水力学课程设计.doc

《水泵与水泵站》

课程设计任务书与指导书

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2013年 1 月 10 日

水泵与水泵站课程设计任务书

20 —20 学年第 学期
1 设计题目
某市第二水厂取水泵房设计
2 设计时间
自 2013年1月4日 至 2013年1月11日 ，共 1 周
3 设计任务
根据提供资料在指定时间内完成取水泵站或给水泵站的初步设计工作。设计资料附后。
4 工程概况
某市因发展需要，原有的第一水厂已不能满足居民的用水要求，因此，规划设计日产水能力为15万ｍ３的第二水厂，给水管线设计已经完成，现需设计该水厂取水泵房。
5 已知数据
设计水量为100000m3/d，要求远期发展到150000m3/d，采用固定取水泵房用两条直径为800mm的自流管从江中取水。水源洪水位标高为39.65m，枯水位标高为35.80m。净水构筑物前配水井的水面标高为46.80m，自流取水管全长100m，泵站到净化场的输水干管全长1900m。自用水系数α=1.05~1.1，取水头部到泵房吸水间的全部水头损失为10kPa，泵房底板高度取1~1.5m。
6 课程设计内容
1.泵站方案确定
⑴确定设计流量和估算设计扬程
⑵初选水泵和电机
⑶查阅水泵和电机样本
2.工艺和选型计算
⑴计算吸水管路和压水管路直径
⑵布置机组和管道
⑶管道附件及附属设备选型计算
⑷确定泵房的建筑高度
⑸确定泵房的平面尺寸
3.计算吸水管路和压水管路的水头损失
4.绘图(略)
（1）泵房的平面布置图
（2）泵房的剖面布置图

设计
<一>、泵站方案的确定

（1）确定设计流量和估算设计扬程
为了减小取水构筑物、输水管道各净水构筑物的尺寸，节约基建投资，在这种情况下，我们要求一级泵站中的泵昼夜不均匀工作。因此，泵站的设计流量应为：

式中 Qr——一级泵站中水泵所供给的流量(m3／h)；
Qd——供水对象最高日用水量(m3／d)；
α——为计及输水管漏损和净水构筑物自身用水而加的系数，一般取α=1.05 - 1.1
T——为一级泵站在一昼夜内工作小时数。
考虑到输水干管漏损和净化厂本身用水，取水自用系数α=1.05
所以
近期设计流量为 Q=1.05×100000/24=1.215m3/s
远期设计流量为 Q=1.05×150000/24=1.823m3/s
(2)设计扬程HST
①静扬程HST的计算
洪水位时，HST=46.8-39.65=7.15m
枯水位时，HST=46.8-35.8=11.0m
②输水干管中的水头损失∑h
假设通过75%的设计流量
设采用两条DN900的铸铁管并联作为原水输水干管
Q=0.75×5250m3/h=1.0935m3/s
查水力计算表得管内流速 v=1.73m/s,i=3.67‰所以
输水管路水头损失：=1.1×0.00363×1900=7.6703m(式中1.1包括局部损失而加大的系数)
③泵站内管路中的水头损失∑h
粗估2m，安全水头2m，
则泵设计扬程为：
枯水位时：Hmax=35.8+2.0+2+2=41.8m
洪水位时：Hmin=39.65+2.0+2+2=45.65m
<二>、初选泵和电机
(1)水泵选择
选泵的主要依据：流量、扬程以及其变化规律
①大小兼顾，调配灵活
②型号整齐，互为备用
③合理地用尽各水泵的高效段
④要近远期相结合。“小泵大基础 ”
⑤大中型泵站需作选泵方案比较。
根据上述选泵要点以及离心泵性能曲线型谱图和选泵参考书综合考虑初步拟定以下：
近期选择4台350S44型单级双吸离心泵（Q=270m3/h,H=50m，N=164kW，Hs=6.3m）。远期增加2台350S44型泵，三台工作两台备用。
根据500S35A型泵的要求选用Y355M-4型异步电动机（220kW，2450Kg）。
(2)机组基础尺寸的确定
查泵与电机样本，计算出350S44型泵机组基础平面尺寸为(1570+2807.5)mm×(845+630)mm,即4377.5mm×1475mm机组总重量W = 1910+2450kg=4360kg
基础深度H可按下使计算
H=3.0W/L×B×γ
式中 L ——  基础长度， L=4.3775m
B —— 基础宽度， B=1.475m
γ—— 基础所用材料的容重，对于混泥土基础，γ=23520N/m3
故
H=3.0×4360/4.3775×1.475×23520=1.26m
基础实际深度连同泵房底板在内，泵房底板高度取1.24（便于计算），应为2.5m。
<三>、吸水管路与压水管路计算
流量Q
Q1=4167/3= 1389m3/h = 0.386m3/s
(1) 吸水管路的要求
①管材及接逢不漏气
②管路安装不积气
③吸水管进口位置不吸气
④设计流速： 管径小于250㎜时，V取1.0～1.2 m/s
管径等于或大于250㎜时，V取1.2～1.6 m/s
（2）压水管路要求
①要求坚固而不漏水,通常采用钢管,并尽量焊接口,为便于拆装与检修,在适当 地点可为法兰接口。为了防止不倒流，应在泵压水管路上设置止回阀。
②压水管的设计流速：管径小于250㎜时，为1.5～2.0 m/s
管径等于或大于250㎜时，为2.0～2.5 m/s
(2) 吸水管路直径
采用DN700钢管，则v=1.26/s ，1000i=2.76
压水管的选取
采用DN600钢管，则V=1.66m/s，1000i=5.41
<四>、机组与管道布置
<1> 基础布置
基础布置情况见取水泵站祥图。
泵机组布置原则：在不妨碍操作和维修的需要下，尽量减少泵房建筑面积的大小，以节约成本。
<2>机组的排列方式
采用机组横向排列方式，这种布置的优点是：布置紧凑，泵房跨度小，适用于双吸式泵，不仅管路布置简单，且水力条件好。同时因各机组轴线在同一直线上，便于选择起重设备。
本取水泵房采用圆形钢筋混凝土结构，此类泵房平面面积相对较小，可以减少工程造价。每台泵有单独的吸水管、压水管引出泵房后连接起来。泵出水管上设有液压蝶阀（（c）HDZs41X-10）和手动蝶阀（D2241X-10），吸水管上设手动闸板闸阀（Z545T-6）。为了减少泵房建设面积，闸阀切换井设在泵房外面，两条DN900的输水干管用每条输水管上各设有切换用的蝶阀（GD371 Xp-1）一个。
<五>、吸水管路与压水管路的水头损失的计算
取一条最不利线路，从吸水口到输水干管上切换闸阀止为计算线路图
（1）吸水管路中水头损失∑h s:
= +
1、吸水管路沿程水头损失:

2、局部水头损失:

式中 ζ1———吸水管进口局部阻力系数，ζ1=0.75
ζ2 ———DN700钢管闸阀局部阻力系数，按开启度=0.125考虑，ζ2=0.12
ζ3 ———偏心渐缩管DN800×670 ,ζ3=0.18
则 =（0.75+0.12）×1.262/2g+0.18×1.372/2g=0.088m
所以吸水管路总水头损失为:
= + =0.00825+0.088=0.1m
（2）压水管路水头损失∑h d:
= +
1、压水管路沿程水头损失:

则：
=(0.5+4.0+0.6+0.5+4.1)×14.6‰+2×2.2‰=0.14m
2、局部水头损失:
∑h ld=ζ4V32/2g+(ζ5+ζ6+ζ7+ζ8+2ζ9+ζ10）V42/2g+(ζ11+ζ12+ζ13) V52/2g

式中：ζ4——DN500×600渐放管，ζ4=0.18
ζ5——DN600钢制900弯头, ζ5=0.67
ζ6——DN600液控蝶阀, ζ6=0.3
ζ7——DN600伸缩接头, ζ7=0.21
ζ8——DN600手动蝶阀, ζ8=0.15
ζ10——DN600×900渐放管, ζ10=0.21
ζ12——DN900钢制正四通, ζ12=1.5
则
∑h ld=0.33×5.242/2g+(0.54+0.15+0.21+0.15+2×1.08+0.41)×2.062/2g
+(1.10+1.5+0.15)×1.83/2g=0.496+0.405+0.660=2.26m

所以压水管路总水头损失为∑h d=∑h fd+∑h ld=0.18+2.26=2.44m
则泵站内水头损失:∑h=∑s+∑d=0.14+2.44=2.58m，符合假设的实际水头损失。
<六>泵安装高度和泵房筒体高度确定
为了便于用沉井法施工，将泵房机器间底板放在与吸水间底板同一标高，因而泵为自灌式工作，所以泵的安装高度小于其允许吸上真空高度，无需计算。
已知吸水间最低动水位标高为46.80m，为保证吸水管的正常吸水，取吸水管的中心标高为46.80 m。取吸水管下缘距吸水间底板0.7m，则吸水间底板标高为46.8-（D/2+0.7）=45.7m。洪水位标高为39.65m，考虑1.0m的浪高，则操作平台标高为39.65+1.0=40.65m。故泵房筒体高度为：
H=45.7-40.65=5.05m
<七>辅助设备设计
(1)引水设备
泵系自灌式工作，不需要引水设备。
(2)起重设备的选择
①选型 由前面设计可知，选用Y355M-4型电动机。
(3)排水设备
由于泵房较深，故采用电动泵排水。沿泵房内壁设排水沟，将水汇集到集水坑内，然后用泵抽回到吸水间去。
取水泵房的排水量一般按20～40 m3/h考虑，排水泵的静扬程按10m计，水头损失大约5m，故总扬程在10.0+5=15.0m左右，可选用IS65–50–125型离心泵（Q=15～30m3/h, H=21.8～18.5m, N=3kW, n=2900 r/min）两台，一台工作一台备用，配套电机为802–2。
(4)通风设备
由于与泵配套的电机为水冷式，无需专用通风设备进行空气冷却，但由于泵房筒体较深，仍选用风机进行换气通风。选用两台T35–11型轴流风机（叶轮直径700㎜，转速960 r/min，叶片角度15°，风量10127m3/h，风压90Pa，配套电机YSF–8026, N=0.37 kW）。
(5)计量设备
由于在净化场的送水泵站内安装电磁流量计统一计量，故本泵站内不再设计量设备。
<八>泵房建筑高度的确定
假设泵房筒体高度已知为11.39m，操作平台以上的建筑高度，根据起重设备及起吊高度、电梯机房的高度、采光及通风的要求，吊车梁底板到操作平台楼板的距离为6. 0m，从平台楼板到房顶底板净高为8.5m。
泵房平面尺寸的确定
根据泵机组、吸水与压水管道的布置条件以及排水泵机组和通风机等附属设备的情况，从给水排水设计手册中查出有关设备和管道配件尺寸，通过计算，求得泵房内径为18m。

送水泵站初步设计
一、设计说明书
1.设计任务及基本设计资料
某一新建水厂，原水经水厂处理后，由二级泵站送入市政给水管网。水泵从吸水井取水，清水池最高水位64米，最低水位60米，吸水井距清水池22.6米，水厂地面标高64米，输配水管网最大用水时水头损失为3.86米，用水最不利点地面标高67.00米，服务水头按28米考虑，城市最高日最高时用水量为2083.34L/s，消防水量按两个消防节点、每个消防节点45L/s考虑。试进行该二级泵站的工艺设计。
2.设计技术要求
设计要求达到扩初设计程度，设计成果包括:
（1）泵站平面布置图.（1～2张）
（2）泵站剖面图. （1张）
（3）主要设备及材料表.
（4）设计计算及说明书.
二．设计基本资料
泵站的设计流量Q ：2083.34×1.1=2291.67L/s
吸水井到清水池的水头损失为0.18m，吸水井最高水位63.82m，最低水位59.82m
水泵的扬程： H= H1+ H2+ + ∑h 1 +∑h2 +h1 ；
式中：
H----水泵扬程（m）
H1--管网控制点的地面标高与吸水井的最低水位的高程差，为67-59.82=7.18m；
H2---- 管网控制点要求的自由水头（m），取28m；
∑h1---- 管网中最高用水时的水头损失（m），取3m；
∑h2 ----初步假定用水量最大时泵站内管路水头损失（m），取2m；
h1----安全供水水头（m），取2m
则二级泵站的设计扬程：
H= H1+ H2+ ∑h1+ ∑h2+h1 = 7.18+28+3.86+2+2= 43.04m
三、水泵选型选泵时应遵循以下原则
1、先要满足最高供水工况的流量和扬程要求，并使所选水泵特性曲线的高效率范围尽量平缓，对特殊工况，必要时另设专用水泵来满足其要求； 2、尽可能选用同型号水泵；或扬程相近、流量大小搭配的泵； 3、应考虑近远期结合，一般考虑远期增加水泵台数或换装大泵； 根据本设计，近期选择12SH-9B(Q=190L/s，H=43m，HS=4.5) 型离心泵 四台，两用两备，20SH-00-54-6 型电动机(400KW,10KV)。
四、水泵机主基础设计
基础计算：
1、L=1637.5mm
2、B=1640mm
3、H=3×（W泵+ W电机 ）/B·L·ρ=3×(3670+4100)/1.64×1.64×2400=1.20m
所以500S59A型水泵混凝土块式基础尺寸为 L×B×H=1.64×1.64×1.2m。
五、泵轴安装高度确定及水泵吸水管和压水管的计算
500S59A型水泵最大工作流量为 603L/S为水泵吸水管路和压水管路所通过的最大流量，初步选定吸水管管径 DN=800mm，压水管管径 DN=600mm。 当吸水管 DN=800mm 时，L=流速 v=1.21m/s，1000i=2.11 。 当压水管 DN=600mm 时，流速 v=2.09m/s,1000i=8.87 。
吸水管路与压水管路的水头损失的计算
取一条最不利线路，从吸水口到输水干管上切换闸阀止为计算线路图
①吸水管路中水头损失∑h s:
∑h s=∑h fs+∑h ls
1、吸水管路沿程水头损失:
∑h fs=l1×is=2.11‰×2.4=0.0051m
2、局部水头损失:
∑h ls=(ζ1+ζ2) + ζ3
式中 ζ1———吸水管进口局部阻力系数，ζ1=0.75
ζ2 ———DN500钢管闸阀局部阻力系数，按开启度=0.125考虑，ζ2=0.15
ζ3 ———偏心渐缩管DN800×600 ,ζ3=0.22
则 ∑h ls=（0.75+0.15）×1.212/2g+0.22×2.152/2g=0.12m
500S59A 型水泵的汽蚀余量Hsv=6m，泵站海拔 50m 左右，水温 20℃，修正汽蚀余量H‘s = Hs-( 10.33 -10.27)= 6-0.06=5.94m，
经计算并考虑长期运行后泵性能下降和管路阻力增加等，水泵允许的最大安装高度：Hss=H's- v2/2g - ∑hs=5.94-0.08-0.12=5.74m。
泵轴安装高度=17.20+Hss=22.94m.
基础顶面标高 =泵轴标高-泵轴到基础顶面高度H=22.94-0.63=22.31
泵房地面标高 =22.31-0.2=22.11

②压水管路水头损失∑h d:
∑h d=∑h fd+∑h ld
1、压水管路沿程水头损失:
∑h fd =(l2+l3+l4+l5+ l6+l7)id1
∑h fd =(7.19+1.5+6.4+7.05+6.51+4.32)×8.87‰=0.287m
2、局部水头损失:
∑h ld=ζ4V32/2g+(ζ5+ζ6+ζ7+ζ8+2ζ9+ζ10）V42/2g+(ζ11+ζ12+ζ13) V52/2g
式中 ζ4——— DN400×600渐放管，ζ1=0.33；
ζ5——— DN600钢制45o弯头，ζ1=0.51；
ζ6——— DN600液控蝶阀，ζ1=0.1；
ζ7——— DN600伸缩接头，ζ1=0.21；
ζ8——— DN600手动蝶阀，ζ1=0.15；
ζ9——— DN600钢制90o弯头，ζ1=1.02；
ζ10——— DN600×700渐放管，ζ1=0.41；
ζ11———DN700钢制90o弯头，ζ1=1.02；
ζ12———DN700钢制正三通，ζ1=1.3；
ζ13———DN700蝶阀，ζ1=0.13；
则
∑h ld=（0.33×4.72/2g+(2×0.51+0.1+0.21+0.15+2×1.02+0.41)×2.092/2g+(1.02+2×1.3+2×0.13)×1.592/2g=0.37+0.876+0.5=1.746m
所以压水管路总水头损失为∑h d=∑h fd+∑h ld=0.287+1.746=2.033m
则泵站内水头损失:∑h=∑s+∑d=0.12+2.033=2.153m，因此，泵的实际扬程为：
最低水位时：Hmax=4.2+18+10+2.153+1.5=35. 853m
最高水位时：Hmin=(21.4-21)+18+10+2.153+1.5=32.053m
可见初选水泵机组符合要求。
六、吸水井的设计计算
吸水井尺寸应满足安装水泵吸水管进水喇叭口的要求。
吸水井最低水位=17.20m
吸水井最高水位=21.00m。
水泵吸水管进水喇叭口大头直径>=（1.3--1.5）d=1.4×800=1120mm
吸水管喇叭口边缘距离井壁距离>=（0.75--1）D =1000mm
吸水管喇叭口之间的距离>=（1.5--2.0）D=2000mm
喇叭口距离吸水井底距离>=0.8D=1000mm
喇叭口淹没水深>=0.5--1.5m=1.2m
吸水井井底标高：17.2-1.2-1.0=15.00m
吸水井长度:2000×2+1120×2+1000×3=9240mm
吸水井宽度：1120×2+1000=3420mm
吸水井高度：21+0.5-15.00=6.05m
所以，初定吸水井长度为9240mm，宽度为3420mm，高度为6.05m.
因为吸水井中蓄水量要满足最大泵3min抽水量，550×3×60=99000L,而初定吸水井枯水期蓄水量为(17.2-15.00)×9.24×3.42=70.95m3,故初定吸水井面积不满足用水需要，调整为长10000mm，宽4500mm。
七、泵房形式的选择
根据本设计情况，选择地面式泵房，水泵机组采用单排顺序式布置。每台水泵都单独设置吸水管，并设置 Z941T-10 型电动明杆楔形闸阀（DN=800mm，L=720mm，W=2613kg）。 压水管设为HBH41H-10 型液压缓闭式止回阀（DN=700mm，L=292mm，W=956kg）；设置 D341 型蜗轮传动法兰式蝶阀（DN=700mm；L=318mm；W=779kg） 。 泵房内管路采用直进直出布置，直接敷设在室内地板上。
八、起重机的选择
起吊设备形式的选择，主要依据为其中重量、起重高度和吊车跨度来确定。泵站内的起重设备应根 据最大一台水泵或电动机的重量设计。依据本设计，选择 LDA 电动单梁起重机，泵房高度 H 为：H= n +a+ c+d+ e+ f+g= 500+560+ 1130+ 3480+ 1580+ 1000+ 1780= 10030mm
九、消防校核
按最不利情况考虑，消防时，二级泵站的供水量为消防水量与最高时用水量之和为580L/s，需要最高扬程为38.7m。当备用泵与最高时运行水泵同时启动时，为三台500S59A并联工作，在水泵综合性能图上绘出三泵并联综和Q-H曲线，与参考管道特性曲线的交点为Q=620L/s,H=38.7，说明所选水泵机组能够适应设计地区的消防灭火的要求。