排澇泵站水泵機組選型探討

何源

摘要：排澇泵站是城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施重要的組成部分，其水泵機組的選擇直接影響到泵站投入使用后的整體效果。為此，本文結(jié)合工程應(yīng)用實例，通過介紹排澇泵站的基本特征參數(shù)，重點圍繞揚程范圍、布置形式、臺數(shù)、調(diào)節(jié)方式和技術(shù)參數(shù)等方面的內(nèi)容探討了泵站水泵機組的選型工作，以供類似工程研究參考。

關(guān)鍵詞：排澇泵站；水泵機組；特征參數(shù)；起吊方式

隨著我國社會經(jīng)濟建設(shè)步伐的加快，國家對城鄉(xiāng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度逐漸加大，水利基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量日益增加。排澇泵站作為城鄉(xiāng)水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，擔(dān)負著城市排水、防澇和防洪等重任，在改善城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境、促進經(jīng)濟發(fā)展和提高人們生活水平等方面發(fā)揮著不可替代的作用。目前，排澇泵站由于分布廣、流域面積小、水位變化大、管理要求高、和運行年限長等特點，許多泵站存在水位和揚程變幅大等情況，給泵站的水泵機組選型工作帶來了諸多的困難，一旦水泵選型不當(dāng)，不僅會影響到排澇泵站整體功能的有效發(fā)揮，而且也會造成不可換回的損失。因此，建設(shè)單位必須重視泵站水泵機組的選型工作，從而最大限度確保排澇泵站的運行安全。

1 工程概況及特征參數(shù)

為了有效解決某地區(qū)的防洪排澇問題，要求建一座排水流量為160m3/s的泵站，排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。泵站的相關(guān)參數(shù)見表1。

根據(jù)表1所述數(shù)據(jù)，泵站的水位和揚程變幅較大，給該站的水泵選型帶來困難。

2 主水泵選型

該站裝設(shè)6臺主水泵（臺數(shù)分析見后），通過計算的流道損失約為Δh=0.002 1Q2 m，由此推算，水泵能穩(wěn)定啟動和運行的揚程范圍應(yīng)在4.23～11.32m，水泵在揚程10.25m時抽排流量應(yīng)不小于26.67m3/s，在揚程7.30m應(yīng)處于高效區(qū)，水泵型式既可以選擇軸流泵，也可以選擇導(dǎo)葉式混流泵。軸流泵屬于高比轉(zhuǎn)速葉片泵，比轉(zhuǎn)速通常不小于500，適用于低揚程區(qū)段。其特點是流量大、高效區(qū)較窄，效率受流量的變化影響較大，通常不能在小流量范圍內(nèi)運行?；炝鞅帽绒D(zhuǎn)速較軸流泵低，其范圍通常為300～500，適用于揚程相對較高的區(qū)段。其特點是高效區(qū)較寬、效率隨流量變化的影響較小，能更好地適應(yīng)流量變化要求。其功率曲線比較平坦，一般能夠在小流量范圍內(nèi)運行。

根據(jù)以上分析，大中型全調(diào)節(jié)軸流泵大多使用在凈揚程7m以下，而混流泵在2～10m及以上均有廣泛運用。隨著技術(shù)的發(fā)展，某些全調(diào)節(jié)軸流泵的使用揚程可達到10m左右，但在此情況下，可穩(wěn)定運行的最大揚程和最小揚程之比會有所減小，一般小于2.0，穩(wěn)定運行的揚程范圍受到一定限制。

導(dǎo)葉式混流泵一般應(yīng)用的揚程范圍在5～30m之間，近年來，導(dǎo)葉式混流泵的使用揚程向下延至2m甚至更低，且也能穩(wěn)定運行。

基于以上分析，在泵型的比選中將軸流泵方案和導(dǎo)葉混流泵方案各選一泵型做代表進行比較，從而選擇出最優(yōu)的水泵型式。為便于比較，2個方案均按泵站裝機6臺、單機設(shè)計流量為26.7m3/s考慮。泵段綜合性能曲線見圖1和圖2。

從圖1、圖2可以看出，混流泵方案在高揚程下效率低于軸流泵，在設(shè)計揚程下的效率與軸流泵方案相當(dāng)，在平均揚程和最小揚程下效率均高于軸流泵方案。顯然混流泵方案比軸流泵更適應(yīng)于本泵站的揚程變化。一般而言，軸流泵比混流泵更適合低揚程區(qū)運行，但是當(dāng)泵站的特征揚程出現(xiàn)類似于本站的特點，即運行揚程變幅較大、最高揚程與平均揚程之比及最高揚程與最小揚程之比均較大時，情況就發(fā)生了變化。軸流泵由于高效區(qū)狹窄的固有特點，為適應(yīng)本站的高揚程啟動需要，其高效區(qū)不得不取在8～11m的偏高的范圍，這就造成了水泵在平均揚程時不在高效區(qū)以及在低揚程時運行穩(wěn)定性下降較大；而混流泵則由于高效區(qū)較寬，針對本站其高效區(qū)范圍可取在在6～11m之間，包含了平均揚程的工況，且低揚程時運行穩(wěn)定性相對較好。

綜合考慮設(shè)備造價、土建投資、運行特性等因素，雖然軸流泵方案在總投資上略低于混流泵方案，但混流泵在高揚程下的運行和啟動性能要比軸流泵要好，且平均揚程和低揚程下的效率高于軸流泵方案，經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，最后確定的水泵機組形式采用混流泵方案。

3 布置形式選擇

水泵按照主軸的放置方向可分為立式和臥式。本工程的水位變幅比較大，選擇立式結(jié)構(gòu)可以減少占地面積，降低土建造價，但是也存在著起吊高度較大、廠房高度增加、機械荷載集中等缺點。由于地質(zhì)條件較差，經(jīng)分析即使采用臥式機組也需要采用樁基礎(chǔ)，且本站機組尺寸較大、揚程較高，經(jīng)分析本站主水泵采用立式結(jié)構(gòu)。

4 主水泵臺數(shù)選擇

主機臺數(shù)選擇主要考慮以下幾點。

（1）從工程投資看，一般在泵站流量相同的情況下，臺數(shù)少則機電設(shè)備總數(shù)量少，泵房占地面積小，土建和機電設(shè)備投資都會減少。

（2）從運行維護看，水泵臺數(shù)越少，運行管理工作量小，檢修維護較方便，運行費用較低。

（3）從泵站的運行特性上看，水泵機組臺數(shù)越多，流量適應(yīng)性越強，一旦水泵機組出現(xiàn)故障，對運行的影響較小。

（4）泵站水泵臺數(shù)及單機容量的選擇還應(yīng)結(jié)合排區(qū)內(nèi)其他泵站的臺數(shù)和容量綜合考慮。

據(jù)調(diào)查，目前排區(qū)內(nèi)已建有5座排水泵站，設(shè)計總排水流量為241.38m3/s，排區(qū)內(nèi)其他排水站的機組臺數(shù)配備小流量的機組較多。

經(jīng)初步估算，裝機4臺則葉輪直徑在3.6m左右，作為混流泵尺寸較大，造成機組制造的單位重量成本較高，且具有類似生產(chǎn)經(jīng)驗的國內(nèi)投標(biāo)商太少而不利于招標(biāo)采購，同時廠房挖深比較大，不宜選取。故選取裝機6臺和8臺的方案進行比較，這2種方案的主要參數(shù)比較見表2。

由表4可見，采用8臺機方案比6臺機方案價格高約644萬元，顯然采用6臺機方案更為經(jīng)濟。經(jīng)綜合考慮，主泵機組的臺數(shù)采用6臺機的方案。

5 葉輪檢修及起吊方式的選擇

立式混流泵結(jié)構(gòu)根據(jù)檢修起吊方式分為抽芯式和傳統(tǒng)常規(guī)形式2種，其中抽芯式結(jié)構(gòu)有如下特點。

（1）安裝檢修方便。當(dāng)進水池水位低于聯(lián)軸層地面時，立式抽芯式結(jié)構(gòu)可在不排除進水流道積水的情況下，將水泵的葉輪、頂蓋、泵軸和導(dǎo)葉體沿軸向從機坑中整體吊出，可以不用在水泵層解體泵殼、葉輪并轉(zhuǎn)運。降低了檢修人員的勞動強度。

（2）效率高。據(jù)供水改造工程設(shè)計經(jīng)驗的相關(guān)分析，抽芯式結(jié)構(gòu)水泵效率比非抽芯式高1%～2%左右，泵體造價雖然比常規(guī)結(jié)構(gòu)稍高，但是節(jié)約了土建投資，綜合效益高于非抽芯式結(jié)構(gòu)。

（3）改善運行條件。立式抽芯式混流泵在井筒中運行，泵體運行穩(wěn)定，震動小，噪音低，改善了泵站運行條件。

6 水泵調(diào)節(jié)方式選擇

水泵的調(diào)節(jié)方式一般有3種形式，分別為葉片角度調(diào)節(jié)、變速調(diào)節(jié)和前置導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。從實際運行情況看，采用葉片調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)的情況較多；變速調(diào)節(jié)主要有3種方式，即改變電動機極對數(shù)以及采用液力耦合器傳動和變頻調(diào)速；對于電機容量較高的情況，采用改變電機極對數(shù)的方法較為合適，目前國內(nèi)水利行業(yè)大型變極雙速同步電動機的研制及應(yīng)用取得了較好的成果，其應(yīng)用擴大了水泵的工作范圍、節(jié)能高效；但是對于容量為3 400kW電機尚無變速調(diào)節(jié)運用實例，設(shè)備造價、研發(fā)周期對于本站均存在著較大的不確定性，排澇泵站年運行時間短，機組投資費用收回年限較長，大型變極雙速同步電動機更適用于調(diào)水工程，其長期效益十分顯著。

從水泵結(jié)構(gòu)上看葉片調(diào)節(jié)較復(fù)雜但其制造運行經(jīng)驗較為成熟，經(jīng)過綜合比較，決定采用葉片全調(diào)節(jié)方式。目前葉片全調(diào)節(jié)方式主要分為機械全調(diào)節(jié)和液壓全調(diào)節(jié)2種類型，均有廣泛的成功范例。影響葉片調(diào)節(jié)方式選擇的因素主要是調(diào)節(jié)力矩的大小，這也間接地反映在水泵的葉輪直徑和揚程上。

7 選定的水泵的主要技術(shù)參數(shù)

水泵形式：立式導(dǎo)葉式混流泵；配用功率：N=3 400kW；型號：2640HDQ26.7-10；葉片數(shù)：Z=4；葉輪直徑：2.64m；水泵轉(zhuǎn)速：n=150r/min；設(shè)計揚程：H=10.26m；設(shè)計流量：Q=26.7m3/s；效率：η=87%；葉片調(diào)節(jié)方式：液壓操作全調(diào)節(jié)，自動和手動方式；葉片調(diào)節(jié)范圍：a=-10°～+2°；葉片設(shè)計角度：-2°；水泵總重：70t。

8 結(jié)語

綜上所述，排澇泵站水泵機組的選型工作質(zhì)量對泵站整體功能的發(fā)揮有著重要的影響。本工程采用國際先進的Ns1250KSP模型及豎井筒體式結(jié)構(gòu)，并通過肘形進水流道，平直管流道出水，水泵與電機通過中置式調(diào)節(jié)器剛性連接等方式，有效確保了泵站水泵機組的運行質(zhì)量，并提高了泵站整體的排澇能力。

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