石小祥+薛蓮

摘 要：水泵站是一種以水能輸送為目的、水泵為手段的水能中轉(zhuǎn)站，主要有灌溉、供水、排水等多種用途。根據(jù)建設(shè)目的不同，水泵站的建設(shè)規(guī)劃也存在很大區(qū)別，在水泵選型、配套電機(jī)選型等方面需要考慮的實(shí)際問題都不相同。隨著用水矛盾的出現(xiàn)和用水資源減少，科學(xué)合理地進(jìn)行水泵站規(guī)劃和設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)下水泵站修建的重要基礎(chǔ)。文章從水泵站的基本概念入手，對(duì)水泵作了簡(jiǎn)單介紹，針對(duì)水泵站的用途和分類進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，并就水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析。同時(shí)，深入分析了水泵站各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)水泵站的整體布置作了簡(jiǎn)單分析，以期綜合得出優(yōu)良的水泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，提升相關(guān)工作水平。

關(guān)鍵詞：水泵站 規(guī)劃設(shè)計(jì) 方法

中圖分類號(hào)：TV2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0105-02

水泵站在我國(guó)發(fā)展的歷史較長(zhǎng)，具有比較豐富的規(guī)劃設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。尤其是在一些比較缺水的地區(qū)，水泵站是較為普遍的一個(gè)存在。這給生活用水以及農(nóng)田灌溉提供著可靠的水源，對(duì)地區(qū)發(fā)展作出了不可估量的貢獻(xiàn)。

1 水泵站簡(jiǎn)介

水泵站是一個(gè)通過水泵機(jī)械將水能從低處運(yùn)輸?shù)礁叱龅乃苤修D(zhuǎn)站，其核心設(shè)備就是水泵和配套電機(jī)。相關(guān)附屬機(jī)械設(shè)備主要有供水排水、供油通風(fēng)、照明防火等設(shè)備；建筑設(shè)施主要有泵房、進(jìn)水池、出水池、管理中心和變電站等。水泵站的分類十分廣泛，從用途來說可以分為供水泵站、排水泵站、灌溉泵站以及綜合型泵站等；從水泵選型來說可以分為混流泵泵站、軸流泵泵站以及離心泵泵站等；從能源性質(zhì)來說可以分為電力泵站、太陽能泵站、水力泵站、風(fēng)力泵站以及內(nèi)燃機(jī)泵站；從設(shè)計(jì)流量來說又可以分為小、中、大型泵站；從是否移動(dòng)的角度來說又可以分為移動(dòng)式泵站、半固定泵站以及固定式泵站。目前，我國(guó)排灌泵站中設(shè)計(jì)流量最大的是江都排灌泵站，其設(shè)計(jì)流量達(dá)到了470m2/s，揚(yáng)程能夠達(dá)到八米左右；單級(jí)揚(yáng)程最高的東雷二級(jí)泵站，其揚(yáng)程達(dá)到了215m。從世界范圍內(nèi)來說，設(shè)計(jì)流量最大的泵站是卡克霍夫泵站，其設(shè)計(jì)流量達(dá)到了530m3/s；揚(yáng)程最高的是埃德蒙斯頓泵站，其總揚(yáng)程達(dá)到了590m。

2 水泵的用途及分類

水泵是一種流體機(jī)械，是一種把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體動(dòng)能和勢(shì)能的機(jī)械裝置，起到輸送液體的目的。水泵一般可以分為葉片式泵和容積式泵兩種，葉片式泵主要是通過液體與葉片的相互作用達(dá)到輸送液體的目的，比如離心泵；而容積式泵是通過泵內(nèi)空腔做周期性變化達(dá)到輸送液體的目的，比如往復(fù)泵。根據(jù)使用途徑的區(qū)別，輸送液體介質(zhì)的區(qū)別等，泵主要可以用于以下用途，污水處理、城市供水、化工生產(chǎn)、火力發(fā)電、石油開采與運(yùn)輸、礦山冶金、水利灌溉、船舶系統(tǒng)等。由此可見，泵的運(yùn)用范圍十分廣闊。根據(jù)工作原理，泵可以分為離心泵、軸流泵、混流泵、旋渦泵、射流泵、螺桿泵、潛水泵、蒸汽泵、自吸泵等類型；根據(jù)用途可以分為清水泵、排污泵、渣漿泵、輸油泵以及化工泵等。此外，還可以根據(jù)葉輪級(jí)數(shù)將泵分為單級(jí)和多級(jí)；根據(jù)泵吸入口數(shù)量將泵分為單吸和多吸。

3 水泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

水泵類型眾多，對(duì)不同類型的水泵而言，其基本結(jié)構(gòu)存在一定的差異，在性能上也會(huì)表現(xiàn)出不同。就單級(jí)單吸清水離心泵而言，其是水泵中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的水泵之一。從設(shè)計(jì)的角度來講，單級(jí)單吸離心泵主要包括了葉輪、軸、壓水室、進(jìn)水口、泵體等主要部件，還有鍵、泵蓋、密封等附屬部件。主要部件的設(shè)計(jì)參數(shù)不同，就會(huì)直接影響到離心泵的基本性能。比如設(shè)計(jì)葉輪時(shí)，葉輪的比轉(zhuǎn)速較大，超過一百甚至兩百，那么泵的揚(yáng)程就會(huì)相對(duì)較低，泵也可以歸入中高比轉(zhuǎn)速泵這一分類；如果比轉(zhuǎn)速較低，不足六十甚至只有十幾，那么泵的揚(yáng)程就會(huì)很高，這類泵也被稱為低比轉(zhuǎn)速離心泵和超低比轉(zhuǎn)速離心泵。所以，水泵設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際需求科學(xué)合理地進(jìn)行。

水泵在啟動(dòng)后，需要進(jìn)行適當(dāng)加水，才能將水吸入泵中。當(dāng)然并非所有泵都是如此，自吸泵具有一定的自吸功能，在一定吸水高度時(shí)，自吸泵就可以不需加水，自動(dòng)將水吸入到泵中。水泵將水從進(jìn)水口吸入，通過葉輪將水排入壓水室，再通過出水口排入輸水管道。從水泵站的實(shí)際情況來看，單級(jí)雙吸離心泵是使用范圍最廣的水泵類型，其次是軸流泵和單級(jí)單吸離心泵。單級(jí)雙吸離心泵相對(duì)單級(jí)單吸離心泵而言，其進(jìn)水口有兩個(gè)，而且左右對(duì)稱，能夠有效降低水泵吸水過程產(chǎn)生的軸向力。

4 水泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)

4.1 泵站平面整體布置

泵站主要包括了泵房、進(jìn)水池、控制中心和變電站這四個(gè)部分，每個(gè)部分的布置需要結(jié)合實(shí)際地理環(huán)境和建設(shè)需求進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

（1）泵房的布置。

泵房是泵站的核心環(huán)節(jié)，是水泵機(jī)組的布置場(chǎng)所。泵房的布置主要可以分為兩個(gè)部分，一個(gè)部分是泵房的地理位置，一個(gè)是內(nèi)部機(jī)組布置。泵房地理位置主要應(yīng)該根據(jù)實(shí)際地理環(huán)境，盡量選擇平整開闊、地質(zhì)條件穩(wěn)定、便于建設(shè)相關(guān)附屬設(shè)施的場(chǎng)地進(jìn)行泵房建設(shè)規(guī)劃。

內(nèi)部機(jī)組布置主要是水泵機(jī)組布置，水泵機(jī)組布置可以分為縱向和橫向兩種布置方式。縱向布置需要注意六個(gè)要點(diǎn)。第一，泵房大門保持通暢能夠容納最大設(shè)備，水管外壁和墻體的凈距應(yīng)該在最大設(shè)備寬度的基礎(chǔ)上增加一米；第二，泵體和水管間距保持在一米以內(nèi)，確保操作人員能夠順利通行；第三，配電設(shè)備和水管外壁需要保持一定的安全距離，該安全距離應(yīng)該大于兩米；第四，墻體與水泵外壁突起處保持一定間距，確?？梢皂樌M(jìn)行配件安裝和水泵檢修；第五，電機(jī)外壁突出與墻體要保持一定的距離，確保在電機(jī)檢修時(shí)具有足夠的空間，一般該距離是在電機(jī)軸長(zhǎng)的基礎(chǔ)上加上0.5m；第六，相鄰機(jī)組之間的水管外壁凸起部分凈距要大于并保持在一米及以上。橫向布置就是水泵主軸成一條直線，橫向布置的基本間距要求和縱向布置保持一致，但是需要注意的是，橫向布置容易導(dǎo)致泵房跨度增大，因此可以考慮將吸水閥門安裝在泵房之外。

（2）進(jìn)水池布置。

進(jìn)水池布置需要結(jié)合泵房機(jī)組布置的情況進(jìn)行確定，如果泵房?jī)?nèi)部機(jī)組采取縱向布置，那么進(jìn)水池需要布置在泵房正面；如果泵房?jī)?nèi)部機(jī)組采取橫向布置，那么進(jìn)水池需要布置在泵房側(cè)面。進(jìn)水池的容量需要根據(jù)實(shí)際流量需求，設(shè)計(jì)合理的進(jìn)水池開挖方案。

（3）控制中心布置。

控制中心的作用就是對(duì)各個(gè)機(jī)組的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)管理，并根據(jù)實(shí)際需求對(duì)機(jī)組進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。通常情況下，控制中心是和泵房連接在一起的，以便能夠直觀全面地對(duì)機(jī)組進(jìn)行觀察。但是，泵房機(jī)組在運(yùn)行過程中，噪音十分巨大。尤其是多臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定程度的共鳴導(dǎo)致噪音加倍，對(duì)人會(huì)造成較大的影響。所以，控制中心布置可以與泵房連接，但是必須做好隔音措施，確?？刂浦行哪軌蛘９ぷ?。

（4）變電站布置。

變電站布置一般應(yīng)該遠(yuǎn)離水池，選擇開闊無障礙物、不存在地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行布置。同時(shí)需要注意的是，變電站布置在考慮安全的前提下，還需要考慮節(jié)省供電成本以及變電站檢修工作方便等。

4.2 水泵機(jī)組選型

水泵機(jī)組是水泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)的核心設(shè)備，只有選擇合理的水泵機(jī)組，才能使水泵站發(fā)揮出預(yù)想中的作用。水泵選型應(yīng)該根據(jù)工程水量和水壓變化兩個(gè)方面的情況進(jìn)行?；疽笫牵跐M足工況的條件下盡可能減少成本；從技術(shù)層面對(duì)水泵揚(yáng)程、流量等進(jìn)行完善地計(jì)算，進(jìn)而確定水泵型號(hào)和數(shù)量；從經(jīng)濟(jì)和管理的角度確定泵的布置方式和工作方式，最大程度降低維修費(fèi)用和工作能耗。此外，水泵選擇還需要考慮以下幾個(gè)方面的問題，第一，水泵類型與水質(zhì)相對(duì)應(yīng)，清水使用清水泵，污水使用污水泵；第二，在水泵符合吸水要求的情況下，盡量減少泵站埋深；第三，水泵機(jī)組選型、數(shù)量要先于泵房設(shè)計(jì)；第四，泵型應(yīng)該便于維修，并且能夠就近購(gòu)買，減少相關(guān)開支。

水泵的具體選定方案根據(jù)工作效率和最大揚(yáng)程可以分為兩類，第一，多臺(tái)小泵并聯(lián)；第二，幾臺(tái)大泵并聯(lián)。選擇大泵還是小泵，需要根據(jù)實(shí)際情況確定，并且兩種方案之間各有優(yōu)缺點(diǎn)。比如，針對(duì)某供水方案，方案一是4臺(tái)350S75A的水泵并聯(lián)，單臺(tái)水泵的流量范圍在900～1300m3/h之間，揚(yáng)程在55～70m之間，轉(zhuǎn)速為1450 r，效率為84%，相應(yīng)配套電機(jī)的功率為280kW[1]。方案二是2臺(tái)500S98B水泵并聯(lián)，單臺(tái)水泵的流量范圍在1400～2000m3/h之間，揚(yáng)程在60～85m之間，轉(zhuǎn)速為970r，效率為78%，相應(yīng)的配套電機(jī)功率為560kW。這兩種方案對(duì)比來看，方案一的養(yǎng)護(hù)成本明顯小于方案二，效率相對(duì)方案二也更高；方案一的水泵汽蝕余量是5.5m，而方案二的水泵汽蝕余量是4m，方案一的汽蝕余量遠(yuǎn)大于方案二；方案一的配套電機(jī)功率為280kW，四臺(tái)配套電機(jī)的總功率是1120kW，而方案二單臺(tái)配套電機(jī)的功率是560kW，兩臺(tái)配套電機(jī)的總功率也是1120kW，與方案一持平。但是，方案一機(jī)組數(shù)量較多，所需的泵房面積大于方案二。對(duì)比來看，方案一在大部分方面均優(yōu)于方案二，所以，選擇方案一來達(dá)成輸送要求。

4.3 吸水井的設(shè)計(jì)和安裝

吸水井的設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如果某泵站水泵葉輪外徑D=800mm，d=600mm。那么經(jīng)過計(jì)算可知，吸水管的進(jìn)口直徑DN≥（1.3～1.5）d= 810mm；吸水管喇叭口長(zhǎng)度L≥（3.0～7.0）（D-d）=810mm；吸水井井底到喇叭口的直接距離s≥0.8D=640mm；喇叭口的淹沒深度h≥（0.5～1.0）m，一般取大值即h≥1m。通過計(jì)算可以得出吸水機(jī)的長(zhǎng)度是11800mm，寬度為2350mm；吸水井的高度一般是淹沒深度+喇叭口距離井底深度+有效水深+超高+凍土層[2]，這就需要根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

吸水井的安裝可以分為兩個(gè)部分，即喇叭口垂直安裝和水平安裝。垂直安裝需要注意四個(gè)安裝要點(diǎn)：第一，淹沒深度應(yīng)該大于0.5～1m，如果沒有達(dá)到這一要求，則需要設(shè)置水平隔板，水平隔板需根據(jù)實(shí)際情況具體確定；第二，喇叭口到井底的距離要大于0.8D，確保吸水管進(jìn)口流速符合設(shè)計(jì)要求；第三，水井井壁到喇叭口的距離要大于0.75D，確保具有足夠的空間進(jìn)行其他操作；第四，喇叭口之間的距離要保持在1.5D以上，避免距離過近造成相互干擾。水平安裝的淹沒深度要大于垂直安裝，淹沒深度要保持在0.5m～1.5m以上；井底和喇叭口間距要大于0.33D，確保吸水管進(jìn)口流速。其他方面水平安裝和垂直安裝基本保持一致。

4.4 引水設(shè)備的設(shè)計(jì)

引水設(shè)備可以分為帶底閥吸水管、不帶底閥吸水管以及水射器引水。帶底閥吸水管可以分為三類，一是人工引水，將水從水泵頂部的灌水孔引入泵內(nèi)，同時(shí)將排氣閥打開；二是倒灌引水，如果壓力管中有水，并且沒有止回閥，水壓較低時(shí)，可以直接打開閘閥把水引入泵內(nèi)；三是高架泵箱引水，通過在泵房設(shè)置高架水箱，在水泵啟動(dòng)時(shí)，將水箱中的水引入水泵。帶底閥引水法的特點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單，容易操作；但是底閥的水頭損失較大，且需要經(jīng)常養(yǎng)護(hù)清理。

不帶底閥吸水管的引水方式主要是通過真空泵進(jìn)行引水，其最大特點(diǎn)就是水泵啟動(dòng)快，運(yùn)行可靠，自動(dòng)化控制容易實(shí)現(xiàn)。這種引水方式最常用的是水環(huán)式真空泵，該泵的基本原理就是在泵體內(nèi)安裝偏心葉輪，在泵啟動(dòng)之前引水灌滿泵殼，通過葉輪旋轉(zhuǎn)從而形成水環(huán)。當(dāng)泵殼和水環(huán)分離時(shí)，葉輪的間距逐漸變大，壓力逐漸減小，進(jìn)氣口和進(jìn)氣管吸入空氣。在后半轉(zhuǎn)，泵殼和水環(huán)逐漸靠攏，壓力升高，空氣從排氣口排除。水環(huán)式真空泵排氣量為：

。

式中K為漏氣系數(shù)，一般取值范圍是1.05～1.10；是水泵站中，最大水泵泵殼內(nèi)的空氣容積；是水泵站中最大水泵的吸水管內(nèi)的空氣容積；是水柱表示的大氣氣壓；是水泵的實(shí)際安裝高度；T為水泵的引水時(shí)間，一般應(yīng)該保持在五分鐘以內(nèi)，消防類水泵不應(yīng)該大于3 min。

水射器引水的基本原理是在水射器的噴嘴處施加一定壓力產(chǎn)生高速水流，使喉管處形成真空，將泵內(nèi)的空氣抽離[3]。水射器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，安裝方便，操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，是十分常見的引水設(shè)備，但是水射器的效率較低，需要大量的高壓水。

5 水泵站管理養(yǎng)護(hù)規(guī)劃設(shè)計(jì)

管理養(yǎng)護(hù)也是水泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可以分為日常管理和養(yǎng)護(hù)維修兩個(gè)方面。

其中日常管理可以分為三個(gè)方面。首先是管理對(duì)象，對(duì)水泵站而言，管理對(duì)象不僅應(yīng)該包括各類硬件設(shè)備和建筑，還應(yīng)該包括控制中心的軟件系統(tǒng)，把水泵站的各個(gè)環(huán)節(jié)囊括其中；其次，是管理措施，管理措施制定要結(jié)合水泵站的實(shí)際情況，對(duì)不同的管理對(duì)象制定不同的管理措施。比如，對(duì)泵房機(jī)組的管理，就應(yīng)該加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，分析判斷機(jī)組運(yùn)行狀況，并對(duì)存在異常的機(jī)組進(jìn)行及時(shí)檢修。在管理措施的基礎(chǔ)上，還需明確管理人員的配置，詳細(xì)劃定管理人員的職責(zé)區(qū)域，明確具體的管理辦法；最后，加強(qiáng)對(duì)管理工作的監(jiān)督，可以通過安裝監(jiān)控系統(tǒng)切實(shí)對(duì)每個(gè)環(huán)節(jié)的管理工作進(jìn)行監(jiān)督。

而養(yǎng)護(hù)維修又可以分為養(yǎng)護(hù)和維修兩個(gè)部分，養(yǎng)護(hù)主要是對(duì)相關(guān)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行潤(rùn)滑、除污、清雜等養(yǎng)護(hù)工作；維修主要是對(duì)存在故障問題的機(jī)組或零部件進(jìn)行修理和更換，以便及時(shí)排除問題，維持機(jī)組設(shè)備的正常運(yùn)行。

6 結(jié)語

水泵站從整體結(jié)構(gòu)上來說并不復(fù)雜，但是每個(gè)環(huán)節(jié)的具體工作仍需要投入大量精力。水泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于泵站整體布局、機(jī)組設(shè)計(jì)與選型、吸水井和引水設(shè)備的設(shè)計(jì)與安裝、泵站的日常管理和養(yǎng)護(hù)維修等。只有從這些重點(diǎn)出發(fā)做好每一個(gè)環(huán)節(jié)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，才能使水泵站的整體設(shè)計(jì)結(jié)果符合實(shí)際需求。

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