馬浩　高小濤　韓珊珊　楊青霞

摘? 要：文章以河南省某取水規(guī)模為25.3萬噸/天的大中型泵站設(shè)計為例，從立式長軸泵的特點、水泵選擇的原則、水泵安全防護措施及考慮因素、經(jīng)濟比較、安全運行考慮因素等方面綜合分析了立式長軸泵在供水工程中的設(shè)計應(yīng)用案例，為類似工程的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：立式長軸泵;特性;安全防控;經(jīng)濟技術(shù)

中圖分類號：TH38 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）14-0183-02

Abstract： This paper takes the design of a large- and medium-sized pumping station with a water intake scale of 253，000 tons/day in Henan Province as an example. This paper comprehensively analyzes the design and application cases of vertical long shaft pump in water supply project from the aspects of the characteristics of vertical long shaft pump， the principle of pump selection， pump safety protection measures and considerations， economic comparison， safe operation consideration and so on， thus providing a reference for the design of similar projects.

Keywords： vertical long shaft pump; characteristics; safety; prevention and control; economy and technology

1 項目概況

城市供水是城市建設(shè)的命脈，對經(jīng)濟發(fā)展和社會生活等諸多方面都有著深刻的影響。保障供水安全是供水企業(yè)必須實現(xiàn)的基本目標，對于維護穩(wěn)定和構(gòu)建和諧社會具有重要意義。加強安全供水保障首先要建立供水水源安全保障體系，供水水源的取水工程的安全也顯得尤為重要，尤其是在取水泵站的水泵選型上。河南省某供水泵站工程設(shè)計取水規(guī)模為25.3萬噸/天，取水口按遠期設(shè)計規(guī)模一次建成，設(shè)備分期安裝。采用河道岸邊式取水，取水頭部設(shè)有間距為10cm×10cm的不銹鋼格柵，經(jīng)兩根DN1400的復(fù)合鋼管重力自流至原水提升泵房，經(jīng)過泵房加壓后向凈水處理廠供應(yīng)原水，其中向四水廠供水的水泵機組B采用4臺立式長軸泵（3用1備），流量1986m3/h，揚程35m，主要解決城市自來水廠生活飲用水水源供水問題。

2 立式長軸泵設(shè)計方案

2.1 水泵選擇的原則

（1）以現(xiàn)行國家或行業(yè)規(guī)程、規(guī)范為依據(jù)，廣泛收集適合本泵站特點的泵型資料，優(yōu)先選用國家推薦的系列產(chǎn)品和經(jīng)過鑒定的產(chǎn)品，選出滿足工程設(shè)計流量、設(shè)計揚程和水質(zhì)的新型設(shè)備。（2）在流量、揚程滿足使用要求的情況下，盡量選擇高效率、低轉(zhuǎn)速的水泵，以降低葉輪旋轉(zhuǎn)部件的線速度，減少水泵磨損，延長葉輪使用壽命，提高水泵效率。（3）選用汽蝕性能好的水泵，在各運行工況下，水泵不氣蝕、不超載，且能在高效區(qū)內(nèi)運行;水泵運行效率高，高效區(qū)范圍寬、運行費用低、降低供水成本。（4）在滿足泵站選型先進，機組運行可靠，裝置效率高的前提下，應(yīng)選擇投資省、附屬設(shè)備簡單的水泵產(chǎn)品。（5）機組安裝、檢修方便，便于維護和管理。（6）為了保證工程原水輸水管線系統(tǒng)的安全運行，滿足原水輸水水管線的斷流、控流、測流、分流及檢修要求，需在輸水管線上設(shè)置檢修閥、放空閥、復(fù)合式進排氣閥、流量調(diào)節(jié)閥、水力壓力監(jiān)測設(shè)備等水力機械設(shè)備，設(shè)備選擇應(yīng)按結(jié)構(gòu)簡單，運行檢修維護方便，安全可靠，經(jīng)濟合理的原則。

2.2 立式長軸泵的特點

立式長軸泵的特點是大流量，低揚程，水泵結(jié)構(gòu)緊湊，啟動前無需灌泵和抽真空，占地面積較小，工作效率高。水泵安裝形式為濕式安裝，水泵導(dǎo)向軸的潤滑采用外接冷卻水，輸送介質(zhì)為生活飲用水水源原水[1]。本工程水泵機組B采用的水泵型號為400VTC立式長軸泵，流量1986m3/h：揚程35m，電機功率315kW，水泵的轉(zhuǎn)速為1480r/min。

2.3 水泵特性參數(shù)

水泵正常運行水位58.50m，最高運行水位63.00m，最低運行水位54.50m，管道總水頭損失（沿程和局部）為21m，管道末端出水控制水位高程70m，水泵末端富裕2m自由水頭，因此水泵的最大、最小和設(shè)計揚程分別為：38.5m，30.0m，34.5m。

3 水泵安全防護考慮因素

3.1 防洪分析

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB50265-2010），工程等級按照工業(yè)、城鎮(zhèn)供水泵站重要程度等級定為重要，泵站等級為Ⅱ級，泵站規(guī)模大（2）型;泵站永久性建筑物級別：主要建筑物2級、次要建筑物3級，臨時性建筑物4級;2級建筑物防洪標準為50年一遇設(shè)計，200年一遇校核。取水口處50年一遇洪峰流量為1900m3/s，相應(yīng)水位為63.44m，該位置相應(yīng)校核流量按河流歷史最大行洪流量2400m3/s，此時水位為63.62m，因此泵房室內(nèi)地面標高采用63.5m。

3.2 水錘分析

停泵水錘在沒有水錘防護措施時可能會造成輸水管道破裂，水泵倒轉(zhuǎn)損害，泵房淹沒等事故的發(fā)生。常規(guī)的防護措施是根據(jù)水錘模擬計算結(jié)果對水泵的出水閥門采用分階段關(guān)閉以減少停泵水錘，并在輸水管道沿線設(shè)置補水、補氣排氣等設(shè)施以消除彌合水錘。本工程水錘防護措施為：水泵出口設(shè)置多功能止回閥和電動偏心半球閥，輸水管道沿線設(shè)置復(fù)合式進排氣閥，管道末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥，可保證本工程安全運行。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)按照無人值守控制模式采用計算機自動控制系統(tǒng)。同時，考慮在水泵附近安裝就地按鈕箱，實施手動控制，用于檢修和調(diào)試工況，在水泵控制柜（變頻柜、軟起柜）柜面上實施手動控制。綜合辦公樓中控中心接收現(xiàn)場根據(jù)液位、流量、設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)信號，由計算機根據(jù)接收信號以及預(yù)定的控制要求對水泵實施自動控制，不需要人工干預(yù)。

控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：（1）控制操作：對站內(nèi)任何一臺可控設(shè)備進行控制和人工干預(yù)，并能對各現(xiàn)地控制站的參數(shù)進行設(shè)定和修改。（2）顯示功能：用圖形實時地顯示各被控設(shè)備的運行工況;動態(tài)顯示工藝流程圖，并能在流程圖上選擇查看詳圖;動態(tài)顯示各種模擬信號、數(shù)字信號、各類累加信號等的數(shù)值和范圍清單。（3）數(shù)據(jù)管理：能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、操作信息庫、故障信息庫。（4）數(shù)據(jù)處理：利用實時和歷史數(shù)據(jù)，計算主要生產(chǎn)指標，并進行成本分析。（5）報警功能：當某一測量值超出給定范圍，可發(fā)出聲光報警，并可依據(jù)報警信息顯示相應(yīng)的動態(tài)畫面。（6）報表功能：即時報表、日報表、月報表、年報表。（7）安全功能：按不同操作級別分級加密，并記錄操作人員信息及操作信息。（8）打印功能：可以實現(xiàn)報表和圖形打印以及各種事件和報警的實時打印。

3.4 輔助控制系統(tǒng)

3.4.1 主泵房起重設(shè)備。為便于泵組的安裝檢修和設(shè)備吊運，在泵房內(nèi)設(shè)1套起重設(shè)備。單臺泵組的最大起吊件為機組B水泵，重量約為3.6t，選用起吊重量為5t的電動懸掛式起重機1臺，起重機起升高度為9.00m，跨度為4.5m。

3.4.2 水力監(jiān)測系統(tǒng)。（1）壓力監(jiān)測。為監(jiān)測原水提升泵站單臺水泵出口壓力，在每臺水泵出水口處均設(shè)置1套壓力變送器，量程為0--1.0MPa，輸出4～20mA模擬量信號。在每臺水泵出水口處均設(shè)置1套現(xiàn)地壓力表。（2）流量監(jiān)測。為監(jiān)測原水提升泵站出口流量，在泵站出水壓力總管后引出的2根輸水干管上各自設(shè)置1臺電磁流量計作為測流設(shè)備，在輸水管線的末端設(shè)置電磁流量計。

3.4.3 水位監(jiān)測。在原水提升泵站泵房下部的兩格吸水池內(nèi)均設(shè)置1套超聲波液位計，總計2套，用來監(jiān)測吸水池內(nèi)的水位變化情況。所有的測量數(shù)據(jù)均送入泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)，控制系統(tǒng)在高、低限液位時報警并根據(jù)設(shè)定的水位自動啟停水泵。

3.5 系統(tǒng)運行設(shè)計

3.5.1 立式長軸泵便于后期運行維護。本工程屬于大（2）型重要城市供水泵站工程，停水檢修將會對居民生活，城市工業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，立式長軸泵電機位于地面以上，同臥式雙吸離心泵半地下泵站相比，檢修更為方便，可以減少維修對城市居民生活的影響。

3.5.2 減少水泵運行震動對水泵的損傷。立式長軸泵傳動轉(zhuǎn)軸十來米，較長的轉(zhuǎn)軸易造成軸承易磨損、機組擺渡加大，震動加劇，因此要從規(guī)劃設(shè)計和廠家制造等方面共同采取安全措施。從規(guī)劃設(shè)計上考慮，水泵基礎(chǔ)采用承載力較大和抗震能力較強的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。從設(shè)備制造商角度考慮，除水泵本身材質(zhì)外，其關(guān)鍵件導(dǎo)軸承也必須采用較好的耐磨材質(zhì)，如樹脂聚合物類非金屬彈性軸承材料。聯(lián)軸器采用哈夫節(jié)夾套式聯(lián)軸器可以保障泵軸在運行時的同軸度，減少震動和擺度，同時方便拆卸檢修維護[2]。

3.5.3 水泵防堵措施。現(xiàn)狀取水口河水中含沙量較少，漂浮物較少，且為水源地以一級保護區(qū)，因此在取水口設(shè)置鋼格柵（10cm×10cm），原水提升泵站吸水池吸水池側(cè)壁及底部均設(shè)有DN100的沖洗管道，對吸水池底部進行沖洗，同時泵房吸水池間隔一定時間進行清沙檢修[3]。同時建議根據(jù)運行情況，定期對取水口攔污柵進行清濤和巡檢。

3.5.4 水泵啟動方式及變頻系統(tǒng)。根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》要求，水泵機組應(yīng)優(yōu)先選擇全電壓直接起動方式，但是當電機起動時，母線電壓降不宜超過額定電壓的15%，否則應(yīng)采取降壓起動方式起動。因為城市用水量存在波動性，泵站運行過程中需調(diào)節(jié)水量，變頻調(diào)速可通過調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對水量的調(diào)節(jié)，因此10kV高壓水泵機組中選擇1臺采用變頻調(diào)速的運行方式，其余水泵機組采用定頻運行方式。采用變頻調(diào)速的水泵機組應(yīng)選用變頻型電機，其啟動方式為變頻啟動。電機軟啟動方式可保證電機平滑加速，滿足機械系統(tǒng)對啟動力矩的要求;減小啟動電流，避免電動機啟動發(fā)熱造成絕緣破壞;減小電機啟動時電壓暫降。因此定頻水泵電動機全部采用軟起動方式啟動。

4 結(jié)論及建議

（1）立式長軸泵可以將蓄水池布置在泵房的下方，節(jié)省投資和占地，運行維護方便，更適合取水位多變的泵站運行，對水位的變化適應(yīng)性較強，可廣泛應(yīng)用于城市供水，電力、石化等各行業(yè)輸送水泵站。（2）采用離岸式布置方式，水泵房可以遠離河岸或河堤，采用引水管道將水源輸送至泵房吸水池，為泵站施工創(chuàng)造便利條件，減少岸邊式泵站的施工措施費，降低施工成本。（3）立式長軸泵可以更好發(fā)揮水泵對水位變幅的適應(yīng)性能，尤其對于河道水位隨季節(jié)變化較大的泵站項目，水位運行落差對水泵的運行影響相對較小。（4）項目在施工圖過程中應(yīng)注意加強廠家、設(shè)計院之間的溝通聯(lián)絡(luò)，尤其在水泵、10kV高壓電機配置、水泵控制系統(tǒng)方面加強溝通與對接，防止在變頻、水泵啟動，信號互通等方面在不同廠家之間出現(xiàn)問題。（5）項目在建成后運行過程中，要根據(jù)實際運行水位、受水區(qū)流量需求，做好運行調(diào)試和穩(wěn)定運行的參數(shù)調(diào)節(jié)工作，保障水泵平穩(wěn)、高效、安全運行。

參考文獻：

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[2]李子君.立式長軸泵改造分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（21）：126-127.

[3]胡良明.不同水位泵房進水流道堵塞對流速分布的影響[J].人民黃河，2019，41（8）：153-162.