何源

摘要：排澇泵站是城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施重要的組成部分，其水泵機(jī)組的選擇直接影響到泵站投入使用后的整體效果。為此，本文結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，通過介紹排澇泵站的基本特征參數(shù)，重點(diǎn)圍繞揚(yáng)程范圍、布置形式、臺(tái)數(shù)、調(diào)節(jié)方式和技術(shù)參數(shù)等方面的內(nèi)容探討了泵站水泵機(jī)組的選型工作，以供類似工程研究參考。

關(guān)鍵詞：排澇泵站；水泵機(jī)組；特征參數(shù)；起吊方式

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，國家對(duì)城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度逐漸加大，水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量日益增加。排澇泵站作為城鄉(xiāng)水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著城市排水、防澇和防洪等重任，在改善城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和提高人們生活水平等方面發(fā)揮著不可替代的作用。目前，排澇泵站由于分布廣、流域面積小、水位變化大、管理要求高、和運(yùn)行年限長等特點(diǎn)，許多泵站存在水位和揚(yáng)程變幅大等情況，給泵站的水泵機(jī)組選型工作帶來了諸多的困難，一旦水泵選型不當(dāng)，不僅會(huì)影響到排澇泵站整體功能的有效發(fā)揮，而且也會(huì)造成不可換回的損失。因此，建設(shè)單位必須重視泵站水泵機(jī)組的選型工作，從而最大限度確保排澇泵站的運(yùn)行安全。

1 工程概況及特征參數(shù)

為了有效解決某地區(qū)的防洪排澇問題，要求建一座排水流量為160m3/s的泵站，排澇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。泵站的相關(guān)參數(shù)見表1。

根據(jù)表1所述數(shù)據(jù)，泵站的水位和揚(yáng)程變幅較大，給該站的水泵選型帶來困難。

2 主水泵選型

該站裝設(shè)6臺(tái)主水泵（臺(tái)數(shù)分析見后），通過計(jì)算的流道損失約為Δh=0.002 1Q2 m，由此推算，水泵能穩(wěn)定啟動(dòng)和運(yùn)行的揚(yáng)程范圍應(yīng)在4.23～11.32m，水泵在揚(yáng)程10.25m時(shí)抽排流量應(yīng)不小于26.67m3/s，在揚(yáng)程7.30m應(yīng)處于高效區(qū)，水泵型式既可以選擇軸流泵，也可以選擇導(dǎo)葉式混流泵。軸流泵屬于高比轉(zhuǎn)速葉片泵，比轉(zhuǎn)速通常不小于500，適用于低揚(yáng)程區(qū)段。其特點(diǎn)是流量大、高效區(qū)較窄，效率受流量的變化影響較大，通常不能在小流量范圍內(nèi)運(yùn)行?；炝鞅帽绒D(zhuǎn)速較軸流泵低，其范圍通常為300～500，適用于揚(yáng)程相對(duì)較高的區(qū)段。其特點(diǎn)是高效區(qū)較寬、效率隨流量變化的影響較小，能更好地適應(yīng)流量變化要求。其功率曲線比較平坦，一般能夠在小流量范圍內(nèi)運(yùn)行。

根據(jù)以上分析，大中型全調(diào)節(jié)軸流泵大多使用在凈揚(yáng)程7m以下，而混流泵在2～10m及以上均有廣泛運(yùn)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，某些全調(diào)節(jié)軸流泵的使用揚(yáng)程可達(dá)到10m左右，但在此情況下，可穩(wěn)定運(yùn)行的最大揚(yáng)程和最小揚(yáng)程之比會(huì)有所減小，一般小于2.0，穩(wěn)定運(yùn)行的揚(yáng)程范圍受到一定限制。

導(dǎo)葉式混流泵一般應(yīng)用的揚(yáng)程范圍在5～30m之間，近年來，導(dǎo)葉式混流泵的使用揚(yáng)程向下延至2m甚至更低，且也能穩(wěn)定運(yùn)行。

基于以上分析，在泵型的比選中將軸流泵方案和導(dǎo)葉混流泵方案各選一泵型做代表進(jìn)行比較，從而選擇出最優(yōu)的水泵型式。為便于比較，2個(gè)方案均按泵站裝機(jī)6臺(tái)、單機(jī)設(shè)計(jì)流量為26.7m3/s考慮。泵段綜合性能曲線見圖1和圖2。

從圖1、圖2可以看出，混流泵方案在高揚(yáng)程下效率低于軸流泵，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下的效率與軸流泵方案相當(dāng)，在平均揚(yáng)程和最小揚(yáng)程下效率均高于軸流泵方案。顯然混流泵方案比軸流泵更適應(yīng)于本泵站的揚(yáng)程變化。一般而言，軸流泵比混流泵更適合低揚(yáng)程區(qū)運(yùn)行，但是當(dāng)泵站的特征揚(yáng)程出現(xiàn)類似于本站的特點(diǎn)，即運(yùn)行揚(yáng)程變幅較大、最高揚(yáng)程與平均揚(yáng)程之比及最高揚(yáng)程與最小揚(yáng)程之比均較大時(shí)，情況就發(fā)生了變化。軸流泵由于高效區(qū)狹窄的固有特點(diǎn)，為適應(yīng)本站的高揚(yáng)程啟動(dòng)需要，其高效區(qū)不得不取在8～11m的偏高的范圍，這就造成了水泵在平均揚(yáng)程時(shí)不在高效區(qū)以及在低揚(yáng)程時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性下降較大；而混流泵則由于高效區(qū)較寬，針對(duì)本站其高效區(qū)范圍可取在在6～11m之間，包含了平均揚(yáng)程的工況，且低揚(yáng)程時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較好。

綜合考慮設(shè)備造價(jià)、土建投資、運(yùn)行特性等因素，雖然軸流泵方案在總投資上略低于混流泵方案，但混流泵在高揚(yáng)程下的運(yùn)行和啟動(dòng)性能要比軸流泵要好，且平均揚(yáng)程和低揚(yáng)程下的效率高于軸流泵方案，經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，最后確定的水泵機(jī)組形式采用混流泵方案。

3 布置形式選擇

水泵按照主軸的放置方向可分為立式和臥式。本工程的水位變幅比較大，選擇立式結(jié)構(gòu)可以減少占地面積，降低土建造價(jià)，但是也存在著起吊高度較大、廠房高度增加、機(jī)械荷載集中等缺點(diǎn)。由于地質(zhì)條件較差，經(jīng)分析即使采用臥式機(jī)組也需要采用樁基礎(chǔ)，且本站機(jī)組尺寸較大、揚(yáng)程較高，經(jīng)分析本站主水泵采用立式結(jié)構(gòu)。

4 主水泵臺(tái)數(shù)選擇

主機(jī)臺(tái)數(shù)選擇主要考慮以下幾點(diǎn)。

（1）從工程投資看，一般在泵站流量相同的情況下，臺(tái)數(shù)少則機(jī)電設(shè)備總數(shù)量少，泵房占地面積小，土建和機(jī)電設(shè)備投資都會(huì)減少。

（2）從運(yùn)行維護(hù)看，水泵臺(tái)數(shù)越少，運(yùn)行管理工作量小，檢修維護(hù)較方便，運(yùn)行費(fèi)用較低。

（3）從泵站的運(yùn)行特性上看，水泵機(jī)組臺(tái)數(shù)越多，流量適應(yīng)性越強(qiáng)，一旦水泵機(jī)組出現(xiàn)故障，對(duì)運(yùn)行的影響較小。

（4）泵站水泵臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量的選擇還應(yīng)結(jié)合排區(qū)內(nèi)其他泵站的臺(tái)數(shù)和容量綜合考慮。

據(jù)調(diào)查，目前排區(qū)內(nèi)已建有5座排水泵站，設(shè)計(jì)總排水流量為241.38m3/s，排區(qū)內(nèi)其他排水站的機(jī)組臺(tái)數(shù)配備小流量的機(jī)組較多。

經(jīng)初步估算，裝機(jī)4臺(tái)則葉輪直徑在3.6m左右，作為混流泵尺寸較大，造成機(jī)組制造的單位重量成本較高，且具有類似生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的國內(nèi)投標(biāo)商太少而不利于招標(biāo)采購，同時(shí)廠房挖深比較大，不宜選取。故選取裝機(jī)6臺(tái)和8臺(tái)的方案進(jìn)行比較，這2種方案的主要參數(shù)比較見表2。

由表4可見，采用8臺(tái)機(jī)方案比6臺(tái)機(jī)方案價(jià)格高約644萬元，顯然采用6臺(tái)機(jī)方案更為經(jīng)濟(jì)。經(jīng)綜合考慮，主泵機(jī)組的臺(tái)數(shù)采用6臺(tái)機(jī)的方案。

5 葉輪檢修及起吊方式的選擇

立式混流泵結(jié)構(gòu)根據(jù)檢修起吊方式分為抽芯式和傳統(tǒng)常規(guī)形式2種，其中抽芯式結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)。

（1）安裝檢修方便。當(dāng)進(jìn)水池水位低于聯(lián)軸層地面時(shí)，立式抽芯式結(jié)構(gòu)可在不排除進(jìn)水流道積水的情況下，將水泵的葉輪、頂蓋、泵軸和導(dǎo)葉體沿軸向從機(jī)坑中整體吊出，可以不用在水泵層解體泵殼、葉輪并轉(zhuǎn)運(yùn)。降低了檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）效率高。據(jù)供水改造工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)分析，抽芯式結(jié)構(gòu)水泵效率比非抽芯式高1%～2%左右，泵體造價(jià)雖然比常規(guī)結(jié)構(gòu)稍高，但是節(jié)約了土建投資，綜合效益高于非抽芯式結(jié)構(gòu)。

（3）改善運(yùn)行條件。立式抽芯式混流泵在井筒中運(yùn)行，泵體運(yùn)行穩(wěn)定，震動(dòng)小，噪音低，改善了泵站運(yùn)行條件。

6 水泵調(diào)節(jié)方式選擇

水泵的調(diào)節(jié)方式一般有3種形式，分別為葉片角度調(diào)節(jié)、變速調(diào)節(jié)和前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。從實(shí)際運(yùn)行情況看，采用葉片調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)的情況較多；變速調(diào)節(jié)主要有3種方式，即改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)以及采用液力耦合器傳動(dòng)和變頻調(diào)速；對(duì)于電機(jī)容量較高的情況，采用改變電機(jī)極對(duì)數(shù)的方法較為合適，目前國內(nèi)水利行業(yè)大型變極雙速同步電動(dòng)機(jī)的研制及應(yīng)用取得了較好的成果，其應(yīng)用擴(kuò)大了水泵的工作范圍、節(jié)能高效；但是對(duì)于容量為3 400kW電機(jī)尚無變速調(diào)節(jié)運(yùn)用實(shí)例，設(shè)備造價(jià)、研發(fā)周期對(duì)于本站均存在著較大的不確定性，排澇泵站年運(yùn)行時(shí)間短，機(jī)組投資費(fèi)用收回年限較長，大型變極雙速同步電動(dòng)機(jī)更適用于調(diào)水工程，其長期效益十分顯著。

從水泵結(jié)構(gòu)上看葉片調(diào)節(jié)較復(fù)雜但其制造運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較為成熟，經(jīng)過綜合比較，決定采用葉片全調(diào)節(jié)方式。目前葉片全調(diào)節(jié)方式主要分為機(jī)械全調(diào)節(jié)和液壓全調(diào)節(jié)2種類型，均有廣泛的成功范例。影響葉片調(diào)節(jié)方式選擇的因素主要是調(diào)節(jié)力矩的大小，這也間接地反映在水泵的葉輪直徑和揚(yáng)程上。

7 選定的水泵的主要技術(shù)參數(shù)

水泵形式：立式導(dǎo)葉式混流泵；配用功率：N=3 400kW；型號(hào)：2640HDQ26.7-10；葉片數(shù)：Z=4；葉輪直徑：2.64m；水泵轉(zhuǎn)速：n=150r/min；設(shè)計(jì)揚(yáng)程：H=10.26m；設(shè)計(jì)流量：Q=26.7m3/s；效率：η=87%；葉片調(diào)節(jié)方式：液壓操作全調(diào)節(jié)，自動(dòng)和手動(dòng)方式；葉片調(diào)節(jié)范圍：a=-10°～+2°；葉片設(shè)計(jì)角度：-2°；水泵總重：70t。

8 結(jié)語

綜上所述，排澇泵站水泵機(jī)組的選型工作質(zhì)量對(duì)泵站整體功能的發(fā)揮有著重要的影響。本工程采用國際先進(jìn)的Ns1250KSP模型及豎井筒體式結(jié)構(gòu)，并通過肘形進(jìn)水流道，平直管流道出水，水泵與電機(jī)通過中置式調(diào)節(jié)器剛性連接等方式，有效確保了泵站水泵機(jī)組的運(yùn)行質(zhì)量，并提高了泵站整體的排澇能力。

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