張延忠，耿運生，陳景茹

(河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，石家莊 05002)

“華北明珠”白洋淀是雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境的核心支撐。由于本地水資源嚴重短缺，引黃入冀補淀工程成為向白洋淀生態(tài)補水的重要水源。在引黃渠道末端入淀口處新建大樹劉泵站，將黃河水揚水入白洋淀，實現(xiàn)白洋淀生態(tài)補水，為構(gòu)建藍綠交織、清新明亮、水城共融的“未來之城”提供生態(tài)水源保障。

大樹劉泵站為白洋淀提供生態(tài)補水，對機組高效、安全可靠運行的要求較高。工程地處引黃渠道末端，占地受限，所選泵型應(yīng)便于泵站布置，并與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)。所選水泵型式結(jié)構(gòu)簡單、運行維護方便、便于實現(xiàn)自動化控制，能達到“無人值班、少人值守”的管理要求。所選泵型應(yīng)達到較嚴格的聲環(huán)境標準要求，改善運行人員工作條件，對周邊環(huán)境影響降到最低。

該泵站揚程較低，屬于偏低揚程泵站，水泵選型及進、出水流道設(shè)計是否合理不僅直接影響設(shè)備和土建的一次性投資，而且更嚴重地影響裝置的運行效率、機組的可靠性和耐久性。梁金棟等[1]從水泵選型、能量性能、汽蝕性能等3個方面，討論減小nD值對大型低揚程裝置水力性能的影響，提出減小nD值的低揚程泵裝置水泵選型設(shè)計思路。劉軍[2]分析在一定設(shè)計流量條件下水泵葉輪直徑與nD值的關(guān)系以及對水泵選型設(shè)計的影響，提出選取較大的水泵葉輪直徑將顯著提高流道效率和泵裝置效率。張曉丹[3]提出水泵選型應(yīng)綜合考慮泵站流量、最優(yōu)效率、總投資、空化特性、安裝維護及環(huán)境因素對水泵裝置性能的影響，確保大型水泵既有較高的效率，又具有良好的抗空蝕性能。王明光[4]對多座大流量、低揚程軸(混)流泵站進水流道、出水流道型式和尺寸進行研究，提出合理設(shè)計，以使整個泵站的裝置系統(tǒng)效率達到最優(yōu)，有效降低泵站的運行能耗及成本。徐磊[5]提出在低揚程條件下，盡可能減小流道水力損失是提高泵裝置效率的關(guān)鍵，減小流道水力損失的關(guān)鍵是降低流道內(nèi)的流速和改善流道內(nèi)的流態(tài)。 張鵬[6]通過引江濟淮派河口泵站出水流道優(yōu)化及仿真計算，選擇最佳流道，并經(jīng)模型裝置試驗驗證說明流道經(jīng)過優(yōu)化，裝置效率可以明顯提高。

本文擬對泵站水泵型式、機組臺數(shù)、進出水流道、裝置效率等方面進行研究，選擇適合該工程水力條件的泵型，結(jié)合真機測試對水泵性能進行驗證，并通過優(yōu)化系統(tǒng)水力性能、裝置效率，以降低運行費用，提高供水可靠性，為工程安全、高效、穩(wěn)定、環(huán)境友好運行提供理論依據(jù)，提升現(xiàn)代化泵站的科技水平。

1 泵站泵型選擇

1.1 基本參數(shù)

根據(jù)引黃入冀補淀工程規(guī)劃入淀流量30 m3/s，大樹劉泵站設(shè)計流量與引黃入冀補淀設(shè)計入淀流量相同，為30 m3/s。泵站前池設(shè)計水位5.5 m，最低水位5.3 m，最高水位6.15 m。出水池設(shè)計水位7.2 m，最低水位6.5 m，最高水位7.7 m。

泵站設(shè)計凈揚程按泵站進、出水池設(shè)計運行水位差計算。泵站最高凈揚程按泵站出水池最高運行水位與進水池最低運行水位之差計算。泵站最低凈揚程按泵站出水池最低運行水位與進水池設(shè)計運行水位之差計算。特征揚程計算結(jié)果如表1所列。

表1 泵站特征水位及特征揚程表 mTab.1 Characteristic stage and characteristic head of pumping station

泵站揚程為泵站凈揚程計入泵站系統(tǒng)水力損失。泵站設(shè)計揚程是選擇水泵型式的主要依據(jù)，最高凈揚程是泵站正常運行的上限揚程，最低揚程是泵站正常運行的下限揚程。一般低揚程軸流泵站水泵選型的目標可概括為：設(shè)計揚程保流量、平均揚程保效率、最高揚程能運行、最低揚程無異常[7]。流道水力損失包括流道沿程水頭損失和局部水頭損失，沿程水頭損失按式(1)計算，局部水頭損失按式(2)計算。

(1)

(2)

式中：hf為流道沿程水頭損失，m；Q為設(shè)計流量，m3/s；L為管道長度，m；D為流道當(dāng)量直徑，m；n為粗糙系數(shù)，0.014；hj為流道局部水頭損失，m；ζj為局損水頭損失系數(shù)；vj為管道的平均流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

經(jīng)計算，流道水力損失計算為0.6～1.2 m。計入水力損失后的泵站設(shè)計揚程為2.7 m，最高揚程為3.4 m，最低揚程為2.0 m。出水池最低水位是根據(jù)雄安新區(qū)規(guī)劃綱要要求，“白洋淀正常水位保持在6.5～7.0 m”，而選取的下限水位。淀區(qū)水位可能會出現(xiàn)低于6.5 m至6.0 m時的情況，該種工況會較少出現(xiàn)，不作為泵站計算特征揚程的控制條件，但在該種工況下所選水泵應(yīng)能穩(wěn)定運行，出水池水位6.0 m時的泵站揚程為1.7 m。

1.2 泵型比選

適合該泵站揚程段的水泵型式主要有常規(guī)軸流泵、常規(guī)貫流泵、潛水軸流泵和潛水貫流泵。常規(guī)水泵在機組的設(shè)計、制造方面，技術(shù)較為成熟，其維護也較為簡便，但是其施工周期較長，安裝精度要求較高，運行噪聲較高，機組邊噪聲級超過90 dB(A)[8,9]，對工作環(huán)境和周邊環(huán)境影響較大。隨著潛水泵制造水平的提高，潛水泵使用較為廣泛，尤其在南方地區(qū)大量應(yīng)用；潛水泵在水下運行，噪聲低散熱好，能將泵站噪聲級從90 dB(A)降低至75 dB(A)以下[9]，極大程度優(yōu)化了運行環(huán)境，改善了運行人員工作條件，從根本上減少泵站噪聲對周圍環(huán)境影響，符合以人為本的建設(shè)理念。潛水泵結(jié)構(gòu)簡單，其水泵和電機共軸，制造廠組裝后，整體運輸、整體安裝，潛水泵站的建設(shè)時間較常規(guī)泵站的建設(shè)時間節(jié)約1/3以上[10]，大大縮短安裝周期，工程能早日發(fā)揮效益。

泵房長度由機組段、邊機組段及安裝間組成，機組間距主要由機組外形尺寸、進出水流道的凈空及中間隔墩的寬度共同確定，邊機組段長度應(yīng)考慮設(shè)備吊裝以及樓梯、交通道布置的要求，安裝間長度需滿足機組安裝和檢修的要求。立式潛水軸流泵主泵房垂直水流方向長度為30.8 m，潛水貫流泵為36.6 m。泵房寬度是根據(jù)機組在廠房內(nèi)起吊的結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)備、管道及通道樓梯等布置要求來確定，立式潛水軸流泵泵房順水流方向凈寬確定為8.8 m，潛水貫流泵凈寬為12.5 m。立式潛水軸流泵廠房布置緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，缺點是廠房開挖較深，比潛水貫流泵開挖深度大2.5 m，廠房高度較大。潛水貫流泵廠房結(jié)構(gòu)簡單，流道順暢，開挖深度較小，但廠房平面布置尺寸較大。兩種潛水泵型式比較見表2，表中一次性工程投資包括機電部分投資和泵站主體土建部分投資，運行期費用包括泵站運行電費、管理費、工程維護費及工資福利，運行期費用按照泵站機電設(shè)備使用年限25年進行折現(xiàn)，折現(xiàn)率取6%。

從表2可以看出，立式潛水軸流泵布置方案較潛水貫流泵一次性投資節(jié)省652.9萬元，總運行電費多14.4萬元，總投資節(jié)省638.5萬元。立式潛水軸流泵機組立式布置，設(shè)備隱蔽于地面以下，地面以上僅露一井蓋，廠內(nèi)布置寬敞、整潔；水泵采用混凝土井筒安裝，水工結(jié)構(gòu)簡單，機組安裝、檢修方便；設(shè)備隱蔽布置，噪音低；水泵進、出水流道均為混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)備鋼材用量省，價格較低。缺點是廠房開挖較深，廠房高度尺寸較大。潛水貫流泵機組水平布置，流道順暢，水流條件好，設(shè)備裝置效率較高；水泵橫向臥于混凝土機坑內(nèi)，設(shè)備安裝方便，水工結(jié)構(gòu)簡單，廠房開挖深度較小。缺點是機組水平布置，廠房平面布置尺寸較大；水泵被鋼制外殼包裹，設(shè)備較重，價格較高，檢修較繁復(fù)。兩種泵型結(jié)合機電設(shè)備綜合技術(shù)與經(jīng)濟比較，選定泵型為立式潛水軸流泵。

表2 水泵型式技術(shù)經(jīng)濟比較表Tab.2 Technical and economic comparison of pump types

2 水泵臺數(shù)及選型設(shè)計

2.1 水泵臺數(shù)選擇

泵站水泵臺數(shù)少，廠房布置尺寸小，土建投資較低，但泵站運行不夠靈活，機組備用容量較大，水泵價格較高。水泵臺數(shù)多，泵站運行靈活，易于組合不同的機組臺數(shù)以適應(yīng)不同的流量變化，機組備用容量較小，水泵價格較低，缺點是廠房布置尺寸較大，土建投資較高。水泵臺數(shù)選擇需對經(jīng)濟性和運行調(diào)度靈活性綜合考慮，水泵臺數(shù)擬定了4種比較方案，比較見表3。

從表3可知，6臺水泵方案總投資最省，8臺水泵方案總投資最多，5臺水泵與7臺水泵投資適中。水泵臺數(shù)越多，泵站運行越靈活，水泵臺數(shù)選擇時，應(yīng)考慮機組運行調(diào)度的靈活性、可靠性、總投資等方面，選擇綜合指標優(yōu)良的方案，考慮引黃輸水流量存在一定的變化，且泵站位于輸水渠道的末端，泵站前池沒有調(diào)蓄能力，泵站揚水流量與渠道來水流量很難達到一致，泵站需利用其中一臺機組的啟停，以適應(yīng)該種情況的變化。如泵站停一臺水泵，泵站流量減少，渠道水面將會增高。如泵站開機臺數(shù)增加一臺時，泵站流量加大，渠道水面又會降落。渠道水面的壅高或降落都是波的形式出現(xiàn)的，水面波動首先出現(xiàn)在前池中，然后再以一定的速度向渠道傳播。正波高度Δh正按式(3)計算，負波高度Δh負按式(4)計算。4種方案停泵或開泵對渠道水位波動計算結(jié)果見表4。

表3 水泵臺數(shù)技術(shù)經(jīng)濟比較表Tab.3 Technical and economic comparison for number of pumps

(3)

(4)

式中：Δh正為正波高度，m；Δv為泵站流量減小前后的渠中平均流速之差，m/s；Δh負為負波高度，m；h0為渠中平均水面深度，m；B為渠中平均水面寬度，m；Q0為機組啟動前渠中流量，m3/s；Q1為機組啟動后渠中流量，m3/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

從表4可知，水泵臺數(shù)越少，單泵流量越大，停一臺機組或開一臺機組渠道水面波動也越大。據(jù)此，泵站臺數(shù)宜適當(dāng)多一點，單泵流量小一點，減小單臺泵的啟停對泵站供水流量的影響，避免渠道水位升降過快，對渠道邊坡造成不利影響和對冬季前池渠道穩(wěn)定冰蓋運行造成破壞。

綜上所述，認為7臺機組方案運行靈活、機組生產(chǎn)周期短、投資適中、停泵或開泵水位波動對渠道影響較小，為推薦方案，水泵臺數(shù)選為7臺，6用1備。泵站在冬四月運行，年運行小時數(shù)較低，但泵站地處雄安新區(qū)，向白洋淀生態(tài)補水，重要性較高，綜合考慮設(shè)置1臺備用機組。

表4 停泵或開泵渠道水位波動計算結(jié)果Tab.4 Results of water level fluctuation when pumps stopping or opening

2.2 水泵選型設(shè)計

低揚程水泵裝置最優(yōu)工作點的位置與水泵模型和出水流道都密切相關(guān)，由于缺少同一水泵模型和相同流道型式的水泵裝置的試驗數(shù)據(jù)。長期以來軸流泵站都采用“等流量加大揚程”的水泵選型方法[11]，即先估計進水流道和出水流道的水力損失，將泵站揚程與流道水力損失疊加來確定需要的總揚程，再根據(jù)設(shè)計流量和總揚程來選擇水泵。近年來的工程建設(shè)經(jīng)驗和研究表明，對于低揚程軸流式泵站，這種選型方法會導(dǎo)致所選水泵的揚程偏高。水泵選型設(shè)計采用湯方平等[12]提出的低揚程軸流泵站“等揚程加大流量”的水泵選型方法。根據(jù)已建潛水泵站的經(jīng)驗，潛水泵運行一段時間后，其電動機功率和水泵流量均會有所下降，需考慮在平均揚程下，裝機流量宜留有5%～10%的裕量，以確保泵站長期運行能滿足供水要求。綜上所述，泵站設(shè)計流量30 m3/s，單泵流量確定為5.16 m3/s，設(shè)計揚程2.7 m。

該泵站揚程較低，適合偏低揚程的水力模型較少，水泵模型的選擇采用南水北調(diào)天津同臺模型試驗測試成果[13]，選用流量、揚程均能達到要求，汽蝕性能較好，水泵效率較高的水力模型。從同臺測試的模型中優(yōu)選出適合本工程使用的模型，根據(jù)泵站的揚程和流量參數(shù)，經(jīng)比選，天津同臺試驗TJ04-ZL-07號水泵模型較適合(見圖1)，該模型比轉(zhuǎn)速1 300為高比轉(zhuǎn)速軸流泵，模型泵nD值為435。按照泵站設(shè)計參數(shù)初選水泵葉輪直徑為1.2 m，轉(zhuǎn)速370 r/min，nD值為444，與模型泵nD值接近。經(jīng)換算，原型泵(葉片角度-2°)流量5.79～5.34 m3/s，揚程2.43～3.55 m，水泵效率82.5%～86.8%，設(shè)計點流量偏大，葉片角度進行調(diào)整，調(diào)整后原型泵設(shè)計流量5.16 m3/s，揚程2.7 m，水泵效率85.3%，性能曲線如圖2所示。水泵制造時，制造廠需根據(jù)潛水泵選型設(shè)計成果，進一步優(yōu)化水泵過流部件結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足選型設(shè)計提出的水泵效率及配套功率要求。

圖1 TJ04-ZL-07水泵模型綜合特性曲線Fig.1 Comprehensive characteristic curve of No.7 model pump

圖2 TJ04-ZL-07(1400ZQ-160)原型水泵特性曲線Fig.2 Characteristic curve of prototype pump

3 流道優(yōu)化設(shè)計

3.1 進、出水流道

泵站進、出水流道型式的選擇是泵站工程設(shè)計的一個重要方面，流道型式和型線設(shè)計的優(yōu)劣，對泵站的經(jīng)濟性、安全可靠性有重要影響。大型軸流泵進水流道常用的結(jié)構(gòu)型式有肘形、鐘形、簸箕形3種。簸箕形流道進水流道的寬度比肘形進水流道的大，是為了方便一部分水流繞至喇叭口兩側(cè)及后部進入喇叭管，比鐘形進水流道的小，是因為流道內(nèi)部不像鐘形流道那樣容易產(chǎn)生渦帶。水泵進水流道設(shè)計盡可能地減小流道寬度和開挖深度，減少工程投資，經(jīng)過比選，進水流道采用簸箕形流道(見圖3)。該型流道形式簡單，優(yōu)點為流道出口斷面的流速和壓力分布比較均勻，流道內(nèi)不產(chǎn)生渦帶，水力損失小，能有效地減小流道寬度和開挖深度，便于施工等。國外簸箕形流道的簸箕型線是漸縮的，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者設(shè)計的是半圓形的簸箕，李四海等[14]擬定了以上兩種簸箕形進水流道設(shè)計方案進行數(shù)值模擬，最終得出兩種型式的簸箕形流道泵裝置性能曲線沒有明顯偏離，設(shè)計工況點附近曲線吻合度較好，大流量區(qū)流道1(見圖3)的水力性能穩(wěn)定性優(yōu)于流道2(見圖4)。因此進水流道選擇為半圓形簸箕方案，該方案水泵進水流道葉輪中心高度Hw取為1.6D(D為水泵葉輪直徑，D=1.2 m)，Hw=1.92 m；流道長度XL取3.0D，XL=3.6 m；流道進口寬度取為3.2 m，流道進口高度取為1.889 m。

圖3 兩種簸箕形進水流道型線Fig.3 Two types of dustpan shaped inlet conduit

泵站出水流道采用箱涵式出水流道，該流道型式是近年來應(yīng)用于低揚程大型軸流泵站的一種新型流道型式[15]，其斷面為矩形，優(yōu)點是斷面形狀簡單、施工方便，土建投資省，水力損失較小。經(jīng)優(yōu)化，出水流道斷面尺寸為1.6 m×1.8 m(高×寬)，流道流速為1.79 m/s。在流道出口設(shè)置自由式方形浮箱拍門斷流，拍門前設(shè)有通氣孔，拍門后設(shè)置事故閘門。

通過數(shù)值模擬計算手段，用三維水力設(shè)計方法對流道進行驗證，流場計算結(jié)果見圖4。從圖4可見，水泵進、出流道型式、尺寸和體型比較合理，前池水流平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大漩渦和回流；進水流道內(nèi)流態(tài)較好，彎曲段的內(nèi)側(cè)無脫流，流道出口段水流趨于順直均勻；出水流道水流較平順，流道下部漩渦范圍和強度較??；因此，優(yōu)化后的進、出流道能夠保證水泵機組性能的充分發(fā)揮及其正常運行。

圖4 泵站進、出水流道計算流場Fig.4 Flow field calculation of the inlet and outlet conduit

3.2 泵站裝置效率測算

泵站裝置效率是低揚程泵站主要工況水力性能的重要考核指標，是泵裝置模型試驗驗收的依據(jù)，對于年運行小時數(shù)較高的低揚程泵站，也是對原型泵裝置水力性能進行評價的重要依據(jù)，以確保泵裝置性能的先進性?，F(xiàn)行《泵站設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，凈揚程低于3 m的泵站，其裝置效率不宜低于60%[16]。泵站裝置效率計算按下式進行[17]。

η裝置=η電機η水泵η流道

(5)

(6)

式中：η裝置為泵站裝置效率；η電機為電機效率，94%；η水泵為水泵效率，85.3%；η流道為流道效率77.3%；H裝置為泵裝置揚程，1.7 m；h流道為進、出水流道總損失，0.5 m。

經(jīng)計算，水泵在設(shè)計工況時，抽水流量為設(shè)計流量時，泵站裝置效率為62%，滿足規(guī)范要求。

4 水泵真機測試

潛水泵組制造完成后，在制造廠水泵測試試驗臺進行了真機性能測試，試驗結(jié)果見表5，水泵流量-揚程、流量-效率、流量-軸功率擬合曲線如圖5所示。

表5 水泵真機性能試驗結(jié)果Tab.5 Performance test results of prototype pump

圖5 水泵真機性能曲線Fig.5 Performance curve of prototype pump

由圖5和表5可以看出，水泵設(shè)計點參數(shù)為流量5.188 m3/s，揚程2.7 m，軸功率161.27 kW，效率85.2%，達到水泵性能設(shè)計要求。因該水泵最小運行揚程較低，而現(xiàn)有試驗臺裝置高程較高，無法測得低揚程段試驗數(shù)據(jù)。理論上軸流泵揚程越低，軸功率也越小，因此該水泵低揚程段不會出現(xiàn)超載現(xiàn)象，水泵設(shè)計揚程范圍內(nèi)運行是穩(wěn)定可靠的，水泵低揚程段參數(shù)需通過現(xiàn)場實際運行工況測量數(shù)據(jù)進行復(fù)核。

5 結(jié) 語

(1)泵站揚程較低，適合偏低揚程的水力模型較少，利用南水北調(diào)天津同臺試驗測試成果進行水泵選型設(shè)計，提出的水泵選型成果保證了設(shè)計成果質(zhì)量和項目的進度，為加快工程實施提供保障。

(2)泵站為冬季運行，運行期間前池渠道形成穩(wěn)定的冰蓋對泵站的可靠安全運行非常有利，并大大地減輕了渠道清污機的清污壓力。

(3)泵站向白洋淀生態(tài)補水，年利用小時數(shù)較低，但考慮其重要性較高，設(shè)置了1臺備用機組，以提高泵站運行可靠性。

(4)立式潛水軸流泵相對于貫流式潛水泵效率稍低，通過優(yōu)化簸箕型進水流道，提高了泵站整體裝置效率。

(5)泵站水泵選型設(shè)計及布置充分考慮噪音控制方面的要求，通過優(yōu)化水泵選型設(shè)計、制造與安裝的質(zhì)量控制，將實現(xiàn)泵站泵組的振動與噪聲降到75 dB(A)以下，符合當(dāng)前以人為本的建設(shè)理念。

(6)試驗臺測試真機性能與模型換算結(jié)果基本吻合，真機葉片的精密加工充分保證泵的水力性能。

(7)泵站工程于2018年10月開工建設(shè)，2019年2月1日啟用3臺機組向白洋淀補水，2月28日停泵，累計向白洋淀生態(tài)補水3 500 萬m3，3臺機組安全運行達670 h。試通水運行期間，引水渠道形成穩(wěn)定的冰蓋，雜物和浮冰被清污設(shè)施有效攔截，前池流場未出現(xiàn)漩渦回流。經(jīng)過聯(lián)合調(diào)度，前池水位穩(wěn)定在5.52～5.84 m，出水池水位7.35～7.46 m，水泵機組運行穩(wěn)定，各項指標正常，運行期間噪聲在75 dB(A)以下，也進一步驗證了機組選型設(shè)計的合理性。