范小娟，宋培培，夏玉寶

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州貴陽 550000）

在輸水工程中，泵站屬于重要的提水設(shè)備，合理的水泵設(shè)計(jì)將對整個(gè)工程調(diào)度、運(yùn)行產(chǎn)生直接影響[1]；依據(jù)工程供水規(guī)模、輸輸管線布置確定泵站提水流量及泵站揚(yáng)程；當(dāng)泵站提水揚(yáng)程變幅較大時(shí)，可采用機(jī)組變頻運(yùn)行、選取多組水泵葉輪等方式以滿足工程的實(shí)際運(yùn)行要求[2]。本文結(jié)合某工程泵站布置實(shí)例對水泵選型方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

某長距離有壓輸水工程從水庫取水，經(jīng)13.5km的有壓取水線路至提水泵站，后接0.8km的泵站上水管至高位水池；泵站內(nèi)設(shè)有水泵機(jī)組及自流管路及調(diào)流閥兩套系統(tǒng)。當(dāng)水庫水位較高時(shí)，經(jīng)泵站自流管路及閥門系統(tǒng)過水，通過閥門調(diào)節(jié)流量滿足供水要求；當(dāng)水庫水位較低時(shí)，經(jīng)泵站內(nèi)水泵機(jī)組系統(tǒng)提水，滿足供水要求。

2 泵站基礎(chǔ)資料

2.1 泵站設(shè)計(jì)流量

工程年供水量為3450萬立方米，主要向某城市水廠供水，泵站設(shè)計(jì)流量為3.0m3/s。

2.2 水庫特征水位

最高運(yùn)行水位 1145.0m設(shè)計(jì)運(yùn)行水位 1145.0m最低運(yùn)行水位 1120.0m

2.3 高位水池特征水位

設(shè)計(jì)運(yùn)行水位 1135.0m

2.4 輸水線路系統(tǒng)水頭損失

表1 輸水線路系統(tǒng)水頭損失

2.5 機(jī)閥調(diào)度運(yùn)行方式

當(dāng)水庫水位在1145.0～1138.5m范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，通過自流即可滿足供水要求，此時(shí)泵站內(nèi)的水泵機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，經(jīng)自流調(diào)流閥過流通水；通過調(diào)節(jié)自流調(diào)流閥的開度，以滿足水庫不同水位時(shí)保證過流能力一定。

當(dāng)水庫水位在1138.5～1135.0m范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，自流流量不能滿足供水要求，此時(shí)需關(guān)閉自流調(diào)流閥，經(jīng)機(jī)組提水至高位水池；水泵出口設(shè)有工作調(diào)流閥，水泵及工作調(diào)流閥聯(lián)動運(yùn)行已保證機(jī)組安全穩(wěn)定。

當(dāng)水庫水位在1135.0～1120.0m范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，由于水庫水位均低于高位水池水位，需經(jīng)機(jī)組提水至高位水池。

3 機(jī)組選型

3.1 機(jī)組基本參數(shù)

3.1.1 泵站特征揚(yáng)程

依據(jù)水庫特征水位、高位水池特征水位、輸水線路系統(tǒng)水頭損失確定泵站特征揚(yáng)程。

表2 泵站特征揚(yáng)程

3.1.2 水泵機(jī)型選擇

水泵選型應(yīng)遵循滿足供水流量要求、設(shè)備運(yùn)行安全可靠、生產(chǎn)制造不受限制、安裝檢修方便等原則[3]。根據(jù)工程供水要求的揚(yáng)程和流要求量，泵站選則臥式單級雙吸離心泵。

提水揚(yáng)程范圍為0～19.0m，泵站揚(yáng)程變幅大，為滿足供水流量要求及機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組采用變頻調(diào)速方式運(yùn)行。對于變頻運(yùn)行水泵機(jī)組，變頻宜從高揚(yáng)程調(diào)至低揚(yáng)程，以避免電機(jī)超頻運(yùn)行，所以水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程即為最大揚(yáng)程為19.0m。

3.1.3 泵站機(jī)組臺數(shù)

工作泵臺數(shù)需根據(jù)工程規(guī)模、建設(shè)內(nèi)容等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定，備用泵臺數(shù)根據(jù)工程重要性、運(yùn)行條件及年運(yùn)行時(shí)間確定。在泵站選取水泵機(jī)組臺數(shù)時(shí)，水泵臺數(shù)越多，則泵站靈活性越高，調(diào)節(jié)性能越好，工程供水系統(tǒng)的可靠性越高，但工程投資越大；因此，泵站工作泵及備用泵臺數(shù)的選擇需綜合考慮泵站建設(shè)投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用、設(shè)備制造水平及運(yùn)輸條件限制、水泵運(yùn)行可靠性及靈活性等因素[4]

工程受水對象近期供水規(guī)模為20萬噸/天，遠(yuǎn)期供水規(guī)模為25萬噸/天；即近期輸水流量為2.386m3/s，遠(yuǎn)期輸水流量為2.983m3/s；結(jié)合水泵生產(chǎn)制造水平，考慮重要供水泵站工作泵臺數(shù)多于3臺時(shí)，宜設(shè)置2臺備用泵；工作泵臺數(shù)3臺及3臺以下時(shí)，宜設(shè)置1臺備用泵；初選4用2備、3用1備兩種方案進(jìn)行比較。

表3 臺數(shù)比較

綜合比較設(shè)備投資、泵房尺寸、調(diào)度管理等因素，推薦投資較優(yōu)的方案二，即3用1備方案。

3.1.4 水泵機(jī)組性能參數(shù)

泵站特征揚(yáng)程為19～20m，揚(yáng)程相對變幅達(dá)100%；常規(guī)變頻機(jī)組揚(yáng)程相對變幅僅達(dá)到30%，故設(shè)備廠家生產(chǎn)制造能力有限，水泵泵型難以適應(yīng)工程水位變化，水泵選型受限。根據(jù)泵站揚(yáng)程變幅情況，考慮將泵站揚(yáng)程分段，設(shè)置不同揚(yáng)程段的水泵機(jī)組（相當(dāng)于采用水泵葉輪切割），或采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式加水泵出口進(jìn)行調(diào)流。若考慮泵站揚(yáng)程分段，則需設(shè)置兩套機(jī)組，廠房尺寸增加較大；本工程推薦選用變頻調(diào)速運(yùn)行方式加水泵出口設(shè)工作調(diào)流閥。

在確定水泵參數(shù)時(shí)，考慮泵站水泵的揚(yáng)程變幅達(dá)到19m，機(jī)組采用變頻運(yùn)行方式，水泵穩(wěn)定運(yùn)行最低揚(yáng)程盡可能接近泵站最低揚(yáng)程，綜合分析各制造廠的資料，宜采用Q-H變化較陡的曲線。

水泵穩(wěn)定運(yùn)行最低揚(yáng)程為3.5m，則當(dāng)水庫水位位于1135.0～1138.5m時(shí)，泵站提水揚(yáng)程均小于3.5m，此時(shí)需調(diào)節(jié)水泵出口調(diào)流閥開度，以此增大水泵揚(yáng)程，保證機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.2 水泵閥門選擇

為保證單臺機(jī)組檢修時(shí)不影響其他機(jī)組正常運(yùn)行，在每臺水泵進(jìn)出口各設(shè)置一臺電動檢修閥門，考慮機(jī)組運(yùn)行時(shí)過流通道水流順暢，進(jìn)出水側(cè)檢修閥門均采用全通徑的偏心半球閥。

泵站特征揚(yáng)程變幅較大，考慮水泵揚(yáng)程選型受限，水泵出口設(shè)置出口調(diào)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加水泵的實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程，滿足實(shí)際的供水規(guī)模。

3.3 配套電動機(jī)選擇

電動機(jī)結(jié)構(gòu)類型分為同步電動機(jī)和異步電動機(jī)[5]，其中異步電動機(jī)分為鼠籠式異步電動機(jī)和繞線型異步電動機(jī)[6]。參考已建泵站設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，電動機(jī)選用繞線型異步電動機(jī)。

電動機(jī)配套功率需根據(jù)水泵特性曲線、機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行特性曲線及裝置曲線確定不同工況下機(jī)組工作點(diǎn)，并計(jì)算各工況點(diǎn)下的最大軸功率進(jìn)行確定。本泵站大泵的最大軸功率為322kW，考慮一定的安全系數(shù)，結(jié)合電動機(jī)型號參數(shù)資料，推薦電動機(jī)功率為280kW。

3.4 機(jī)組安裝高程選擇

水泵的安裝高程應(yīng)按水庫為最低運(yùn)行水位時(shí)，滿足不同工況下水泵允許吸上真空高度Hs確定。水庫最低運(yùn)行水位1120.0m，經(jīng)計(jì)算Hs為-0.8m；考慮水泵最小淹沒深度，結(jié)合水工布置，水泵安裝高程為1110.0m。水泵型式為單級雙吸臥式離心泵，水泵進(jìn)出水管中心線距水泵安裝高程為550mm，水泵進(jìn)出水管中心線高程為1109.45m。

3.5 輔助設(shè)備選擇

為泵站檢修方便、運(yùn)行管理安全，配備有相應(yīng)的輔助系統(tǒng)。

（1）主廠房起重機(jī)。為了滿足安裝及檢修的需要，主廠房設(shè)電動雙梁橋式起重機(jī)一臺，起吊最重件為自流管路上的自流活塞閥，其重量為18.5t，選用的起重機(jī)型號為GD20/5t，起重機(jī)跨度為15.0m。

（2）技術(shù)供水系統(tǒng)。機(jī)組配套電動機(jī)選用繞線型異步電動機(jī)，電動機(jī)功率相對較小，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，故不在單獨(dú)設(shè)置技術(shù)供水系統(tǒng)。

（3）排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)包括廠房內(nèi)部滲漏排水和機(jī)組檢修排水兩，本工程共用一個(gè)集水井，設(shè)置2臺排水泵。機(jī)組檢修時(shí)，2臺工作；滲漏排水時(shí)，1臺工作，1臺備用。

（4）水力測量系統(tǒng)。機(jī)組段測量：每臺水泵進(jìn)/出水側(cè)各設(shè)1支壓力變送器、1支壓力表，工作閥前/后各設(shè)1支壓力變送器，工作閥后設(shè)1支壓力表；監(jiān)測各部位壓力變化值；在泵站出口總管裝設(shè)1套超聲波流量計(jì)，監(jiān)測泵站出口管道流量。全廠性測量：水庫及高位水池各設(shè)置2套液位變送器。

（5）初啟動充水系統(tǒng)。為了機(jī)組平穩(wěn)啟動，通過出口液控調(diào)流調(diào)壓活塞閥結(jié)合變頻電動機(jī)啟動給水泵出口水管充水。

4 結(jié)語

本文針對某長距離有壓取水工程的布置特點(diǎn)及供水要求，結(jié)合水泵、電動機(jī)、閥門等設(shè)備的發(fā)展水平及制造工藝能力，總結(jié)工程水泵機(jī)組及閥門選型原則和調(diào)度運(yùn)行方案。

（1）機(jī)組臺數(shù)及單泵流量的選擇，需綜合考慮供水要求、機(jī)組設(shè)備制造能力、工程布置及工程投資等因素。

（2）泵站揚(yáng)程變幅較大且供水要求保證較高時(shí)，機(jī)組常需考慮變頻運(yùn)行方式；泵站揚(yáng)程相對變幅超過30%且機(jī)組選型受限時(shí)，可設(shè)置不同揚(yáng)程段的水泵機(jī)組，或采用變頻調(diào)速運(yùn)行方式加水泵出口進(jìn)行調(diào)流。

（3）工程考慮自流及水泵機(jī)組提水兩種工況，需確定各工況的邊界條件，做好調(diào)度運(yùn)行方案，滿足工程供水要求。