水泵站的規(guī)劃設計方法①

石小祥+薛蓮

摘 要：水泵站是一種以水能輸送為目的、水泵為手段的水能中轉站，主要有灌溉、供水、排水等多種用途。根據(jù)建設目的不同，水泵站的建設規(guī)劃也存在很大區(qū)別，在水泵選型、配套電機選型等方面需要考慮的實際問題都不相同。隨著用水矛盾的出現(xiàn)和用水資源減少，科學合理地進行水泵站規(guī)劃和設計已經(jīng)成為當下水泵站修建的重要基礎。文章從水泵站的基本概念入手，對水泵作了簡單介紹，針對水泵站的用途和分類進行了簡要論述，并就水泵的結構和工作原理進行分析。同時，深入分析了水泵站各個環(huán)節(jié)的設計方案，并對水泵站的整體布置作了簡單分析，以期綜合得出優(yōu)良的水泵站規(guī)劃設計方法，提升相關工作水平。

關鍵詞：水泵站 規(guī)劃設計 方法

中圖分類號：TV2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0105-02

水泵站在我國發(fā)展的歷史較長，具有比較豐富的規(guī)劃設計經(jīng)驗。尤其是在一些比較缺水的地區(qū)，水泵站是較為普遍的一個存在。這給生活用水以及農(nóng)田灌溉提供著可靠的水源，對地區(qū)發(fā)展作出了不可估量的貢獻。

1 水泵站簡介

水泵站是一個通過水泵機械將水能從低處運輸?shù)礁叱龅乃苤修D站，其核心設備就是水泵和配套電機。相關附屬機械設備主要有供水排水、供油通風、照明防火等設備；建筑設施主要有泵房、進水池、出水池、管理中心和變電站等。水泵站的分類十分廣泛，從用途來說可以分為供水泵站、排水泵站、灌溉泵站以及綜合型泵站等；從水泵選型來說可以分為混流泵泵站、軸流泵泵站以及離心泵泵站等；從能源性質來說可以分為電力泵站、太陽能泵站、水力泵站、風力泵站以及內燃機泵站；從設計流量來說又可以分為小、中、大型泵站；從是否移動的角度來說又可以分為移動式泵站、半固定泵站以及固定式泵站。目前，我國排灌泵站中設計流量最大的是江都排灌泵站，其設計流量達到了470m2/s，揚程能夠達到八米左右；單級揚程最高的東雷二級泵站，其揚程達到了215m。從世界范圍內來說，設計流量最大的泵站是卡克霍夫泵站，其設計流量達到了530m3/s；揚程最高的是埃德蒙斯頓泵站，其總揚程達到了590m。

2 水泵的用途及分類

水泵是一種流體機械，是一種把機械能轉化為液體動能和勢能的機械裝置，起到輸送液體的目的。水泵一般可以分為葉片式泵和容積式泵兩種，葉片式泵主要是通過液體與葉片的相互作用達到輸送液體的目的，比如離心泵；而容積式泵是通過泵內空腔做周期性變化達到輸送液體的目的，比如往復泵。根據(jù)使用途徑的區(qū)別，輸送液體介質的區(qū)別等，泵主要可以用于以下用途，污水處理、城市供水、化工生產(chǎn)、火力發(fā)電、石油開采與運輸、礦山冶金、水利灌溉、船舶系統(tǒng)等。由此可見，泵的運用范圍十分廣闊。根據(jù)工作原理，泵可以分為離心泵、軸流泵、混流泵、旋渦泵、射流泵、螺桿泵、潛水泵、蒸汽泵、自吸泵等類型；根據(jù)用途可以分為清水泵、排污泵、渣漿泵、輸油泵以及化工泵等。此外，還可以根據(jù)葉輪級數(shù)將泵分為單級和多級；根據(jù)泵吸入口數(shù)量將泵分為單吸和多吸。

3 水泵的結構和工作原理

水泵類型眾多，對不同類型的水泵而言，其基本結構存在一定的差異，在性能上也會表現(xiàn)出不同。就單級單吸清水離心泵而言，其是水泵中結構最為簡單的水泵之一。從設計的角度來講，單級單吸離心泵主要包括了葉輪、軸、壓水室、進水口、泵體等主要部件，還有鍵、泵蓋、密封等附屬部件。主要部件的設計參數(shù)不同，就會直接影響到離心泵的基本性能。比如設計葉輪時，葉輪的比轉速較大，超過一百甚至兩百，那么泵的揚程就會相對較低，泵也可以歸入中高比轉速泵這一分類；如果比轉速較低，不足六十甚至只有十幾，那么泵的揚程就會很高，這類泵也被稱為低比轉速離心泵和超低比轉速離心泵。所以，水泵設計需要根據(jù)實際需求科學合理地進行。

水泵在啟動后，需要進行適當加水，才能將水吸入泵中。當然并非所有泵都是如此，自吸泵具有一定的自吸功能，在一定吸水高度時，自吸泵就可以不需加水，自動將水吸入到泵中。水泵將水從進水口吸入，通過葉輪將水排入壓水室，再通過出水口排入輸水管道。從水泵站的實際情況來看，單級雙吸離心泵是使用范圍最廣的水泵類型，其次是軸流泵和單級單吸離心泵。單級雙吸離心泵相對單級單吸離心泵而言，其進水口有兩個，而且左右對稱，能夠有效降低水泵吸水過程產(chǎn)生的軸向力。

4 水泵站規(guī)劃設計

4.1 泵站平面整體布置

泵站主要包括了泵房、進水池、控制中心和變電站這四個部分，每個部分的布置需要結合實際地理環(huán)境和建設需求進行科學合理的規(guī)劃設計。

（1）泵房的布置。

泵房是泵站的核心環(huán)節(jié)，是水泵機組的布置場所。泵房的布置主要可以分為兩個部分，一個部分是泵房的地理位置，一個是內部機組布置。泵房地理位置主要應該根據(jù)實際地理環(huán)境，盡量選擇平整開闊、地質條件穩(wěn)定、便于建設相關附屬設施的場地進行泵房建設規(guī)劃。

內部機組布置主要是水泵機組布置，水泵機組布置可以分為縱向和橫向兩種布置方式。縱向布置需要注意六個要點。第一，泵房大門保持通暢能夠容納最大設備，水管外壁和墻體的凈距應該在最大設備寬度的基礎上增加一米；第二，泵體和水管間距保持在一米以內，確保操作人員能夠順利通行；第三，配電設備和水管外壁需要保持一定的安全距離，該安全距離應該大于兩米；第四，墻體與水泵外壁突起處保持一定間距，確?？梢皂樌M行配件安裝和水泵檢修；第五，電機外壁突出與墻體要保持一定的距離，確保在電機檢修時具有足夠的空間，一般該距離是在電機軸長的基礎上加上0.5m；第六，相鄰機組之間的水管外壁凸起部分凈距要大于并保持在一米及以上。橫向布置就是水泵主軸成一條直線，橫向布置的基本間距要求和縱向布置保持一致，但是需要注意的是，橫向布置容易導致泵房跨度增大，因此可以考慮將吸水閥門安裝在泵房之外。

（2）進水池布置。

進水池布置需要結合泵房機組布置的情況進行確定，如果泵房內部機組采取縱向布置，那么進水池需要布置在泵房正面；如果泵房內部機組采取橫向布置，那么進水池需要布置在泵房側面。進水池的容量需要根據(jù)實際流量需求，設計合理的進水池開挖方案。

（3）控制中心布置。

控制中心的作用就是對各個機組的運行情況進行監(jiān)測管理，并根據(jù)實際需求對機組進行及時調整。通常情況下，控制中心是和泵房連接在一起的，以便能夠直觀全面地對機組進行觀察。但是，泵房機組在運行過程中，噪音十分巨大。尤其是多臺機組同時運行時，會產(chǎn)生一定程度的共鳴導致噪音加倍，對人會造成較大的影響。所以，控制中心布置可以與泵房連接，但是必須做好隔音措施，確?？刂浦行哪軌蛘９ぷ?。

（4）變電站布置。

變電站布置一般應該遠離水池，選擇開闊無障礙物、不存在地質風險的區(qū)域進行布置。同時需要注意的是，變電站布置在考慮安全的前提下，還需要考慮節(jié)省供電成本以及變電站檢修工作方便等。

4.2 水泵機組選型

水泵機組是水泵站規(guī)劃設計的核心設備，只有選擇合理的水泵機組，才能使水泵站發(fā)揮出預想中的作用。水泵選型應該根據(jù)工程水量和水壓變化兩個方面的情況進行?；疽笫?，在滿足工況的條件下盡可能減少成本；從技術層面對水泵揚程、流量等進行完善地計算，進而確定水泵型號和數(shù)量；從經(jīng)濟和管理的角度確定泵的布置方式和工作方式，最大程度降低維修費用和工作能耗。此外，水泵選擇還需要考慮以下幾個方面的問題，第一，水泵類型與水質相對應，清水使用清水泵，污水使用污水泵；第二，在水泵符合吸水要求的情況下，盡量減少泵站埋深；第三，水泵機組選型、數(shù)量要先于泵房設計；第四，泵型應該便于維修，并且能夠就近購買，減少相關開支。

水泵的具體選定方案根據(jù)工作效率和最大揚程可以分為兩類，第一，多臺小泵并聯(lián)；第二，幾臺大泵并聯(lián)。選擇大泵還是小泵，需要根據(jù)實際情況確定，并且兩種方案之間各有優(yōu)缺點。比如，針對某供水方案，方案一是4臺350S75A的水泵并聯(lián)，單臺水泵的流量范圍在900～1300m3/h之間，揚程在55～70m之間，轉速為1450 r，效率為84%，相應配套電機的功率為280kW[1]。方案二是2臺500S98B水泵并聯(lián)，單臺水泵的流量范圍在1400～2000m3/h之間，揚程在60～85m之間，轉速為970r，效率為78%，相應的配套電機功率為560kW。這兩種方案對比來看，方案一的養(yǎng)護成本明顯小于方案二，效率相對方案二也更高；方案一的水泵汽蝕余量是5.5m，而方案二的水泵汽蝕余量是4m，方案一的汽蝕余量遠大于方案二；方案一的配套電機功率為280kW，四臺配套電機的總功率是1120kW，而方案二單臺配套電機的功率是560kW，兩臺配套電機的總功率也是1120kW，與方案一持平。但是，方案一機組數(shù)量較多，所需的泵房面積大于方案二。對比來看，方案一在大部分方面均優(yōu)于方案二，所以，選擇方案一來達成輸送要求。

4.3 吸水井的設計和安裝

吸水井的設計需要結合實際的設計參數(shù)進行計算，如果某泵站水泵葉輪外徑D=800mm，d=600mm。那么經(jīng)過計算可知，吸水管的進口直徑DN≥（1.3～1.5）d= 810mm；吸水管喇叭口長度L≥（3.0～7.0）（D-d）=810mm；吸水井井底到喇叭口的直接距離s≥0.8D=640mm；喇叭口的淹沒深度h≥（0.5～1.0）m，一般取大值即h≥1m。通過計算可以得出吸水機的長度是11800mm，寬度為2350mm；吸水井的高度一般是淹沒深度+喇叭口距離井底深度+有效水深+超高+凍土層[2]，這就需要根據(jù)實際測量結構進行計算。

吸水井的安裝可以分為兩個部分，即喇叭口垂直安裝和水平安裝。垂直安裝需要注意四個安裝要點：第一，淹沒深度應該大于0.5～1m，如果沒有達到這一要求，則需要設置水平隔板，水平隔板需根據(jù)實際情況具體確定；第二，喇叭口到井底的距離要大于0.8D，確保吸水管進口流速符合設計要求；第三，水井井壁到喇叭口的距離要大于0.75D，確保具有足夠的空間進行其他操作；第四，喇叭口之間的距離要保持在1.5D以上，避免距離過近造成相互干擾。水平安裝的淹沒深度要大于垂直安裝，淹沒深度要保持在0.5m～1.5m以上；井底和喇叭口間距要大于0.33D，確保吸水管進口流速。其他方面水平安裝和垂直安裝基本保持一致。

4.4 引水設備的設計

引水設備可以分為帶底閥吸水管、不帶底閥吸水管以及水射器引水。帶底閥吸水管可以分為三類，一是人工引水，將水從水泵頂部的灌水孔引入泵內，同時將排氣閥打開；二是倒灌引水，如果壓力管中有水，并且沒有止回閥，水壓較低時，可以直接打開閘閥把水引入泵內；三是高架泵箱引水，通過在泵房設置高架水箱，在水泵啟動時，將水箱中的水引入水泵。帶底閥引水法的特點是裝置簡單，容易操作；但是底閥的水頭損失較大，且需要經(jīng)常養(yǎng)護清理。

不帶底閥吸水管的引水方式主要是通過真空泵進行引水，其最大特點就是水泵啟動快，運行可靠，自動化控制容易實現(xiàn)。這種引水方式最常用的是水環(huán)式真空泵，該泵的基本原理就是在泵體內安裝偏心葉輪，在泵啟動之前引水灌滿泵殼，通過葉輪旋轉從而形成水環(huán)。當泵殼和水環(huán)分離時，葉輪的間距逐漸變大，壓力逐漸減小，進氣口和進氣管吸入空氣。在后半轉，泵殼和水環(huán)逐漸靠攏，壓力升高，空氣從排氣口排除。水環(huán)式真空泵排氣量為：

。

式中K為漏氣系數(shù)，一般取值范圍是1.05～1.10；是水泵站中，最大水泵泵殼內的空氣容積；是水泵站中最大水泵的吸水管內的空氣容積；是水柱表示的大氣氣壓；是水泵的實際安裝高度；T為水泵的引水時間，一般應該保持在五分鐘以內，消防類水泵不應該大于3 min。

水射器引水的基本原理是在水射器的噴嘴處施加一定壓力產(chǎn)生高速水流，使喉管處形成真空，將泵內的空氣抽離[3]。水射器的結構很簡單，安裝方便，操作簡單，便于維護，是十分常見的引水設備，但是水射器的效率較低，需要大量的高壓水。

5 水泵站管理養(yǎng)護規(guī)劃設計

管理養(yǎng)護也是水泵站規(guī)劃設計的一個重要環(huán)節(jié)，可以分為日常管理和養(yǎng)護維修兩個方面。

其中日常管理可以分為三個方面。首先是管理對象，對水泵站而言，管理對象不僅應該包括各類硬件設備和建筑，還應該包括控制中心的軟件系統(tǒng)，把水泵站的各個環(huán)節(jié)囊括其中；其次，是管理措施，管理措施制定要結合水泵站的實際情況，對不同的管理對象制定不同的管理措施。比如，對泵房機組的管理，就應該加強機組運行數(shù)據(jù)的采集，分析判斷機組運行狀況，并對存在異常的機組進行及時檢修。在管理措施的基礎上，還需明確管理人員的配置，詳細劃定管理人員的職責區(qū)域，明確具體的管理辦法；最后，加強對管理工作的監(jiān)督，可以通過安裝監(jiān)控系統(tǒng)切實對每個環(huán)節(jié)的管理工作進行監(jiān)督。

而養(yǎng)護維修又可以分為養(yǎng)護和維修兩個部分，養(yǎng)護主要是對相關機械設備進行潤滑、除污、清雜等養(yǎng)護工作；維修主要是對存在故障問題的機組或零部件進行修理和更換，以便及時排除問題，維持機組設備的正常運行。

6 結語

水泵站從整體結構上來說并不復雜，但是每個環(huán)節(jié)的具體工作仍需要投入大量精力。水泵站規(guī)劃設計的重點在于泵站整體布局、機組設計與選型、吸水井和引水設備的設計與安裝、泵站的日常管理和養(yǎng)護維修等。只有從這些重點出發(fā)做好每一個環(huán)節(jié)的規(guī)劃設計，才能使水泵站的整體設計結果符合實際需求。

參考文獻

[1] 任克和.淺談水泵站的規(guī)劃設計[J].中華民居，2013（9）：336-337.

[2] 宋永占，徐存東，趙廷紅，潘琳，等.景電灌區(qū)取水泵站優(yōu)化設計方法研究[J].中國給水排水，2014（9）：45-49.

[3] 樊建軍，胡曉東，張朝升.取水泵站的優(yōu)化設計與節(jié)能改造[J].中國給水排水，2003（8）：72-74.