姚婷婷

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司,安徽 合肥 230088）

0 引言

現(xiàn)如今排澇與灌溉相結(jié)合的泵站愈來愈多[1],排澇與灌溉結(jié)合的泵站中,水力機(jī)械設(shè)備的選擇需要考慮的因素復(fù)雜,常見的泵站中排澇與灌溉機(jī)組分開設(shè)置,但由于不同工況下流量、揚(yáng)程不同,對應(yīng)的泵型大小不同,因此泵站結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各高程參差不齊,土建施工難度大[2],且排澇與灌溉機(jī)組的裝機(jī)功率亦不相同,因此電氣設(shè)備投資較大。所以,在針對排灌結(jié)合的泵站中,水泵選型尤為重要,通過合理的泵型選擇[3],將排澇與灌溉工況相結(jié)合,即要求水泵擁有較寬廣的高效區(qū)；同時(shí)滿足排澇與灌溉的水位變幅大的要求,即要求水泵高程布置合理,水泵具有穩(wěn)定的機(jī)組結(jié)構(gòu)[4]。潛水泵技術(shù)愈來愈成熟,國內(nèi)已廣泛運(yùn)用于大、中型泵站,將潛水泵與排灌泵站結(jié)合,可有效解決復(fù)雜工況的問題。本文以壽縣肖嚴(yán)湖排灌站涵工程為例,對其水泵選型及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析探討。

1 工程概況

肖嚴(yán)湖排灌站涵工程位于壽縣西北部,西臨淠河,北濱淮河,東抵淠東干渠及正陽分干渠,南以楊西分干渠為界,流域面積344 km2,耕地26.74萬畝,分屬壽縣7鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）及正陽關(guān)農(nóng)場。本工程擬對原正陽涵拆除后原址重建自排、抽排、自引補(bǔ)給等多功能一體站涵,汛期自肖嚴(yán)湖排內(nèi)澇入淮河,灌溉季節(jié)自淮河補(bǔ)水至肖嚴(yán)湖。

2 水泵選型設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

（1）涉及工況復(fù)雜。肖嚴(yán)湖排灌站涵工程要求具有自排、抽排、自流引水和抽灌補(bǔ)水功能,完善正南洼防洪排澇體系建設(shè),同時(shí)增加旱時(shí)引淮河水補(bǔ)給肖嚴(yán)湖功能,補(bǔ)充灌溉水源。

（2）水位變幅大。肖嚴(yán)湖排灌站特征水位變幅大,要求水泵具有較廣的高效率區(qū)及在較大揚(yáng)程變幅范圍內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定。

（3）機(jī)組布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜。肖嚴(yán)湖排灌站排澇與灌溉工況不同,泵房需錯(cuò)層布置。

3 水泵方案比選

3.1 水泵型式的選擇

泵站抽排凈揚(yáng)程范圍為0～5.6 m～7.4 m,設(shè)計(jì)流量為35 m3/s,提水灌溉揚(yáng)程范圍為2.1 m～3.0 m,設(shè)計(jì)流量為5 m3/s,屬于低揚(yáng)程大流量泵站,適宜選用的泵型為軸流泵。軸流泵有潛水軸流泵和常規(guī)軸流泵等型式。

性能方面,這二種泵的性能參數(shù)基本相同。潛水軸流泵結(jié)構(gòu)緊湊,安裝、拆卸時(shí)整體起吊,在自重的作用下,其密封圈與座環(huán)自耦合壓緊,與常規(guī)軸流泵相比,安裝方便。另外,由于潛水電泵封閉在水下運(yùn)行,電機(jī)靠水流冷卻,因此無需油、水等輔助系統(tǒng),因此,泵房內(nèi)輔助設(shè)備少,運(yùn)行操作簡便,且運(yùn)行時(shí)不會產(chǎn)生高溫,水面以上運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲也相對較小。同時(shí),由于本站進(jìn)水池最高水位與最低運(yùn)行水位差值較大,若采用立式軸流泵方案,會造成其軸系較長,特別是對于排澇兼灌溉機(jī)組,由于其流道底板高程相對更低,水泵層與電機(jī)層之間的高差達(dá)9 m,如此長的軸系對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行可能產(chǎn)生一定程度的影響,而采用潛水泵方案則可以很好地避開軸系過長的問題。

投資方面,類似本站規(guī)模的潛水泵主機(jī)組價(jià)格與普通立式泵主機(jī)組價(jià)格基本相當(dāng)（比較見表1）。潛水軸流泵封閉在井筒或流道內(nèi),結(jié)構(gòu)緊湊,其上部結(jié)構(gòu)土建投資略省,潛水軸流泵方案總投資也相應(yīng)略小。

運(yùn)行管理方面,潛水泵解體大修一般直接返廠進(jìn)行,其對運(yùn)行管理單位自身的安裝檢修方面的人力資源及技術(shù)力量要求大大降低。結(jié)合本工程運(yùn)行管理單位的具體情況,更適宜采用潛水泵方案。

綜上所述,本站推薦采用潛水軸流泵方案,機(jī)組安裝布置見圖1。

圖1 1400QZ6.0-7潛水軸流泵裝置布置圖

3.2 模型的選擇

通過對能代表目前國內(nèi)技術(shù)水平的軸流泵水力模型（如水利部《南水北調(diào)工程水泵模型同臺測試》水力模型、江蘇大學(xué)、揚(yáng)州大學(xué)等高?？蒲袡C(jī)構(gòu)后續(xù)研制并經(jīng)天津同臺測試水力模型等）進(jìn)行初步比選后[5],選擇相對適合本站揚(yáng)程范圍及性能較好TJ04-ZL-19水泵模型,且該模型在國內(nèi)泵站中有成功的實(shí)例,模型曲線見圖2。

圖2 1400QZ6.0-7潛水軸流泵工作性能曲線

3.3 臺數(shù)的選擇

本站設(shè)計(jì)排澇流量為35 m3/s、灌溉流量5 m3/s,是一座以排澇為主的泵站。灌溉工況揚(yáng)程較排澇工況揚(yáng)程低,灌溉機(jī)組可以由排澇機(jī)組兼用[6],考慮到與灌溉流量的匹配,以設(shè)置6機(jī)組較為合適,從而單泵流控制在6 m3/s,可以較好地兼顧灌溉工況流量；另一種方案,排澇機(jī)組與灌溉機(jī)組分別設(shè)置,初擬4臺排澇機(jī)組,2臺灌溉機(jī)組（一用一備）,即4大2小方案。其中泵裝置水力損失計(jì)算按《泵站工程》—“水泵、泵裝置特性預(yù)測”中的方法計(jì)算得本站單位水力損失系數(shù)分別為ΔH=0.034116Q2、ΔH=0.0015827Q2。方案比較見表2。

表2 泵型方案比較表

由表2及圖2可知,兩方案所選泵型其揚(yáng)程及流量均能夠滿足規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)要求,兩方案的排澇設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率基本相當(dāng),方案一的灌溉工況效率略低于方案二。方案一為6臺同型號機(jī)組,泵房內(nèi)設(shè)備布置相對整齊,相同的機(jī)組其部件具有互換性,更利于運(yùn)行維護(hù)管理。方案二為4大2小型號不同的機(jī)組,4臺大機(jī)組直徑為1600 mm,2臺小機(jī)組直徑為1400 mm,同時(shí),方案二的排澇、灌溉機(jī)組均為單一功能,方案二的總裝機(jī)功率明顯較方案一大,其總投資也較方案一大。

綜上所述,本站推薦方案一,即裝機(jī)6臺1400 QZ6.0-7潛水軸流泵。

3.4 配套電機(jī)的選擇

配套電動機(jī)功率的選配原則以在全揚(yáng)程范圍內(nèi)出現(xiàn)的最大軸功率作為配套電機(jī)的功率選擇標(biāo)準(zhǔn),在各揚(yáng)程工況下,排澇機(jī)組中最高揚(yáng)程時(shí)的軸功率534 kW為最大軸功率,根據(jù)規(guī)范,電機(jī)動力備用系數(shù)按（1.05～1.2）計(jì)算,參照潛水電機(jī)產(chǎn)品系列,選用額定功率為630 kW、額定電壓為10 kV的潛水電機(jī)作為本站主電機(jī)。所選電機(jī)可以滿足各種工況正常工作的要求。

3.5 進(jìn)出水流道型式及斷流方式

（1）進(jìn)、出水流道

泵站進(jìn)水流道有開敞式和封閉式兩種型式。開敞式進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)簡單,主要用于轉(zhuǎn)輪直徑較小的泵站。本站轉(zhuǎn)輪直徑1200 mm,采用開敞式進(jìn)水流道。

為便于安裝維護(hù),本站潛水泵采用的鋼制井筒式安裝,其出水流道即相應(yīng)地采用結(jié)構(gòu)簡單的直管式出水流道。

（2）斷流方式

直管式出水流道泵站的斷流方式有拍門、快速閘門等型式。

拍門結(jié)構(gòu)簡單,開關(guān)方便,水力損失?。豢焖匍l門的顯著優(yōu)點(diǎn)是閘門可以全開,阻力損失小,但閘門的開關(guān)很難與主機(jī)的開停同步,本站單機(jī)流量較小,適合采用拍門斷流方式。

3.6 水泵安裝高程的確定

①根據(jù)葉輪淹沒要求計(jì)算

由模型性能曲線提供的模型汽蝕余量換算成真機(jī)的NPSHr,考慮汽蝕安全余量,確定許用汽蝕余量［NPSH］。建議汽蝕安全余量系數(shù)K的范圍為1.1～1.4,并滿足有1 m的余量。由此,［NPSH］=k·NPSHr,且［NPSH］≥NPSHr+1 m。本站按1.15安全系數(shù)進(jìn)行修正。

吸上高度H允許按下式計(jì)算：

最不利工況為最高揚(yáng)程工況。最高揚(yáng)程下［NPSH］=1.15 NPSHr=1.15×10.21=11.74 m,則原型泵的H允許=-1.9 m。

對于其中4臺排澇機(jī)組,最高揚(yáng)程工況對應(yīng)的進(jìn)水池水位為最低運(yùn)行水位19 m,經(jīng)計(jì)算,水泵葉輪中心高程17.1 m,考慮一定的安全余量以及水泵出水流道淹沒深度的要求,葉輪中心高程取值為17 m；對于其中2臺排澇兼灌溉機(jī)組,最高揚(yáng)程工況對應(yīng)的進(jìn)水池水位為最低運(yùn)行水位16.5 m,經(jīng)計(jì)算,水泵葉輪中心高程14.6 m,考慮一定的安全余量以及水泵出水流道淹沒深度的要求,葉輪中心高程取值為14.5 m。

②根據(jù)拍門淹沒要求計(jì)算（按淹沒拍門出水口上緣300 mm計(jì)算）：

上述兩方法中較小者取整,則排澇機(jī)組葉輪中心高程取值為17.0 m,灌溉機(jī)組葉輪中心高程取值為13.9 m。

3.7 主機(jī)設(shè)備布置

6臺機(jī)組呈“一”字型排列,泵房為干式泵房,潛水軸流泵和電機(jī)封閉在井筒內(nèi),經(jīng)DN1400伸縮節(jié)、DN1400直管、混凝土擴(kuò)散管和1400×2200側(cè)翻拍門出水。

水泵采用分池進(jìn)水,進(jìn)水室凈寬4.5 m,機(jī)組間距為5.3 m,安裝場長度取7 m,廠房總長度為41.6 m。水泵層出水側(cè)凈寬度4 m,進(jìn)水側(cè)凈寬3.5 m。對于4臺排澇機(jī)組,根據(jù)出水流道、葉輪中心最小淹沒深度要求,計(jì)算拍門中心高程為20.8 m,水泵層高程為19.3 m,由吸水口懸空高度和泵外形尺寸要求,確定進(jìn)水池底板高程為15.10 m；對于2臺排澇兼灌溉機(jī)組,根據(jù)出水流道、葉輪中心最小淹沒深度要求,計(jì)算拍門中心高程為18.50 m,水泵層高程為16.80 m,由吸水口懸空高度和泵外形尺寸要求,確定進(jìn)水池底板高程為12.0 m。由進(jìn)水池最高水位24.0 m,與水工專業(yè)共同商定后確定電機(jī)層高程為24.50 m,根據(jù)潛水泵結(jié)構(gòu)尺寸,兩臺排澇兼灌溉機(jī)組的電機(jī)層高程為22.0 m。根據(jù)機(jī)組設(shè)備起吊高度及廠房的通風(fēng)散熱的要求,確定起重機(jī)軌頂高程為32.50 m。

4 結(jié)語

本文針對抽排、提水灌溉和自排等多功能結(jié)合的泵站中水泵選型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),通過模型換算,選擇了適合肖嚴(yán)湖排灌站且具有較廣高效率區(qū)的TJ04-ZL-19水泵模型；針對泵型和臺數(shù)進(jìn)行了多方案比選,分析了各方案的優(yōu)缺點(diǎn),綜合考慮水泵性能、投資和運(yùn)行管理等方面,最終優(yōu)選了6臺1400QZ6.0-7型潛水軸流泵方案；并根據(jù)排澇與灌溉的不同特征水位,優(yōu)化了水泵布置,采用大小機(jī)組結(jié)合,并錯(cuò)層布置的方案。肖嚴(yán)湖排灌站水泵選型過程論證全面、完整,設(shè)計(jì)科學(xué)、可靠,該研究可為自排、抽排、自流引水和抽灌補(bǔ)水多功能一體站涵工程水泵選型提供參考。