三河口泵站的水泵選型分析與選擇

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(1.陜西省水利電力勘測設計研究院， 陜西 西安 710001; 2.陜西省涇陽縣自來水公司， 陜西 涇陽 713700)

1 工程概況及特點

引漢濟渭工程是陜西省內重大的跨流域調水工程，工程地跨黃河、長江兩大流域，整個調水工程由三大部分組成，即黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和秦嶺輸水洞工程。工程首部黃金峽水利樞紐位于漢江上游陜西洋縣境內，尾部秦嶺輸水洞出口位于西安市周至縣黑河一級支流黃池溝內。三河口水利樞紐是引漢濟渭的重要水源之一，也是整個工程中具有較大水量調節(jié)能力的核心項目。樞紐位于工程的中間位置，是整個工程的調蓄中樞。主要包括大壩、壩后泵站、電站和連接洞等組成，其運行方式為：當黃金峽泵站抽水量大于引水工程需水量時，多余水量經三河口泵站抽入三河口水庫調蓄；當黃金峽泵站抽水量小于引水工程需水量時，由三河口水庫補足。

工程難點為了滿足引漢濟渭工程調水任務、實現(xiàn)設計水平年調水系統(tǒng)供水保證率95%、供水度的要求，依據(jù)水文規(guī)劃專業(yè)調節(jié)計算成果，確定三河口泵站抽水流量為18 m3/s，三河口水庫水位變幅高達85 m，揚程范圍為從死水位558 m至正常蓄水位643 m，通過對國內外多個泵站廠家的咨詢了解，及查閱了大量的水泵樣本，沒有那個水泵能夠適應這樣寬水頭變幅，只能通過優(yōu)化水泵曲線，通過變頻措施等在滿足最高上水位的條件下延長水泵適應范圍，最大程度節(jié)省損失。

2 水泵方案選擇

2.1 水泵臺數(shù)確定

水泵數(shù)量的多少，關系到泵站工程的投資和運行管理，也關系到泵站運行的保證性和適應性。在設備容量一定的情況下，一般機組臺數(shù)越少，投資亦越??；通常機電設備容量越大，泵及配套動力機效率越高，機組越少，需要的人員及維修費用越少；臺數(shù)越多，越容易適應不同時期不同流量的要求，靈活性較高。結合泵站的運行經驗和本工程的實際情況，認為本工程采用 3～4臺機組較合適，在兼顧排水保證性和適應性的同時，使得投資較省，運行人員較少。

根據(jù)調節(jié)計算給出的泵站54年長系列旬抽水過程線，經統(tǒng)計分析得出的泵站不同流量區(qū)間運行比率，泵站運行概率僅為15.02%，運行幾率很小，有84.98%幾率不運行，機電設備的檢修維護時間很充裕，設計不考慮設置備用機組。

2.1.1 3臺方案 泵站設計流量為18.0 m3/s，站下設計水位546.33 m，站下最低運行水位544.15 m，站上設計水位639.49 m，站上最低運行水位620.18 m，站上最高運行水位642.26 m，設計凈揚程93.16 m，設計揚程97.70 m。泵站共安裝3臺臥式單級雙吸離心水泵電動機組，單臺機組設計流量6.0 m3/s，配套電機功率8.5 MW，泵站總裝機功率25.5 MW。3臺常規(guī)機組性能曲線詳見圖1，工作點參數(shù)見表1。

圖1 3臺機組設計工況特征曲線

運行臺數(shù)123流量Q(m3/s)6.14012.18318.000揚程H(m)96.7097.1097.70效率η(%)89.5989.4789.30 N軸功率(kW)7019.247002.176953.90

泵站采用側向單機單管進水，進水管直徑2.2 m；側向母管出水的布置型式:進水池長30.4 m，寬22 m，主廠房尺寸62.82×22.40×31.40 m(長×寬×高)。廠內安裝3臺臥式水泵機組，采取一列式布置，機組中心間距13.28 m，機組安裝高程537.46 m。再沿拱壩背坡面垂直壩軸線在620.18 m高程穿過壩體將水送入庫內。

2.1.2 4臺方案 泵站設計流量為18.0 m3/s，設計凈揚程94.07 m，設計揚程97.30 m。泵站共安裝4臺臥式單級雙吸離心水泵電動機組，單臺機組設計流量4.5 m3/s，配套電機功率7.1 MW，泵站總裝機功率28.4 MW。4臺常規(guī)機組性能曲線詳見圖2，工作點參數(shù)見表2。

圖2 4臺機組設計工況特征曲線

運行臺數(shù)1234流量Q(m3/s)4.639.2113.7018.00揚程H(m)96.6796.8097.0697.30效率η(%)87.2987.1586.8886.64N軸功率(kW)5439.385426.135413.095363.47

泵站進水池與電站尾水池呈“L”型布置，進水池長57.80 m，寬10.00 m，泵站采用單機單管側向進水，側向母管出水型式。主廠房尺寸70.14×21.40×30.20 m(長×寬×高)。廠內共安裝4臺臥式水泵機組，采取一列式布置，機組中心間距12.70 m，機組安裝高程537.73 m。

2.1.3 臺數(shù)確定 考慮到三河口水庫具有較大的調蓄庫容，且多年平均運行時間有限，對泵站抽水靈活性要求不高，且多臺數(shù)方案運行管理不便，管理費用略高，維護成本高，兩者土建、機電及金結部分工程投資基本相當，經綜合比較，推薦3臺方案。

表3 泵站臺數(shù)比較表

2.2 泵型選擇

水泵的類型一般是根據(jù)地區(qū)和泵站的性質來選擇，該泵站單機設計流量6.0 m3/s，設計凈揚程97.70 m，水泵機組流量較大。根據(jù)水泵的流量、揚程等基本工作參數(shù)，可選泵型的結構有臥式單級雙吸泵、立式單級單吸泵。為了適應泵站上水位大幅度的變化，水泵的流量揚程曲線需要盡可能的陡一些，以實現(xiàn)同流量變幅的情況下?lián)P程變幅最大，通過對國內外多個泵站廠家的咨詢了解，及查閱了大量的水泵樣本，現(xiàn)有的水泵樣本中沒有符合要求的水泵型號和規(guī)格，需要廠家研制新泵。現(xiàn)對就有的美國ITT、奧地利安德里茲、日本日立、浙江利歐、上海凱泉、上海東方等國內外著名水泵廠家提供的臥式單級雙吸泵和立式單級單吸泵的曲線及參數(shù)分析，具有以下特性。

(1)水泵性能曲線均滿足設計工況要求，相比較臥式水泵機組性能曲線比立式機組要陡一些，相對適應水位變幅能力強。但兩種機組均不能滿足水庫水位變幅，只能通過優(yōu)化水泵曲線，通過變頻措施等在滿足最高上水位的條件下延長水泵適應范圍，最大程度節(jié)省損失。

(2)立式機組要求的進口淹沒深度較深平均在10 m左右，而臥式機組進口淹沒深度相對較淺平均在5 m左右。

(3)臥式水泵設計工況點效率均在90%～95%，水泵轉速大多在428.6 r/min～500 r/min。

2.2.1 臥式雙速機組方案 泵站共安裝3臺臥式單級雙吸離心水泵及3臺雙速電動機組，單臺機組設計流量6.0 m3/s，電機轉速 500/428.6 r/min，配套電機功率8.5 MW/6.0 MW，泵站總裝機功率25.5 MW。3臺雙速機組性能曲線詳見圖3，工作點參數(shù)見表4。

此項措施可以使泵站出水管高程由原設計的620.18 m降低40 m至580.18 m高程 ，基本解決了寬水頭變幅水泵難于適應的問題，不僅可節(jié)省40 m DN3200出水管道投資，而且每年由此可節(jié)約428 700度電量。

2.2.2 立式機組方案 泵站共安裝3臺立式單級單吸離心水泵電動機組，單臺機組設計流量6.0 m3/s，配套電機功率8.0 MW，泵站總裝機功率24.0 MW。泵站采用單機單管側向進水，側向母管出水型式。主廠房尺寸42.68×16.40×34.05 m(長×寬×高)。廠內共安裝3臺立式水泵機組，采取一列式布置，機組中心間距9.00 m，機組安裝高程533.50 m。出水母管平行泵站廠房軸線布置在電氣副廠房下，出副廠房后右轉90°由泵站進水池(電站尾水池)和電站安裝間基礎下部穿過至拱壩腳，再沿拱壩背坡面垂直壩軸線在626.00 m高程穿過壩體將水送入庫內。

臥式、立式機組方案比較。

根據(jù)工程投資估算，臥式雙速機組方案土建、機電及金結部分工程投資15 150.06萬元，臥式常規(guī)機組方案土建、機電及金結部分工程投資15 105.06萬元，立式機組方案土建、機電及金結部分工程投資15 093.84萬元。臥式機組比立式機組方案多投資11.22萬元，兩者投資基本相當。

臥式雙速機組入庫出水管中心高程580.18 mm，臥式常規(guī)機組入庫出水管中心高程620.18 mm，立式機組入庫出水管中心高程626.00 mm。經初步計算，臥式雙速機組比臥式常規(guī)機組和立式機組年節(jié)電約分別為43萬度和82萬度，每度電按0.51元計，每年節(jié)省電費分別為21.93萬元和41.82萬元。

圖3 三河口雙速機組設計揚程工況特征曲線

運行臺數(shù)轉速500 r/min工作點參數(shù)123轉速428 r/min工作點參數(shù)123流量Q(m3/s)6.1312.1318.006.0612.0518.00揚程H(m)96.1496.7097.7056.1857.0057.70效率η(%)88.9289.0289.2081.9682.4282.81 N軸功率(kW)7022.796980.46962.004423.534435.84449.21

表5 臥式、立式不同結構類型水泵優(yōu)缺點比較表

綜合上述比較，臥式機組維護檢修方便，且節(jié)省電費，因此本階段初步推薦臥式單級雙吸泵方案。

3 結 語

總之，合理選擇水泵機組型號對泵站安全高效運行及工程投資有重要影響，因此在初設階段，進行機組選型分析及論證工作是非常必要的。通過各機型特征參數(shù)的比較與研究，最終選定3臺臥式單級雙吸離心水泵為本工程的首選方案，對解決類似泵站機組選型設計具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 周景華，郭正組．陜西省引漢濟渭工程初步設計報告[R]．西安：陜西省水利電力勘測設計研究院,2011.