
313.2
309.8
309.8
308.9
灌溉保证率为90%时，灌溉期间旬平均最低水位为308.8m。
5年一遇的旬平均最高水位达3l2.5m，夏季多年旬平均最高水温为23℃。
5其它
根据规划，为保证扬水后自流灌溉，出水池水位均不应低于327m。
站址附近有6.3kV高压电力线通过，已经有关部门批准，可供泵站使用。
该地区劳动力充足，交通方便。
除水泥、金属材料以及泵站建设中所需的特殊材料外，当地可提供砖、石、砂、瓦、木材等建筑用材。
根据机电设备的运行特性，每天按20h运行设计。
6要求
完成泵站设计中初设阶段的部分内容，成果包括设计图纸和设计说明书。
（1）图纸
1）枢纽平面布置图（绘制在地形图上）
2）泵房平面图，泵房纵、横剖面图。
（2）设计说明书
1）概述建站目的，设计任务，资料分析，设计所依据的规范和标准。
2）机电设备选择的依据和计算。
3）泵站各建筑物的型式、结构选择的依据、计算结果及其草图。
4）泵房尺寸拟定的依据和设备布置的说明。
5）验证机组选择的合理性，并说明其在使用中应注意的问题。
6）必要的附图、附表、参考文献。
（3）枢纽中心线
因所给资料不足，无法知道控制区面积如何，但是根据资料可知，该地区高差不大，总体呈上升趋势，没有坡升坡降的情况，于是拟定采用单站集中控制方式。
同时，采用正向进水、正向出水的建筑物布置型式。
初步拟定枢纽中心线。
拟定情况如图2所示（在原地形图的基础上绘制）。
图2枢纽中心线布置图
二泵站设计
1泵站主要设计参数
（1）设计水位
出水池水位327.0米，水源设计最低水位308.8米，5年一遇的旬平均最高水位312.5米。
（2）泵站设计流量：
为了便于选择同型号水泵，按以下原则将灌水率图修正成等阶梯形状，具体如下。
1）灌水日期的移动或者灌水时间的变动．不应影响作物的正常需水（变动天数不超过2—3天）。
2）每次灌水的灌水率数值不应相差太大（最小灌水率不应小于最大值的40％），以便渠道流量比较平稳，泵站机组利用率较高。
3）修正后的灌水率应适应我国目前的管理水平，对旱作灌区，一般的灌水率在20~351/（s·干亩）之间。
图3灌水率图
（3）按每天开机19小时，将修正后的毛灌水率换算成机灌灌水率。
公式为q机=q设*24/t机
式中q机——修正后的设计毛灌水率．1／（s·千亩）；
t机——机组每天开机的小时数。
表3设计年内毛灌水率
灌水时间（日/月）
1/3-15/4
16/4-10/6
11/6-30/7
1/9-30/9
15/11-10/12
毛灌水率（l/（s·千亩））
30.00
22.00
16.50
22.50
30.75
机灌水率
37.89
27.79
20.84
28.42
38.84
图4机灌灌水率图
（4）取灌水率图中之最大的灌水率来计算泵站的设计流量，其计算公式为
Q设=qmax机ω/渠系
式中qmax机——修正后的最大灌水率．l/（s·千亩）；
ω——设计的灌溉面积．千亩；
渠系——渠系水利用系数（%）。
Q设=38.84*67/0.65=4003.5l/s
2泵站设计扬程估算
（1）泵站设计的水源水位；
最高水位；313.2；
最低水位；308.9；
设计水位；312.5；
最低运行水位；灌溉保证率为90%时，灌溉期间旬平均最低水位为308.8。
出水池按最低要求327m
设计净扬程；327-312.5=14.5m
最高净扬程；327-308.8=18.2m
最低净扬程；327-313.2=13.8m
（2）计算平均实际扬程，公式为
式中H实i——相应时段ti时的出水池水位与进水池水位之差，m；
Qi——相应时段ti时的泵站供水流量，1/s，；
ti——不同灌溉时段的泵站工作天数，天。
表4实际扬程计算表
灌水时间（日/月）
1/3-15/4
16/4-10/6
11/6-30/7
1/9-30/9
15/11-10/12
机灌灌水率（l/（s·千亩））
37.89
27.79
20.84
28.42
38.84
供水流量1/s
3905.6
2864.5
2148.1
2929.4
4003.5
Qiti
175752
157547.5
107400
87882
100087.5
H实iQit
3122527.2
3036357.8
出水池按最低要求327m。
=17.636m
（3）确定水泵的设计扬程，公式为：
H设=+∑Δh损≈（1+k）
式中Δh损——管路沿程和局部水头损失。
m；
K——管路水头损失占平均实际扬程的百分比，其值可按表课本5-2初定。
取k=20%
H设=+∑Δh损≈（1+k）=21.163m
3初步选泵
（1）水泵选型的原则。
具体如下。
1）在设计扬程下，能满足设计流量的要求，
2）当实际扬程变化时，水泵能在高效区内工作，
3）在能够适应灌溉流量变化的前提下，尽量选用较大的水泵，以减少台数，节省基建、维修费用。
另外大泵的效率较高。
4）在一个泵站中，尽可能选用同型号的水泵。
5）如进水池的水位变化幅度较小时、优先选用卧式机组。
6）在满足流量和扬程的前提下，尽量选用吸水性能好的水泵。
（2）主泵类型的选择。
因为此泵站的设计扬程为21.163m，设计流量为4003.5l/s查《水泵站设计示例与习题》中的水泵性能表得种泵型均符合扬程要求，作为比较方案，进行经济性能等方面的优选。
其性能如表所示：
表5泵型方案性能
（3）确定主泵台数
有关系式，可据此确定两种泵型所需的台数。
型泵台，取台。
型泵台，取台。
（4）拟合流量过程曲线
按选定的水泵型号和台数，在流量过程线上拟合，当选择水泵型台数为时，拟合后的流量过程线和设计流量过程线配合较好，故说明选择方案可以满足流量变化过程的要求。
故本设计选用型泵这一方案是合理的。
所以选用台型泵，其中为备用。
4动力机组配套选型
由于在站址有高压输电线路通过，靠近电源，故动力类型选配电动机。
（1）电动机配套功率N配计算
其计算公式如下：
式中：
K—动力备用系数，取1.1；
N轴—水泵工作范围内的最大轴功率，查前表得kW；
—传动效率，水泵转速为r/min，初步假定用同步转速r/min的异步电动机直接传动，则取为。
算得。
（2）确定机型
根据水泵额定转速r/min和配套功率kW，配套电机。
5水泵机组的布置与基础
本设计采用的是台系列泵，因此机组布置采用横向排列方式。
机组基础采用混凝土基础，混凝土容重γ＝23520N/m3,机组的基础深度计算公式为
H＝（2.2）
式中，W—机组总重量（N），
L—基础长度（m），
B—基础宽度（m），
γ—基础所用材料的容重（N/m3）。
查给水排水设计手册，得到型水泵机组的基础平面尺寸为，机组总重量为2550kg，则根据公式（2.2）计算出其基础深度为1.29m.
6管路水头损失计算
由于钢管管材可以有所不同，计算方法也不同
的强度高，接口可焊接，密封性远胜于铸铁管，因此吸水管路和出水管（泵房内）均采用壁厚为10mm的钢管，敷设在泵房地板上。
压水管采用球墨铸铁管。
每台水泵均有单独的吸水管，深入进水池中。
（1）吸水管路和压水管路中水头损失的计算
管路沿程水头损失可按比阻法计算，对于钢管，计算公式如下:
∑hf=∑Ak1k2LQ2
式中，k1—钢管壁厚不等于10mm时的修正系数，对于本次设计k1＝1
k3—管中平均流速小于1.2m/s的修正系数
A—比阻值
管路局部水头损失计算公式如下：
∑hm＝∑ζ
式中，ζ—局部水头损失系数
因此，管路总水头损失∑hs＝∑hf＋∑hm。
（2）吸水管路水头损失的计算
1）沿程水头损失计算
沿程水头损失用下式计算式中n—管道内壁糙率，铸铁为0.013；L—管道长度11.0m；D—管道直径950mm；Q—管道设计流量1.1m3/s。
则计算可得。
2）局部水头损失计算
局部水头损失用下式计算式中—管路局部阻力系数，查资料得：
，，；D—局部阻力处管径，查资料得：
D进=1.2m，D缩=0.8m；其余符合同上。
则得。
则吸水管路水头损失为：
m。
7水泵安装高度计算
本设计工作水温与水面大气压均超过标准值，用公式
计算修正后的允许吸上真空高度，
—水泵允许吸上真空高度7.5m；
—大气修正值，海拔m，查资料得m；
—工作水温℃，则查资料得m；
算得=。
=4Q/（πD2）m/s，—水泵进口处流速。
水泵安装高度用下式计算
，
8水泵安装高程的确定
水泵安装高程用下式计算：
，
—进水池最低水位m；
K—安全值，取0.2m。
则m。
水泵安装状况如图所示仅供参考，结果不同图形有所不同
。
图4水泵安装高程示意图
9出水管经济管径的计算
（1）设几种待选的管径，并在水泵性能曲线图上求的每种管径的工况点，计算结果见下表。
计算公式
表6不同管径需要扬程性能表
D=700mm
流量（）
∑h（m）
D=800mm
流量（）
∑h（m）
D=900mm
流量（）
∑h（m）
D=1000mm
流量（）
∑h（m）
D=1100mm
流量（）
∑h（m）
D=1200mm
流量（）
∑h（m）
表7不同管径水泵工况点参数表
管径（mm）
工况点参数
Q（）
H（m）
（%）
P（kW）
700
800
900
1000
1100
1200
（2）计算不同管径时，抽灌溉水量W=万m³所需要的电费。
计算公式为（）
式中W——年灌溉用水量，m³。
——每种管径相应工况点的流量和水泵轴功率。
e——单位电价，。
表8计算结果见下表
管径（mm）
700
800
900
1000
1100
1200
年电费
（3）计算每种水管的管壁厚度。
计算公式为
计算结果见下表
表9管径与管壁厚度表
管径（mm）
700
800
900
1000
1100
1200
Hp（m）
（mm）
由于计算所需的管壁厚度太小，所以取0.8mm。
（4）水管投资。
计算公式（元）
式中b——钢板价格，元∕。
换算成每年投入为元∕年
表10计算结果见下表
管径（mm）
700
800
900
1000
1100
1200
C（万元）
A（万元∕年）
（5）年维修管理费
计算公式为
表11年维修管理费表
管径（mm）
700
800
900
1000
1100
1200
（6）不同管径时的年费用
计算公式为R=
表12计算结果见下表
管径（mm）
700
800
900
1000
1100
1200
年费用R
结果出水管选用的经济管径为D=。
10出水建筑物设计
1出水池
根据站址地形，本设计采用开敞式侧向出水池，用出口拍门阻止池水倒泄。
（1）立面尺寸
1）池顶高程。
用下式确定，式中—出水池最高水位；—安全超高，查资料取m。
则=5m。
2）池底高程。
由下式确定：
，式中—出水池最低水位，本设计为m；—出水管渐扩出口直径，本设计为m；—出水管渐扩出口上缘最小淹没深度，要求大于两倍出口流速水头。
本设计取倍出口流速水头，h淹=；P—出水管渐扩出口下缘至池底净距，本设计取m。
则=。
出水池立面尺寸如图所示图中为水平出水，如设计方案不同方法也有所不同，参考课本
。
（2）平面尺寸
1）池长L。
用下式确定
2）池宽B。
，式中—边管出口处池宽，拟取m。
则B=，出水池平面尺寸如图所示。
出水池平面尺寸示意图
三泵房初步布置设计
1确定泵房结构型式
卧式离心泵泵房型式取决于水泵有效吸程与水源水位变幅的关系。
（1）水泵有效吸程值计算
按下式计算：
，式中Z—水泵安装基准面距底座间（此处为底面）的距离，查资料可得；h—水泵基础高出机坑地面高度（此处为0.1m），余者符号意义跟前同。
则=。
（2）水源水位变幅
渠道最高水位m，最低水位m，则水位变幅△H=。
（3）泵房结构型式确定
由上面的计算结果可知选用型泵房。
2辅助设备的选择
（1）起重设备
（2）排水设备
（3）通风设备
（4）计量设备
（5）水环式真空泵
3泵房建筑高度的确定
四水泵运行工况校核
先求出吸水管和出水管的水头损失：
列出水泵性能参数。
型号
流量Q（L/s）
扬程H（m）
转速n
（r/min）
轴功率N轴（kW）
效率
（%）
允许吸上真空高度[HS]（m）
重量
（kg）
因为H需=H净+H损
根据泵站最高净扬程，最低净扬程，计算水泵的实际扬程为：
设计枯水位时：
Hmax＝H最高+H损
设计洪水位时：
Hmin＝H最低+H损
对比水泵性能参数可知，泵站总流量均能满足供水要求，水泵工作点始终在高效范围区内运行，初选水泵机组符合要求。
四泵房稳定分析
泵站稳定主要受泵房自重，土压力，扬压力和其他荷载。
1泵房自重计算
表15泵站自重计算表（取一计算段）
部位
体积（m3）
距主底板中心距离（m）
重度（kN/m3）
重力（kN）
弯矩（kN·m）
底板
支墩
排架
水泵梁
水泵
进水池后墙
泵房墙体
电机层楼板大梁
电机层楼板
屋顶
电机层梁
电机
站房底板下的土层
Σ
2泵室内水重
3水平水压力
4浮托力
5土压力
6自然土区
7作用荷载计算
将上述各荷载汇总于表7-2
表16作用荷载计算汇总
荷载名称
竖向力（kN）
水平力（kN）
对底板中心下1.5m处的力矩（kN·m）
向下↓
向上↑
向右→
向左←
正+（顺时针）
负-（逆时针）
自重
水重
水平水压力
浮托力
土压力
合计
8抗滑稳定计算
9地基应力校核
10抗浮稳定性校核
17
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