馬延強

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

泵房是給水廠至關重要的組成部分，不僅是水廠運行中能耗最大的一個單元，更關系到整個城市供水系統(tǒng)是否能夠順利運行。

在低海拔地區(qū)水泵的選型可以根據水泵廠家給出的樣本進行設計，但是在高海拔地區(qū)氣候條件特殊，高原氣候的特點主要表現為大氣壓強低、空氣密度低、氧氣含量小、空氣濕度小、溫差變化大、紫外線強度大、降水量小等，需要對水泵和電機的參數進行修正。

1 水泵安裝高度設計

1.1 水泵安裝高度計算方法

離心泵的正常工作是建立在水泵吸水條件正確的基礎上，水泵的故障常常是由于吸水條件選擇不當，所謂的正確的吸水條件就是指在吸水過程中不產生氣蝕情況下的最大吸水高度。當泵中的最低壓力降低到被抽液體工作溫度下的飽和蒸氣壓時，水就大量氣化，同時原先溶解在水里的氣體也會自動逸出，產生氣蝕現象[1]。水的飽和蒸氣壓和溫度有密切的關系，如表1所示。

另外,水泵的氣蝕條件和運行環(huán)境下的大氣壓有關系，大氣壓力和海拔高度有密切的關系，如表2所示。

表1 水的飽和蒸氣壓和溫度關系表

表2 大氣壓力和海拔高度關系表

(1)

當水泵廠家給出NPSHR時，可根據式(2)換算。

(2)

其中：Hg—水泵安裝地點的大氣壓力，m H2O，其值和海拔高程相關；

Hz—液體相應溫度下的飽和蒸汽壓力水頭，m，其值和水溫有關；

V1—水泵吸入口流速，m3/s。

水泵的實際安裝需要考慮吸水管的水頭損失，水泵的安裝高度如式(3)。

(3)

其中：Zs—吸水高度，m；

[Hs]—實際采用真空吸上高度，m，為考慮安全一般采用[HsJB)]≤(0～90%)Hs；

∑hs—吸水管路沿程和局部損失之和，m。

一般吸水管路的沿程損失可由式(4)計算。

(4)

其中：Ch—海曾·威廉系數；

Q—設計流量，m3/s；

Dj—管道計算內徑，m。

吸水管路的局部管道損失可由式(5)計算。

(5)

其中：ε—局部阻力系數；

v—吸水管中流速，m/s。

1.2 高原地區(qū)水泵安裝高度計算實例

拉薩某水廠海拔高度為3 650 m，最熱月的平均氣溫為15.5 ℃，最冷月的平均氣溫為-2.3 ℃，極端最高溫度為29.4 ℃，極端最低溫度為-16.5 ℃。由表1、表2得出，當地大氣壓為6.65 m H2O、最高月平均氣溫為15.5 ℃時，水飽和蒸氣壓為0.17 m H2O。

在設計工程中，以水泵A為例，水泵流量為3 750 m3/h，揚程為41 m，水泵進水口直徑為700 mm，進水口流速為3.7 m/s，參考水泵樣本給出的NPSHR為3.5 m，水泵流量由式(6)可以得出。

(6)

由此可以得出Hs為3.52 m。

另外，吸水管管徑為DN 900，吸水管中流速為1.63 m/s，管路損失∑hs經計算得出，∑hs=1.8 m。

水泵的安裝高度可由式(7)計算。

(7)

由此可以得出Zs=1.2 m，一般使用過程中需要考慮0.5 m的富余量，因此水泵的安裝高度為 0.7 m。

另外水泵在運行過程中可能不在最佳工況點，水泵工況點往右偏移時，水泵的NPSHR可能達到5 m左右，在這個工況點水泵的安裝高度經過計算是小于0的。也就是說水泵的吸水水位要比水泵的泵軸水位要高。因此在二級泵房設計時，考慮到安全因素，盡量采用正進水形式。

水泵的必需氣蝕余量越小越安全，水泵的氣蝕余量和水泵的構造有關系，一般來講水泵的轉速越低，必需氣蝕余量越小，因此在高原地區(qū)盡量選擇低轉速的水泵，提高水泵的安全運行性能。

2 高原水泵電機選擇

高原地區(qū)的電機選擇與平原地區(qū)有很大區(qū)別，在海拔高于1 000 m時，需要采用高原電機，高原氣候對電機有很大影響。

2.1 對電機功率的影響

由于高原地區(qū)海拔高，空氣稀薄，電機轉子和定子之間的間隙內導磁能力降低，直接影響電機額定功率輸出，相同功率的電機在高原運轉時，實際功率會有所降低，電機帶負荷能力降低，同時發(fā)熱量增加，因此選用電機時需要對電機降容使用[3]。

2.2 對絕緣材質介質強度的影響

空氣壓力或密度的降低，會引起低密度、低濃度、多空隙材料(如電工絕緣材料、隔熱材料等)的物理和化學性能發(fā)生變化，導致外絕緣強度的降低，在5 000 m范圍內，每升高1 000 m，平均大氣壓力降低7.7～10.5 kPa，外絕緣強度降低8%～13%。

另外，紫外輻射強度在海拔3 000 m時已達到低海拔時的2倍。高強度紫外線也會引起有機絕緣材料的迅速老化，使空氣容易電離，以而導致外絕緣強度降低。

2.3 對電氣間隙擊穿電壓的影響

對于設計定型的電機，由于其電器間隙已經固定，隨著空氣壓力的降低，其耐擊穿電壓也下降，為了保證產品在高原環(huán)境使用時有足夠的耐穿能力，必須增大電氣間隙。

電氣間隙可按照表3進行修正。

表3 電氣間隙海拔高度修正表

2.4 對溫升的影響

空氣壓力或空氣密度的降低，會引起空氣介質冷卻效應的降低。對于以自熱對流、強迫通風或空氣散熱為主要方式的電機，由于散熱能力的下降、溫升增加，在海拔5 000 m內，海拔每升高1 000 m，則平均氣壓降低7.7～10.5 kPa，溫升增加3%～10%。因此，電機在高原運轉時需要增強其溫升等級。

高原環(huán)境下，若電機的額定輸出功率需保持不變，則需滿足式(8)。

(h-1 000)Δi?40-tat

(8)

其中：h—電機使用海拔，m；

tat—電機使用地點的環(huán)境溫度；

Δi—為海拔在1 000～5 000 m，海拔每提高100 m所需要的最高環(huán)境溫度補償值，取Δi=0.01×電機繞組溫升極限/100，℃/m。

若無法滿足這一環(huán)境溫度需求，則電機額定輸出功率將有所降低，額定功率降低一半可按照每補償1 ℃，功率降低1%計算，其關系如式(9)。

(9)

其中：Ne—電機的額定功率，kW；

ΔNe—電機額定功率降低值。

在拉薩地區(qū)，海拔高度為3 650 m，如果電氣保護選用F級，允許溫升為155 ℃，代入式(8)：(3 650-1 000)×155×0.01/100?40-tat。由此可得出，tat=-1.075 ℃，即環(huán)境溫度需要在-1.075 ℃條件下，電機才能在溫升極限內安全運行。拉薩夏季極端最高溫度為29.4 ℃，不能滿足環(huán)境要求，因此需要對電機進行降容處理。

代入式(9)得式(10)。

ΔNe=[(3 650-1 000)×155×0.01/1 000

(10)

由此可得到ΔNe/Ne=30%，因此需要降容30%使用。

以水泵A為例，水泵的流量為3 750 m，揚程為41 m，泵和電機的效率為80%，電機功率如式(11)。

=444.7 kW

(11)

由此可得出水泵需要的電機功率為444.7 kW，一般水泵廠家在配電機時考慮1.1～1.3的安全系數，按1.2計算，水泵所選電機功率為533 kW。

在高原需要考慮降容30%使用，因此水泵選用的功率為762 kW，對照電機功率等級表，水泵最終選用800 kW的電機。由此可見，最終選的電機功率和計算功率之間差值很大，這是高原地區(qū)特殊氣候條件所致。

2.5 強紫外對電氣設備的影響

2.5.1 對塑料性能的影響

海拔5 000 m時的最大太陽輻射強度為低海拔時相應值的1.25倍。熱輻射對物體有加熱作用，對于戶外用電產品，太陽熱輻射的增加會引起較大的表面附加溫升，降低有機絕緣材料的性質性能，使材料變形，產生機械熱應力等影響。熱固性塑料分子鍵呈網狀結構，密度相對較大，因此光化裂解作用對其機械性能影響不大，對熱塑性的機械性能影響較大，比如絕緣材料等。

2.5.2 對油漆涂層的影響

高原地區(qū)日照強烈，溫差變化大，會加速油漆涂層的老化和龜裂。據分析，油漆涂層的老化是光氧老化，其速度和太陽光的輻射強度和輻射量總量有關，也和大氣中的水分、氧氣、溫度、濕度都有關。

3 結論

(1)在高原地區(qū)，水泵的安裝高度和平原地區(qū)差別很大，為了避免產生氣蝕，影響水泵的正常運轉，高原地區(qū)水泵最好采用正進水。

(2)高原的特殊氣候對電機的功率、絕緣、溫升等有顯著影響，電機需要降容使用。

(3)在高原地區(qū)選擇水泵盡量選擇必需氣蝕余量小的水泵，選擇電機時充分計算電機功率降低余量及絕緣溫升要求，選用適當的電機。

[1]姜乃昌.泵與泵站[M].5版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:143-174.

[2]上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司.給水排水設計手冊(第三冊)[M].3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2017:289-315.

[3]中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].3版.北京:中國電力出版社,2005:480-483.