□張超男（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程主要由總干渠主體工程、總干渠分水口門至城市自來(lái)水廠入口之間的供水配套工程、城市水廠及管網(wǎng)工程三部分組成。其中供水配套工程上接總干渠，下連城市水廠，擔(dān)負(fù)著承上啟下的輸水任務(wù)。

河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程16號(hào)任坡分水口門位于禹州市梁北鎮(zhèn)任坡村附近，分別向禹州市新規(guī)劃水廠和神垕鎮(zhèn)水廠供水，口門分配流量2.00m3/s。向禹州市新規(guī)劃水廠輸水采用重力流輸水方式，設(shè)計(jì)流量為1.50m3/s。向神垕鎮(zhèn)水廠供水需要在分水口門后修建任坡提水泵站，采用泵站加壓輸水的方式，設(shè)計(jì)流量為0.50m3/s。

根據(jù)河南省黃河南南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程16號(hào)口門的基本資料，通過對(duì)泵站工程規(guī)劃布置，由規(guī)劃提供的泵站水力資料：泵站進(jìn)水池最高水位126.80m，設(shè)計(jì)水位126.16m，最低水位125.55m；泵站出水池水位238m；泵站提水流量0.50m3/s。

2 水泵選型

2.1 泵站水泵型式的確定

根據(jù)泵站進(jìn)水池水位和出水池水位資料，泵站在不同進(jìn)水池水位和出水池水位工況下組合不同的揚(yáng)程，為合理選擇水泵型式并滿足泵站出現(xiàn)的各種工況，由此確定泵站最大凈揚(yáng)程112.45m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程111.84m，最小凈揚(yáng)程111.20m。水泵選型的原則是在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下滿足設(shè)計(jì)流量且效率最高，并兼顧到泵站的最大、最小揚(yáng)程工況。根據(jù)泵站提水流量和泵站出水管會(huì)管后采用管徑DN800mm、長(zhǎng)16270m一條球墨鑄鐵輸水管的布置形式，由泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程和輸水管路長(zhǎng)度，采用海曾—威廉公式計(jì)算輸水管路沿程損失，輸水管路的局部損失按沿程損失的20%計(jì)，并考慮泵站內(nèi)管路損失和揚(yáng)程有2m的富余量，通過計(jì)算，泵站最大揚(yáng)程為142.40m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為141.80m，最小揚(yáng)程為141.20m。

根據(jù)泵站總揚(yáng)程和提水流量，其揚(yáng)程高，流量小，適合該泵站的水泵型式為雙吸離心泵和多級(jí)離心泵。這兩種離心泵均為低比轉(zhuǎn)速水泵，同尺寸雙吸離心泵單臺(tái)提水流量比多級(jí)離心泵要大，且效率相對(duì)較高，因此水泵型式采用雙吸離心泵。

2.2 水泵臺(tái)數(shù)及型號(hào)確定

在泵站供水總流量確定后，泵站裝機(jī)臺(tái)數(shù)不宜過多，水泵臺(tái)數(shù)的多少直接影響到泵型的選擇、泵站工程投資以及建成后的運(yùn)行管理費(fèi)用等。水泵臺(tái)數(shù)少，則選擇的泵型就大，反之就小。大泵與小泵相比，效率高，能源消耗、運(yùn)行費(fèi)用和土建投資較省，管理也較方便。為避免開發(fā)新型水泵，減少研發(fā)費(fèi)用，節(jié)約工程投資，在水泵選型上應(yīng)立足于現(xiàn)有產(chǎn)品。根據(jù)泵站提水流量，同時(shí)考慮輸水線路的數(shù)量，而且《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50265）規(guī)定“并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)不宜超過四臺(tái)?！逼湓虿⒙?lián)臺(tái)數(shù)愈多，水泵揚(yáng)程變化范圍愈大，對(duì)水泵的流量和效率影響越明顯，流量增大，效率降低。同時(shí)，《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50265）規(guī)定泵站裝機(jī)臺(tái)數(shù)不少于3臺(tái)，且裝機(jī)臺(tái)數(shù)包括工作泵和備用泵，也就是說(shuō)泵站工作泵的臺(tái)數(shù)不少于2臺(tái)。因此，泵站工作泵臺(tái)數(shù)按2臺(tái)、3臺(tái)和4臺(tái)進(jìn)行比較其工況范圍、工作效率。結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的廠家產(chǎn)品，根據(jù)泵站設(shè)計(jì)參數(shù)，工作泵2臺(tái)時(shí)選定水泵型號(hào)為OTS250-800A/1-2， 工作泵 3 臺(tái)時(shí)選定水泵型號(hào)為KQSN300-N3/685， 工作泵 4 臺(tái)時(shí)選定水泵型號(hào)為KQSN200-M5/355。

裝機(jī)2臺(tái)、3臺(tái)和4臺(tái)時(shí)其機(jī)組性能比較：第一，在水泵最高效率工況點(diǎn)，裝機(jī)2臺(tái)總提水流量大于規(guī)劃提水流量，裝機(jī)3臺(tái)總提水流量與泵站規(guī)劃提水流量相當(dāng)，兩者均滿足提水流量的要求，裝機(jī)4臺(tái)流量偏小于泵站規(guī)劃提水流量；第二，裝機(jī)2臺(tái)、3臺(tái)時(shí)，水泵最高效率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水泵揚(yáng)程與泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程比較一致，裝機(jī)4臺(tái)時(shí)，水泵揚(yáng)程與泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程相差5m左右；第三，水泵最高效率工況點(diǎn)和效率范圍，2臺(tái)最高，4臺(tái)次之，3臺(tái)最低。第四，泵站裝機(jī)容量，2臺(tái)和4臺(tái)均為1260kW，容量最少，3臺(tái)1500kW，容量較大；第五，對(duì)于水泵并聯(lián)運(yùn)行，在提水揚(yáng)程不變的情況下，并聯(lián)水泵的提水流量要小于單臺(tái)水泵提水流量，因此，裝機(jī)2臺(tái)機(jī)組更能滿足泵站提水流量的要求；第六，從投資來(lái)講，通常情況下泵站臺(tái)數(shù)少，投資就少，因此，裝機(jī)2臺(tái)投資最少，4臺(tái)最大。

通過以上綜合對(duì)比分析，泵站工作泵裝機(jī)2臺(tái)的綜合性能較為優(yōu)越，因此，泵站采用裝機(jī)2臺(tái)，水泵型號(hào)為OTS250-800A/1-2，流量0.22～0.26～0.29m3/s，揚(yáng)程152～142～132 m。水泵型號(hào)OTS250-800A/1-2是指水泵轉(zhuǎn)輪直徑介于663～612mm之間，即對(duì)663mm的轉(zhuǎn)輪適當(dāng)切削，流量和揚(yáng)程滿足設(shè)計(jì)要求。水泵的性能曲線見圖1。

圖1 OTS250-800A型水泵性能曲線圖

根據(jù)受水點(diǎn)的重要性和調(diào)節(jié)能力，受水點(diǎn)為供水水廠，機(jī)組的利用小時(shí)數(shù)較高，泵站與供水水廠間無(wú)水量調(diào)節(jié)蓄水池，為保證供水的可靠性及機(jī)組檢修的方便，增設(shè)一臺(tái)備用水泵，備用泵性能參數(shù)與工作泵一致，且互為備用。因此，任坡泵站共裝機(jī)3臺(tái)，兩用一備。

3 電機(jī)選型

電機(jī)容量選擇是否合適關(guān)系到整個(gè)泵站是否能夠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電機(jī)容量偏小，造成電機(jī)長(zhǎng)期過載運(yùn)行，易燒毀電機(jī)。電機(jī)容量偏大，即儲(chǔ)備系數(shù)偏大，電機(jī)負(fù)載率偏低，電機(jī)效率也隨之降低，造成機(jī)組運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。通常與水泵配套的電動(dòng)機(jī)的輸出功率應(yīng)大于水泵軸功率。電動(dòng)機(jī)所具有的輸出功率P配按下面公式計(jì)算：

式中：P配—電動(dòng)機(jī)的輸出功率（kW）；H—水泵最不利工作揚(yáng)程（m）；Q—水泵在最不利工作揚(yáng)程下的流量（m3/s）；η泵—水泵在最不利工作揚(yáng)程下的效率（%）；η傳—傳動(dòng)效率（%）；K—功率備用系數(shù)，K取值≥1.05。

對(duì)于水泵配套的電機(jī)容量，水泵生產(chǎn)廠家均已配套，只要復(fù)核一下廠家配套的電機(jī)容量是否滿足要求即可。通常情況下，直接采用水泵廠家配套的電機(jī)。根據(jù)以上原則，選定的電機(jī)型號(hào)為Y4506-4，電機(jī)容量630kW，電壓等級(jí)10kV，電機(jī)轉(zhuǎn)速1485 r/min。

根據(jù)泵站電機(jī)型號(hào)及參數(shù)，水泵配套電機(jī)選用Y系列鼠籠異步電動(dòng)機(jī)。按泵站設(shè)計(jì)規(guī)范（GB/T50265）規(guī)定“主電動(dòng)機(jī)的單機(jī)額定容量在630kW及630kW以上時(shí)，宜用同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償”，但此泵站電動(dòng)機(jī)容量為630kW 仍采用異步電動(dòng)機(jī)，基于以下分析：

第一，隨著電力工業(yè)飛速的發(fā)展，電力系統(tǒng)容量成倍增加，電網(wǎng)質(zhì)量不斷提高，大型電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)中占的比例相對(duì)比較少，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況不會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量；第二，國(guó)內(nèi)制造的補(bǔ)償電容器技術(shù)有了很大提高，電動(dòng)機(jī)的就地補(bǔ)償技術(shù)得到廣泛運(yùn)用和推廣，同時(shí)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，功率因數(shù)達(dá)0.86，通過電容補(bǔ)償易使供電母線端的功率因數(shù)達(dá)到供電部門0.90以上的要求；第三，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子采用繞線結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子線圈線間絕緣容易發(fā)生故障，而異步電動(dòng)機(jī)采用銅條鑄造，沒有線圈，故障率低，從價(jià)格上比較，異步電動(dòng)機(jī)比同步電動(dòng)機(jī)低廉；第四，同步電動(dòng)機(jī)配套電氣設(shè)備、保護(hù)設(shè)備比較復(fù)雜，特別是勵(lì)磁裝置屬?gòu)?fù)雜電子設(shè)備，技術(shù)要求高，容易發(fā)生故障，安裝調(diào)試工作量很大，異步電動(dòng)機(jī)配套電氣設(shè)備僅為電容補(bǔ)償裝置，該裝置比較簡(jiǎn)單，工作比較可靠，安裝維護(hù)工作量都很小；第五，從運(yùn)行管理上分析，同步電動(dòng)機(jī)配備的勵(lì)磁裝置，其功能是啟動(dòng)時(shí)牽入同步，運(yùn)行中調(diào)節(jié)功率因數(shù)，保持同步，防止失步，停機(jī)時(shí)釋放轉(zhuǎn)子能量，進(jìn)行滅磁等等，啟動(dòng)、停機(jī)和運(yùn)行過程比異步電動(dòng)機(jī)復(fù)雜的多，日常運(yùn)行管理也需要配備較高水準(zhǔn)的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作和維護(hù)，異步電動(dòng)機(jī)沒有勵(lì)磁裝置，一般技術(shù)工人都可以進(jìn)行管理和維護(hù)。

基于上述考慮，電動(dòng)機(jī)仍采用異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)。

4 結(jié)論

根據(jù)16號(hào)口門任坡泵站水力資料，最終確定泵站共裝機(jī)3臺(tái)，兩用一備，水泵型號(hào)OTS250-800A/1-2，水泵流量0.22～0.26～0.29m3/s，揚(yáng)程152～142～132m。電機(jī)采用異步鼠籠式電動(dòng)機(jī)，其型號(hào)為Y4506-4，電機(jī)容量630kW，電壓等級(jí)10kV，電機(jī)轉(zhuǎn)速1485r/min。

[1]姜乃昌.泵與泵站[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版設(shè)，2007.

[2]湯蘊(yùn)璆.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版設(shè)，2014.