毛少波

豎井式貫流泵在海河口泵站的應用

毛少波

（天津市水利勘測設計院，天津300204）

泵站的水泵種類繁多，各自有不同的應用特點。貫流泵以其適用大流量、低揚程的特點在越來越多的大中型泵站中應用。海河口泵站位于天津市海河干流入?？谔帲O計排水流量230 m3/s，屬于大（1）型排澇泵站，采用豎井貫流泵，單機33 m3/s。主要論述該泵型的應用。

海河口泵站；豎井貫流泵；低揚程；大流量；裝置試驗

1 前言

水是人類賴以生存的資源，“水往低處流”是自然規(guī)律，但人類的生活和生產往往需要改變水的這個規(guī)律，進行水的提升。在古代已有各種提水器具，如古埃及的鏈泵、古希臘的螺旋桿、我國的水車等。隨著人類文明的進步，機械的使用極大地改變了我們的生產條件，水泵的出現(xiàn)使水的提升變得更加便捷。水泵就是輸送液體或使液體增壓的機械，主要利用回轉葉片與水的相互作用來傳遞能量，有軸流泵、離心泵和混流泵等型式。以水泵為主體的構筑物稱為泵站，泵站按功能來分，主要有排水、灌溉、供水等類型。

隨著人口的增加和城市規(guī)模的不斷擴大，尤其是受近年來極端天氣影響，內澇頻發(fā)，排水泵站在城市建設中的地位越來越重要。目前，排水泵站主要有立式軸流泵、潛水泵、貫流泵、混流泵等型式。其中，貫流泵由于水流在泵中直進直出，具有符合水流條件、效率高等特點，特別適合于低揚程、大流量的泵站。

天津市海河口泵站采用前置式豎井貫流泵，共7臺，單泵流量33 m3/s，總流量230 m3/s，如此大規(guī)模的泵站采用前置豎井式貫流泵在華北地區(qū)屬于首次。

2 概況

進入21世紀，受全球性氣候變化影響，我國極端天氣多發(fā)頻發(fā)。2008年以來，全國62%的城市發(fā)生過內澇，北京、廣州、深圳、武漢等特大城市先后發(fā)生了嚴重內澇，造成重大經濟損失和惡劣社會影響。

海河干流位于海河流域尾閭，是海河支流的匯流處和入?？?，承擔分泄大清河和永定河部分洪水的任務，是一條集防洪、排澇、蓄水、供水、航運、旅游為一體的多功能河道。海河干流自子牙河與北運河匯流口至渤海灣塘沽入?？冢L超過70 km，設計行洪流量800 m3/s。

天津市區(qū)處于海河下游，屬于九河下梢，歷史上就是洪澇災害頻發(fā)之地。經過新中國成立以來的一系列治理，海河干流洪水對天津市的威脅降低，但是區(qū)域降水產生的澇水仍對天津市的城市功能產生嚴重影響。

海河干流共承擔約天津中心城區(qū)2/3面積、環(huán)城四區(qū)及濱海新區(qū)等重要區(qū)域的排水任務，由于海河干流為入海尾閭河道，河口僅建有防潮閘，沒有建設泵站，受海潮頂托，河口防潮閘的排水能力受到極大限制。尤其是近年來極端天氣較多，區(qū)域強降雨時有發(fā)生，若中心城區(qū)發(fā)生24 h 200 mm強降雨，受管網及小區(qū)泵站等城市排水設施建設滯后、二級河道出口泵站能力不足以及海河排水下泄不暢等因素的共同限制，海河景觀平臺和兩岸下沉路仍會長時間被淹，二級河道會發(fā)生漫溢；若東麗、津南、濱海新區(qū)同時發(fā)生強降雨，海河干流水位勢必抬高，中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)積水范圍和程度將進一步擴大。

2012年，天津連續(xù)遭遇“7·21”“7·25”“7·30”3次強降雨，中心城區(qū)和區(qū)縣建成區(qū)多處積水，農田瀝澇嚴重，多條河道出現(xiàn)險情。為完善天津市防洪排澇體系、提高應對極端天氣能力、緩解海河干流排澇壓力，修建海河口泵站工程是非常必要的。根據(jù)規(guī)劃和規(guī)模論證，海河口泵站規(guī)模確定為230 m3/s，位于海河入?？?，可與海河防潮閘形成互補，共同降低海河干流水位，保證汛期排澇安全。

3 泵站泵型選擇

海河口泵站通過引河從海河干流取水，下游接入海口。泵站設計排水流量為230 m3/s，屬于大（1）型泵站，設計揚程2.17 m，最大揚程4.18 m。工程位于海河干流入?？谔幒拥纼?，屬于河口淤積地層，地質條件較差，因此泵站的泵型選擇很重要。從技術、經濟等方面考慮，泵型選擇的主要原則有：機組運行效率高、高效范圍寬，以降低運行費用；機組技術成熟、運行安全可靠，以提高用水保證率；機組汽蝕性能好，保證機組在使用壽命期內檢修次數(shù)少；檢修、維護方便，易于運行管理；與土建、電氣、金屬結構工程綜合考慮，經濟技術上合理、可行。

本工程泵站設計揚程為2.17 m，屬低揚程泵站，立式泵很難在如此低的設計揚程下獲得較高的效率，電機配套功率大、運行費用高。采用立式軸流泵配肘形進水流道、虹吸式出水流道，按照《泵站設計規(guī)范》，駝峰底部高程應略高于出水池最高運行水位，水泵起動時的揚程要遠遠高于泵站運行最大揚程，由此帶來水泵運行的不穩(wěn)定，甚至需要增加抽真空系統(tǒng)，給泵站的運行、管理和維護帶來不便。同時，立式泵的布置會加大基礎開挖，結合本工程所處的地質情況，會增加工程施工難度和投資。綜上所述，立式軸流泵方案在本工程中沒有明顯的優(yōu)勢，不作為推薦方案。

對于低揚程泵站，在實際使用中宜采用裝置效率相對較高且開挖深度小、結構簡單、便于管理的臥式機組型式。根據(jù)本泵站的特點，擬選取豎井貫流泵、斜15°軸伸泵和軸伸貫流泵3種不同的裝置方案進行技術經濟比較。

方案一：豎井貫流泵。豎井貫流式機組是將電動機和齒輪箱布置在流線形的豎井中，與安裝在流道中的水泵相聯(lián)接，豎井的尺寸根據(jù)電動機和齒輪箱的結構尺寸確定，機組結構簡單，密封止水要求不高，運行維護方便，電機可采用風冷或水冷卻。豎井貫流泵流道中軸線從進口至出口呈直線形，流道平順沒有彎曲，水流流態(tài)較平穩(wěn)，流道水力損失小，裝置效率高，高效區(qū)較寬，流道形狀簡單，不但土建工程量小，施工還比較方便。

方案二：斜15°軸伸泵。斜式軸流泵是介于立式泵和臥式泵之間的一種泵型，兼有二者的優(yōu)點。斜式軸流泵的裝置效率較高，泵站的站身高度較立式泵站小，底板埋深小，土建費用相對較低。采用斜式軸流泵的泵站可根據(jù)不同揚程選擇不同的傾角，小傾角的斜式軸流泵可用于低揚程的泵站。根據(jù)本泵站的特征揚程可選擇15°軸伸泵。另外，由于斜式軸流泵的水導軸承受力情況較立式、臥式軸流泵復雜，國內已建的斜式軸流泵在水導軸承的運用上或多或少都出現(xiàn)過問題。水導軸承偏心磨損，使用壽命短，水泵運行有振動，齒輪箱噪音相對大。

方案三：軸伸貫流泵。軸伸貫流式機組包括平面軸伸貫流式和立面軸伸貫流式2種型式，分別采用平面S形流道和立面S形流道，電動機和齒輪箱布置在流道外側，水泵軸伸出流道外與電機、齒輪箱連接，具有結構簡單、通風防潮條件良好、運行維護方便、密封止水要求不高等優(yōu)點，但軸伸貫流式機組裝置的進出水流道都有彎頭，不同程度地增加了流道的水力損失，影響裝置的水力性能，而且機組直徑不宜過大，否則會造成機組主軸太長，中間沒有支承，導致機組運行不穩(wěn)定。平面軸伸貫流式泵站采用平面S形流道，葉輪中心安裝高程、站身順水流向長度、廠房跨度與豎井貫流式泵站一致，但機組間距大、站身寬度增大；立面軸伸貫流式泵站采用立面S形流道，葉輪中心安裝高程、站身順水流向長度、廠房跨度與豎井貫流式泵站一致，但站身開挖深度加大，因此軸伸貫流式泵站土建投資最大，機組設備造價與豎井貫流式泵站相同，泵站總投資最大。

根據(jù)一些地區(qū)已建成同類泵站的泵型比較結果，豎井貫流式機組土建主體結構工程造價是15°斜軸泵的91%，主要設備造價是15°斜軸泵的86%，經濟優(yōu)勢比較明顯，貫流泵運行維護也較為方便。經綜合考慮，確定海河口泵站采用豎井貫流泵。

4 流道CFD優(yōu)化與裝置模型試驗

海河口泵站采用前置式豎井貫流泵，單泵流量33 m3/s，共7臺，總流量230 m3/s。該泵站的豎井式貫流泵無論是單泵流量還是泵站總規(guī)模，在華北地區(qū)均為最大，并且是首次應用。為保證工程的可靠性和安全性，工程建設單位委托了揚州大學進行進出水流道CFD水力優(yōu)化和水泵裝置模型試驗。

4.1 進出水流道CFD優(yōu)化

長期以來，水泵的裝置水力設計均通過泵段及裝置模型試驗進行開發(fā)、優(yōu)化并得以驗證。模型試驗雖然可以測試水泵裝置的運行特性，但制作周期長、成本高，尤其是優(yōu)化調整還要增加時間和成本。隨著計算機技術的發(fā)展和計算方法的改進，先進的計算機數(shù)值性能預測研究工具——CFD（計算流體動力學）技術將逐步成為泵裝置水力優(yōu)化設計的主流。采用先進的CFD技術與模型實驗技術相結合設計開發(fā)的水泵及水泵裝置，將具有優(yōu)良的性能。

海河口泵站開展CFD優(yōu)化，以最終確定進出水流道的型線和設計參數(shù)，實現(xiàn)進出水流道CFD優(yōu)化設計和裝置性能預測。不帶水泵而單獨進行的進出水流道數(shù)值計算方法，由于不考慮進出水流道與葉輪、導葉、輪轂等水泵過流部件之間的相互影響，尤其是進水流道的出口和出水流道的進口的邊界條件是未知的，因此必須做出一系列的假定。許多研究表明，這種假設可能會影響到水泵裝置數(shù)值計算和性能預測的準確性，尤其是對水泵裝置在非設計工況下的性能預測結果影響更加明顯。海河口泵站流道CFD優(yōu)化設計研究，運用計算流體動力學方法和大型商業(yè)軟件FLUENT，選擇適合海河口泵站特征揚程的水力模型，將水泵的葉輪、導葉與進出水流道及門槽等過流部件作為整體進行水泵裝置全流道數(shù)值計算，實現(xiàn)進出水流道的水力優(yōu)化設計和裝置性能預測，更加符合水泵裝置內部流動特點，更加接近工程實際情況。

對進水流道、水泵、出水流道等過流部件組成的水泵裝置內部水流運動現(xiàn)象進行分析、概括、抽象和簡化，并依據(jù)質量守恒、動量定律和能量守恒等基本原理，可建立起水泵裝置內部流動數(shù)學模型。在恒定流情況下，基本方程組不包括時間變量而表達為邊值問題。由于低揚程水泵裝置中的水流速度很低，水的黏度和密度變化不大，可近似為不可壓縮，因而可采用時均、不可壓、黏性、恒定流動的Navi?er-Stokes方程，描述水泵裝置內部流動三維流場。海河口泵站進出水流道CFD優(yōu)化計算研究根據(jù)原型貫流泵主要設計參數(shù)，開展進出水流道的優(yōu)化設計，從內部流態(tài)、流道水力損失、泵裝置效率等方面進行綜合評價。流道模型示意，如圖1所示。

圖1 流道模型示意

海河口泵站貫流泵裝置CFD數(shù)值計算結果表明，優(yōu)化設計的豎井式進水流道內部流態(tài)平順、均勻，出口斷面的軸向流速分布均勻度和入泵水流偏流角分別為97.16%和3.81°，水力損失為0.045 m，能為水泵提供良好的進水條件，可滿足水泵高效運行的要求。水平剖面流場，如圖2所示。

圖2 水平剖面流場

4.2 水泵裝置模型試驗

為驗證進出水流道CFD優(yōu)化設計結果，從而更準確地掌握海河口泵站豎井貫流泵裝置的能量性能、空化性能和飛逸特性等水力性能，確保泵站安全可靠運行并高效地發(fā)揮經濟、社會效益，項目開展初期，揚州大學接受委托同時進行該站的泵裝置模型試驗研究工作。模型試驗于2014年11—12月在揚州大學流體動力工程實驗室高精度泵站試驗臺進行。試驗臺為平面封閉循環(huán)系統(tǒng)，由水力循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。海河口泵站選用經南水北調工程水泵模型同臺測試的TJ04-ZL-07水力模型。模型水泵葉輪直徑Dm= 300 mm，葉片數(shù)z=3，葉輪外殼采用中開結構，以利拆裝及葉片角度調節(jié)。裝置模型試驗進出水流道采用已經過CFD優(yōu)化后的進出水流道，進行能量性能試驗、空化特性試驗以及飛逸特性試驗。海河口泵站豎井貫流泵裝置綜合性能曲線（原形），如圖3所示。

圖3 海河口泵站豎井貫流泵裝置綜合性能曲線（原形）

通過裝置試驗驗證，得出以下結論：

（1）海河口泵站豎井貫流泵裝置模型運行平穩(wěn)、水力性能較好，水泵選型合理，進出水流道水力設計滿足設計要求。

（2）確定海河口泵站豎井貫流泵裝置主要工況點的性能參數(shù)。

（3）建議水泵安裝高程，保持水泵汽蝕特性較好。

（4）根據(jù)飛逸特性試驗結果，泵裝置的單位飛逸轉速隨葉片角度的減小而增大。在葉片角度+1°和最大上下游水位差4.18 m時，飛逸轉速達到額定轉速（115 r/min）的2倍左右。一般而言，泵站飛逸轉速范圍為1.4～1.7倍的額定轉速，而電機制造廠家按1.5倍的額定轉速校驗機組安全性。為確保水泵機組在停機過程中的安全，建議水泵機組制造商加強水泵機組轉動部件剛度、強度及潤滑等方面的設計與校驗。

5 豎井貫流泵機組主要技術參數(shù)和部件選用

5.1 機組主要技術參數(shù)

海河口泵站采用的葉輪直徑為3 200 mm、轉速為115 r/min，配套的同步電機功率為1 600 kW、額定轉速為750 r/min。

5.2 齒輪箱型式的選擇

豎井貫流泵機組的齒輪箱型式，可采用平行軸齒輪減速箱、同軸（線）行星齒輪減速箱2種。其中，平行軸齒輪減速箱制造技術成熟、效率高，目前國內多個豎井貫流泵站都采用了這種型式的齒輪減速箱；行星齒輪減速箱為同軸線傳動的齒輪箱，采用多個行星齒輪傳遞荷載，具有體積小、結構緊湊、傳動比范圍大等特點，但對設計、制造要求較高。豎井貫流泵的上部敞開，高度不受限制，因此推薦選用水泵軸與電機軸上下平行的平行軸齒輪減速箱。齒輪減速箱傳動比為6.5，傳遞功率為1 600 kW。

5.3 流道型式與斷流方式的選擇

泵站采用平直管式進出水流道。上游進水流道中間布置電機豎井，豎井兩側進水；出水流道為平直管，出口采用快速閘門斷流方式。

5.4 機組安裝高程的確定

水泵安裝高程由吸出高度和進水池最低運行水位計算確定。吸出高度計算公式為：

式中：Pa/Pg為標準條件下的大氣壓力水頭（m），取10.33 m；hc為進水流道水力損失（m），包括門槽的水力損失，取0.3 m；Pr/Pg為常溫清水的汽化壓力水頭（m），取0.24 m；K為汽蝕余量系數(shù)，取1.35；Δhr為汽蝕余量（m），按裝置模型試驗最大值換算得7.5 m。經計算，hs=-0.34 m。

由以上計算結果可知，水泵葉輪中心需淹沒0.34 m，但參考類似已建工程的經驗，如南水北調金湖泵站葉輪中心淹沒4.45 m，葉片頂緣淹沒2.775 m；南水北調泗洪泵站葉輪中心淹沒4.47 m，葉片頂緣淹沒2.945 m。根據(jù)進出水流道型式及水泵結構尺寸布置，考慮到泵站運行的可靠性要求以及以往類似工程經驗，確定葉輪頂緣淹沒在下游最低水位不少于2.0 m。

由于豎井貫流泵的電機、齒輪箱、推力軸承等設備均安裝在通風條件差的豎井內，很難通過自然散熱來保證井內機電設備的溫升在安全范圍內，特別是保證電機的溫升。這就需要采取一定的冷卻措施，在對比風冷、空調和水冷系統(tǒng)的優(yōu)缺點后，綜合考慮冷卻效果、安全可靠性和維修成本等因素，采用水冷卻系統(tǒng)。

5.5 水泵導軸承的選擇

國內已建成大型臥（斜）式機組泵站10多座，采用的水導軸承型式大體上有3類：①滾動軸承；②水潤滑非金屬材料軸承；③巴氏合金滑動軸承。水潤滑非金屬材料軸承具有結構簡單、造價低、運行維護方便的優(yōu)點，但存在著承載力低、累計運行時間短等問題；滾動軸承密封要求高，適用于中小型機組；稀油潤滑巴氏合金軸承承載力大、技術上可靠、使用壽命長，但軸承造價較高，適用于大型機組或可靠性要求較高的機組。海河口泵站選用稀油潤滑巴氏合金軸承，由高位油箱保持軸承及油封內的油壓恒定。

6 結語

豎井式貫流泵是一種新型的水泵，近年來在南方江蘇等省已經開始應用。如，南水北調東線徐州市邳州站采用4臺豎井貫流泵，三用一備，總設計流量100 m3/s；南通九圩港提水泵站采用5臺豎井貫流泵，總設計流量150 m3/s。豎井貫流泵具有符合水流條件、效率高等特點，特別適合于低揚程、大流量的泵站。海河口泵站采用前置式豎井貫流泵，就是利用該特點。

天津市海河口泵站采用前置式豎井貫流泵。工程于2014年底開工，2016年汛前水下部分完工，在天津“7·20”大暴雨中緊急開泵運行，極大地緩解了天津市區(qū)及海河干流兩岸的排水壓力，取得了顯著的經濟和社會效益。

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TV856；TV675

A

1004-7328（2017）03-0056-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.018

2017—02—07

毛少波（1976—），男，高級工程師，主要從事水利工程勘測設計工作。