馬浩　高小濤　韓珊珊　楊青霞

摘? 要：文章以河南省某取水規(guī)模為25.3萬(wàn)噸/天的大中型泵站設(shè)計(jì)為例，從立式長(zhǎng)軸泵的特點(diǎn)、水泵選擇的原則、水泵安全防護(hù)措施及考慮因素、經(jīng)濟(jì)比較、安全運(yùn)行考慮因素等方面綜合分析了立式長(zhǎng)軸泵在供水工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用案例，為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：立式長(zhǎng)軸泵;特性;安全防控;經(jīng)濟(jì)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH38 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0183-02

Abstract： This paper takes the design of a large- and medium-sized pumping station with a water intake scale of 253，000 tons/day in Henan Province as an example. This paper comprehensively analyzes the design and application cases of vertical long shaft pump in water supply project from the aspects of the characteristics of vertical long shaft pump， the principle of pump selection， pump safety protection measures and considerations， economic comparison， safe operation consideration and so on， thus providing a reference for the design of similar projects.

Keywords： vertical long shaft pump; characteristics; safety; prevention and control; economy and technology

1 項(xiàng)目概況

城市供水是城市建設(shè)的命脈，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活等諸多方面都有著深刻的影響。保障供水安全是供水企業(yè)必須實(shí)現(xiàn)的基本目標(biāo)，對(duì)于維護(hù)穩(wěn)定和構(gòu)建和諧社會(huì)具有重要意義。加強(qiáng)安全供水保障首先要建立供水水源安全保障體系，供水水源的取水工程的安全也顯得尤為重要，尤其是在取水泵站的水泵選型上。河南省某供水泵站工程設(shè)計(jì)取水規(guī)模為25.3萬(wàn)噸/天，取水口按遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)規(guī)模一次建成，設(shè)備分期安裝。采用河道岸邊式取水，取水頭部設(shè)有間距為10cm×10cm的不銹鋼格柵，經(jīng)兩根DN1400的復(fù)合鋼管重力自流至原水提升泵房，經(jīng)過(guò)泵房加壓后向凈水處理廠供應(yīng)原水，其中向四水廠供水的水泵機(jī)組B采用4臺(tái)立式長(zhǎng)軸泵（3用1備），流量1986m3/h，揚(yáng)程35m，主要解決城市自來(lái)水廠生活飲用水水源供水問(wèn)題。

2 立式長(zhǎng)軸泵設(shè)計(jì)方案

2.1 水泵選擇的原則

（1）以現(xiàn)行國(guó)家或行業(yè)規(guī)程、規(guī)范為依據(jù)，廣泛收集適合本泵站特點(diǎn)的泵型資料，優(yōu)先選用國(guó)家推薦的系列產(chǎn)品和經(jīng)過(guò)鑒定的產(chǎn)品，選出滿足工程設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)揚(yáng)程和水質(zhì)的新型設(shè)備。（2）在流量、揚(yáng)程滿足使用要求的情況下，盡量選擇高效率、低轉(zhuǎn)速的水泵，以降低葉輪旋轉(zhuǎn)部件的線速度，減少水泵磨損，延長(zhǎng)葉輪使用壽命，提高水泵效率。（3）選用汽蝕性能好的水泵，在各運(yùn)行工況下，水泵不氣蝕、不超載，且能在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行;水泵運(yùn)行效率高，高效區(qū)范圍寬、運(yùn)行費(fèi)用低、降低供水成本。（4）在滿足泵站選型先進(jìn)，機(jī)組運(yùn)行可靠，裝置效率高的前提下，應(yīng)選擇投資省、附屬設(shè)備簡(jiǎn)單的水泵產(chǎn)品。（5）機(jī)組安裝、檢修方便，便于維護(hù)和管理。（6）為了保證工程原水輸水管線系統(tǒng)的安全運(yùn)行，滿足原水輸水水管線的斷流、控流、測(cè)流、分流及檢修要求，需在輸水管線上設(shè)置檢修閥、放空閥、復(fù)合式進(jìn)排氣閥、流量調(diào)節(jié)閥、水力壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備等水力機(jī)械設(shè)備，設(shè)備選擇應(yīng)按結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行檢修維護(hù)方便，安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理的原則。

2.2 立式長(zhǎng)軸泵的特點(diǎn)

立式長(zhǎng)軸泵的特點(diǎn)是大流量，低揚(yáng)程，水泵結(jié)構(gòu)緊湊，啟動(dòng)前無(wú)需灌泵和抽真空，占地面積較小，工作效率高。水泵安裝形式為濕式安裝，水泵導(dǎo)向軸的潤(rùn)滑采用外接冷卻水，輸送介質(zhì)為生活飲用水水源原水[1]。本工程水泵機(jī)組B采用的水泵型號(hào)為400VTC立式長(zhǎng)軸泵，流量1986m3/h：揚(yáng)程35m，電機(jī)功率315kW，水泵的轉(zhuǎn)速為1480r/min。

2.3 水泵特性參數(shù)

水泵正常運(yùn)行水位58.50m，最高運(yùn)行水位63.00m，最低運(yùn)行水位54.50m，管道總水頭損失（沿程和局部）為21m，管道末端出水控制水位高程70m，水泵末端富裕2m自由水頭，因此水泵的最大、最小和設(shè)計(jì)揚(yáng)程分別為：38.5m，30.0m，34.5m。

3 水泵安全防護(hù)考慮因素

3.1 防洪分析

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010），工程等級(jí)按照工業(yè)、城鎮(zhèn)供水泵站重要程度等級(jí)定為重要，泵站等級(jí)為Ⅱ級(jí)，泵站規(guī)模大（2）型;泵站永久性建筑物級(jí)別：主要建筑物2級(jí)、次要建筑物3級(jí)，臨時(shí)性建筑物4級(jí);2級(jí)建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核。取水口處50年一遇洪峰流量為1900m3/s，相應(yīng)水位為63.44m，該位置相應(yīng)校核流量按河流歷史最大行洪流量2400m3/s，此時(shí)水位為63.62m，因此泵房室內(nèi)地面標(biāo)高采用63.5m。

3.2 水錘分析

停泵水錘在沒(méi)有水錘防護(hù)措施時(shí)可能會(huì)造成輸水管道破裂，水泵倒轉(zhuǎn)損害，泵房淹沒(méi)等事故的發(fā)生。常規(guī)的防護(hù)措施是根據(jù)水錘模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)水泵的出水閥門采用分階段關(guān)閉以減少停泵水錘，并在輸水管道沿線設(shè)置補(bǔ)水、補(bǔ)氣排氣等設(shè)施以消除彌合水錘。本工程水錘防護(hù)措施為：水泵出口設(shè)置多功能止回閥和電動(dòng)偏心半球閥，輸水管道沿線設(shè)置復(fù)合式進(jìn)排氣閥，管道末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥，可保證本工程安全運(yùn)行。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)按照無(wú)人值守控制模式采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。同時(shí)，考慮在水泵附近安裝就地按鈕箱，實(shí)施手動(dòng)控制，用于檢修和調(diào)試工況，在水泵控制柜（變頻柜、軟起柜）柜面上實(shí)施手動(dòng)控制。綜合辦公樓中控中心接收現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)液位、流量、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)信號(hào)，由計(jì)算機(jī)根據(jù)接收信號(hào)以及預(yù)定的控制要求對(duì)水泵實(shí)施自動(dòng)控制，不需要人工干預(yù)。

控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）控制操作：對(duì)站內(nèi)任何一臺(tái)可控設(shè)備進(jìn)行控制和人工干預(yù)，并能對(duì)各現(xiàn)地控制站的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改。（2）顯示功能：用圖形實(shí)時(shí)地顯示各被控設(shè)備的運(yùn)行工況;動(dòng)態(tài)顯示工藝流程圖，并能在流程圖上選擇查看詳圖;動(dòng)態(tài)顯示各種模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、各類累加信號(hào)等的數(shù)值和范圍清單。（3）數(shù)據(jù)管理：能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、操作信息庫(kù)、故障信息庫(kù)。（4）數(shù)據(jù)處理：利用實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，計(jì)算主要生產(chǎn)指標(biāo)，并進(jìn)行成本分析。（5）報(bào)警功能：當(dāng)某一測(cè)量值超出給定范圍，可發(fā)出聲光報(bào)警，并可依據(jù)報(bào)警信息顯示相應(yīng)的動(dòng)態(tài)畫面。（6）報(bào)表功能：即時(shí)報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表。（7）安全功能：按不同操作級(jí)別分級(jí)加密，并記錄操作人員信息及操作信息。（8）打印功能：可以實(shí)現(xiàn)報(bào)表和圖形打印以及各種事件和報(bào)警的實(shí)時(shí)打印。

3.4 輔助控制系統(tǒng)

3.4.1 主泵房起重設(shè)備。為便于泵組的安裝檢修和設(shè)備吊運(yùn)，在泵房?jī)?nèi)設(shè)1套起重設(shè)備。單臺(tái)泵組的最大起吊件為機(jī)組B水泵，重量約為3.6t，選用起吊重量為5t的電動(dòng)懸掛式起重機(jī)1臺(tái)，起重機(jī)起升高度為9.00m，跨度為4.5m。

3.4.2 水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。（1）壓力監(jiān)測(cè)。為監(jiān)測(cè)原水提升泵站單臺(tái)水泵出口壓力，在每臺(tái)水泵出水口處均設(shè)置1套壓力變送器，量程為0--1.0MPa，輸出4～20mA模擬量信號(hào)。在每臺(tái)水泵出水口處均設(shè)置1套現(xiàn)地壓力表。（2）流量監(jiān)測(cè)。為監(jiān)測(cè)原水提升泵站出口流量，在泵站出水壓力總管后引出的2根輸水干管上各自設(shè)置1臺(tái)電磁流量計(jì)作為測(cè)流設(shè)備，在輸水管線的末端設(shè)置電磁流量計(jì)。

3.4.3 水位監(jiān)測(cè)。在原水提升泵站泵房下部的兩格吸水池內(nèi)均設(shè)置1套超聲波液位計(jì)，總計(jì)2套，用來(lái)監(jiān)測(cè)吸水池內(nèi)的水位變化情況。所有的測(cè)量數(shù)據(jù)均送入泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在高、低限液位時(shí)報(bào)警并根據(jù)設(shè)定的水位自動(dòng)啟停水泵。

3.5 系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)

3.5.1 立式長(zhǎng)軸泵便于后期運(yùn)行維護(hù)。本工程屬于大（2）型重要城市供水泵站工程，停水檢修將會(huì)對(duì)居民生活，城市工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，立式長(zhǎng)軸泵電機(jī)位于地面以上，同臥式雙吸離心泵半地下泵站相比，檢修更為方便，可以減少維修對(duì)城市居民生活的影響。

3.5.2 減少水泵運(yùn)行震動(dòng)對(duì)水泵的損傷。立式長(zhǎng)軸泵傳動(dòng)轉(zhuǎn)軸十來(lái)米，較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)軸易造成軸承易磨損、機(jī)組擺渡加大，震動(dòng)加劇，因此要從規(guī)劃設(shè)計(jì)和廠家制造等方面共同采取安全措施。從規(guī)劃設(shè)計(jì)上考慮，水泵基礎(chǔ)采用承載力較大和抗震能力較強(qiáng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。從設(shè)備制造商角度考慮，除水泵本身材質(zhì)外，其關(guān)鍵件導(dǎo)軸承也必須采用較好的耐磨材質(zhì)，如樹脂聚合物類非金屬?gòu)椥暂S承材料。聯(lián)軸器采用哈夫節(jié)夾套式聯(lián)軸器可以保障泵軸在運(yùn)行時(shí)的同軸度，減少震動(dòng)和擺度，同時(shí)方便拆卸檢修維護(hù)[2]。

3.5.3 水泵防堵措施?，F(xiàn)狀取水口河水中含沙量較少，漂浮物較少，且為水源地以一級(jí)保護(hù)區(qū)，因此在取水口設(shè)置鋼格柵（10cm×10cm），原水提升泵站吸水池吸水池側(cè)壁及底部均設(shè)有DN100的沖洗管道，對(duì)吸水池底部進(jìn)行沖洗，同時(shí)泵房吸水池間隔一定時(shí)間進(jìn)行清沙檢修[3]。同時(shí)建議根據(jù)運(yùn)行情況，定期對(duì)取水口攔污柵進(jìn)行清濤和巡檢。

3.5.4 水泵啟動(dòng)方式及變頻系統(tǒng)。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，水泵機(jī)組應(yīng)優(yōu)先選擇全電壓直接起動(dòng)方式，但是當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，母線電壓降不宜超過(guò)額定電壓的15%，否則應(yīng)采取降壓起動(dòng)方式起動(dòng)。因?yàn)槌鞘杏盟看嬖诓▌?dòng)性，泵站運(yùn)行過(guò)程中需調(diào)節(jié)水量，變頻調(diào)速可通過(guò)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)水量的調(diào)節(jié)，因此10kV高壓水泵機(jī)組中選擇1臺(tái)采用變頻調(diào)速的運(yùn)行方式，其余水泵機(jī)組采用定頻運(yùn)行方式。采用變頻調(diào)速的水泵機(jī)組應(yīng)選用變頻型電機(jī)，其啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)。電機(jī)軟啟動(dòng)方式可保證電機(jī)平滑加速，滿足機(jī)械系統(tǒng)對(duì)啟動(dòng)力矩的要求;減小啟動(dòng)電流，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)發(fā)熱造成絕緣破壞;減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電壓暫降。因此定頻水泵電動(dòng)機(jī)全部采用軟起動(dòng)方式啟動(dòng)。

4 結(jié)論及建議

（1）立式長(zhǎng)軸泵可以將蓄水池布置在泵房的下方，節(jié)省投資和占地，運(yùn)行維護(hù)方便，更適合取水位多變的泵站運(yùn)行，對(duì)水位的變化適應(yīng)性較強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于城市供水，電力、石化等各行業(yè)輸送水泵站。（2）采用離岸式布置方式，水泵房可以遠(yuǎn)離河岸或河堤，采用引水管道將水源輸送至泵房吸水池，為泵站施工創(chuàng)造便利條件，減少岸邊式泵站的施工措施費(fèi)，降低施工成本。（3）立式長(zhǎng)軸泵可以更好發(fā)揮水泵對(duì)水位變幅的適應(yīng)性能，尤其對(duì)于河道水位隨季節(jié)變化較大的泵站項(xiàng)目，水位運(yùn)行落差對(duì)水泵的運(yùn)行影響相對(duì)較小。（4）項(xiàng)目在施工圖過(guò)程中應(yīng)注意加強(qiáng)廠家、設(shè)計(jì)院之間的溝通聯(lián)絡(luò)，尤其在水泵、10kV高壓電機(jī)配置、水泵控制系統(tǒng)方面加強(qiáng)溝通與對(duì)接，防止在變頻、水泵啟動(dòng)，信號(hào)互通等方面在不同廠家之間出現(xiàn)問(wèn)題。（5）項(xiàng)目在建成后運(yùn)行過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行水位、受水區(qū)流量需求，做好運(yùn)行調(diào)試和穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)調(diào)節(jié)工作，保障水泵平穩(wěn)、高效、安全運(yùn)行。

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