壽縣肖嚴湖排灌站涵水泵選型設計

姚婷婷

（安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司,安徽 合肥 230088）

0 引言

現如今排澇與灌溉相結合的泵站愈來愈多[1],排澇與灌溉結合的泵站中,水力機械設備的選擇需要考慮的因素復雜,常見的泵站中排澇與灌溉機組分開設置,但由于不同工況下流量、揚程不同,對應的泵型大小不同,因此泵站結構復雜,各高程參差不齊,土建施工難度大[2],且排澇與灌溉機組的裝機功率亦不相同,因此電氣設備投資較大。所以,在針對排灌結合的泵站中,水泵選型尤為重要,通過合理的泵型選擇[3],將排澇與灌溉工況相結合,即要求水泵擁有較寬廣的高效區；同時滿足排澇與灌溉的水位變幅大的要求,即要求水泵高程布置合理,水泵具有穩定的機組結構[4]。潛水泵技術愈來愈成熟,國內已廣泛運用于大、中型泵站,將潛水泵與排灌泵站結合,可有效解決復雜工況的問題。本文以壽縣肖嚴湖排灌站涵工程為例,對其水泵選型及設計方案進行分析探討。

1 工程概況

肖嚴湖排灌站涵工程位于壽縣西北部,西臨淠河,北濱淮河,東抵淠東干渠及正陽分干渠,南以楊西分干渠為界,流域面積344 km2,耕地26.74萬畝,分屬壽縣7鄉（鎮）及正陽關農場。本工程擬對原正陽涵拆除后原址重建自排、抽排、自引補給等多功能一體站涵,汛期自肖嚴湖排內澇入淮河,灌溉季節自淮河補水至肖嚴湖。

2 水泵選型設計重難點

（1）涉及工況復雜。肖嚴湖排灌站涵工程要求具有自排、抽排、自流引水和抽灌補水功能,完善正南洼防洪排澇體系建設,同時增加旱時引淮河水補給肖嚴湖功能,補充灌溉水源。

（2）水位變幅大。肖嚴湖排灌站特征水位變幅大,要求水泵具有較廣的高效率區及在較大揚程變幅范圍內運行穩定。

（3）機組布置結構復雜。肖嚴湖排灌站排澇與灌溉工況不同,泵房需錯層布置。

3 水泵方案比選

3.1 水泵型式的選擇

泵站抽排凈揚程范圍為0～5.6 m～7.4 m,設計流量為35 m3/s,提水灌溉揚程范圍為2.1 m～3.0 m,設計流量為5 m3/s,屬于低揚程大流量泵站,適宜選用的泵型為軸流泵。軸流泵有潛水軸流泵和常規軸流泵等型式。

性能方面,這二種泵的性能參數基本相同。潛水軸流泵結構緊湊,安裝、拆卸時整體起吊,在自重的作用下,其密封圈與座環自耦合壓緊,與常規軸流泵相比,安裝方便。另外,由于潛水電泵封閉在水下運行,電機靠水流冷卻,因此無需油、水等輔助系統,因此,泵房內輔助設備少,運行操作簡便,且運行時不會產生高溫,水面以上運轉噪聲也相對較小。同時,由于本站進水池最高水位與最低運行水位差值較大,若采用立式軸流泵方案,會造成其軸系較長,特別是對于排澇兼灌溉機組,由于其流道底板高程相對更低,水泵層與電機層之間的高差達9 m,如此長的軸系對機組穩定運行可能產生一定程度的影響,而采用潛水泵方案則可以很好地避開軸系過長的問題。

投資方面,類似本站規模的潛水泵主機組價格與普通立式泵主機組價格基本相當（比較見表1）。潛水軸流泵封閉在井筒或流道內,結構緊湊,其上部結構土建投資略省,潛水軸流泵方案總投資也相應略小。

運行管理方面,潛水泵解體大修一般直接返廠進行,其對運行管理單位自身的安裝檢修方面的人力資源及技術力量要求大大降低。結合本工程運行管理單位的具體情況,更適宜采用潛水泵方案。

綜上所述,本站推薦采用潛水軸流泵方案,機組安裝布置見圖1。

圖1 1400QZ6.0-7潛水軸流泵裝置布置圖

3.2 模型的選擇

通過對能代表目前國內技術水平的軸流泵水力模型（如水利部《南水北調工程水泵模型同臺測試》水力模型、江蘇大學、揚州大學等高?？蒲袡C構后續研制并經天津同臺測試水力模型等）進行初步比選后[5],選擇相對適合本站揚程范圍及性能較好TJ04-ZL-19水泵模型,且該模型在國內泵站中有成功的實例,模型曲線見圖2。

圖2 1400QZ6.0-7潛水軸流泵工作性能曲線

3.3 臺數的選擇

本站設計排澇流量為35 m3/s、灌溉流量5 m3/s,是一座以排澇為主的泵站。灌溉工況揚程較排澇工況揚程低,灌溉機組可以由排澇機組兼用[6],考慮到與灌溉流量的匹配,以設置6機組較為合適,從而單泵流控制在6 m3/s,可以較好地兼顧灌溉工況流量；另一種方案,排澇機組與灌溉機組分別設置,初擬4臺排澇機組,2臺灌溉機組（一用一備）,即4大2小方案。其中泵裝置水力損失計算按《泵站工程》—“水泵、泵裝置特性預測”中的方法計算得本站單位水力損失系數分別為ΔH=0.034116Q2、ΔH=0.0015827Q2。方案比較見表2。

表2 泵型方案比較表

由表2及圖2可知,兩方案所選泵型其揚程及流量均能夠滿足規劃設計參數要求,兩方案的排澇設計工況點效率基本相當,方案一的灌溉工況效率略低于方案二。方案一為6臺同型號機組,泵房內設備布置相對整齊,相同的機組其部件具有互換性,更利于運行維護管理。方案二為4大2小型號不同的機組,4臺大機組直徑為1600 mm,2臺小機組直徑為1400 mm,同時,方案二的排澇、灌溉機組均為單一功能,方案二的總裝機功率明顯較方案一大,其總投資也較方案一大。

綜上所述,本站推薦方案一,即裝機6臺1400 QZ6.0-7潛水軸流泵。

3.4 配套電機的選擇

配套電動機功率的選配原則以在全揚程范圍內出現的最大軸功率作為配套電機的功率選擇標準,在各揚程工況下,排澇機組中最高揚程時的軸功率534 kW為最大軸功率,根據規范,電機動力備用系數按（1.05～1.2）計算,參照潛水電機產品系列,選用額定功率為630 kW、額定電壓為10 kV的潛水電機作為本站主電機。所選電機可以滿足各種工況正常工作的要求。

3.5 進出水流道型式及斷流方式

（1）進、出水流道

泵站進水流道有開敞式和封閉式兩種型式。開敞式進水流道結構簡單,主要用于轉輪直徑較小的泵站。本站轉輪直徑1200 mm,采用開敞式進水流道。

為便于安裝維護,本站潛水泵采用的鋼制井筒式安裝,其出水流道即相應地采用結構簡單的直管式出水流道。

（2）斷流方式

直管式出水流道泵站的斷流方式有拍門、快速閘門等型式。

拍門結構簡單,開關方便,水力損失??；快速閘門的顯著優點是閘門可以全開,阻力損失小,但閘門的開關很難與主機的開停同步,本站單機流量較小,適合采用拍門斷流方式。

3.6 水泵安裝高程的確定

①根據葉輪淹沒要求計算

由模型性能曲線提供的模型汽蝕余量換算成真機的NPSHr,考慮汽蝕安全余量,確定許用汽蝕余量［NPSH］。建議汽蝕安全余量系數K的范圍為1.1～1.4,并滿足有1 m的余量。由此,［NPSH］=k·NPSHr,且［NPSH］≥NPSHr+1 m。本站按1.15安全系數進行修正。

吸上高度H允許按下式計算：

最不利工況為最高揚程工況。最高揚程下［NPSH］=1.15 NPSHr=1.15×10.21=11.74 m,則原型泵的H允許=-1.9 m。

對于其中4臺排澇機組,最高揚程工況對應的進水池水位為最低運行水位19 m,經計算,水泵葉輪中心高程17.1 m,考慮一定的安全余量以及水泵出水流道淹沒深度的要求,葉輪中心高程取值為17 m；對于其中2臺排澇兼灌溉機組,最高揚程工況對應的進水池水位為最低運行水位16.5 m,經計算,水泵葉輪中心高程14.6 m,考慮一定的安全余量以及水泵出水流道淹沒深度的要求,葉輪中心高程取值為14.5 m。

②根據拍門淹沒要求計算（按淹沒拍門出水口上緣300 mm計算）：

上述兩方法中較小者取整,則排澇機組葉輪中心高程取值為17.0 m,灌溉機組葉輪中心高程取值為13.9 m。

3.7 主機設備布置

6臺機組呈“一”字型排列,泵房為干式泵房,潛水軸流泵和電機封閉在井筒內,經DN1400伸縮節、DN1400直管、混凝土擴散管和1400×2200側翻拍門出水。

水泵采用分池進水,進水室凈寬4.5 m,機組間距為5.3 m,安裝場長度取7 m,廠房總長度為41.6 m。水泵層出水側凈寬度4 m,進水側凈寬3.5 m。對于4臺排澇機組,根據出水流道、葉輪中心最小淹沒深度要求,計算拍門中心高程為20.8 m,水泵層高程為19.3 m,由吸水口懸空高度和泵外形尺寸要求,確定進水池底板高程為15.10 m；對于2臺排澇兼灌溉機組,根據出水流道、葉輪中心最小淹沒深度要求,計算拍門中心高程為18.50 m,水泵層高程為16.80 m,由吸水口懸空高度和泵外形尺寸要求,確定進水池底板高程為12.0 m。由進水池最高水位24.0 m,與水工專業共同商定后確定電機層高程為24.50 m,根據潛水泵結構尺寸,兩臺排澇兼灌溉機組的電機層高程為22.0 m。根據機組設備起吊高度及廠房的通風散熱的要求,確定起重機軌頂高程為32.50 m。

4 結語

本文針對抽排、提水灌溉和自排等多功能結合的泵站中水泵選型進行了優化設計,通過模型換算,選擇了適合肖嚴湖排灌站且具有較廣高效率區的TJ04-ZL-19水泵模型；針對泵型和臺數進行了多方案比選,分析了各方案的優缺點,綜合考慮水泵性能、投資和運行管理等方面,最終優選了6臺1400QZ6.0-7型潛水軸流泵方案；并根據排澇與灌溉的不同特征水位,優化了水泵布置,采用大小機組結合,并錯層布置的方案。肖嚴湖排灌站水泵選型過程論證全面、完整,設計科學、可靠,該研究可為自排、抽排、自流引水和抽灌補水多功能一體站涵工程水泵選型提供參考。