雄安新區(qū)引黃大樹劉泵站機(jī)組選型設(shè)計與研究

張延忠，耿運生，陳景茹

(河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，石家莊 05002)

“華北明珠”白洋淀是雄安新區(qū)生態(tài)環(huán)境的核心支撐。由于本地水資源嚴(yán)重短缺，引黃入冀補淀工程成為向白洋淀生態(tài)補水的重要水源。在引黃渠道末端入淀口處新建大樹劉泵站，將黃河水揚水入白洋淀，實現(xiàn)白洋淀生態(tài)補水，為構(gòu)建藍(lán)綠交織、清新明亮、水城共融的“未來之城”提供生態(tài)水源保障。

大樹劉泵站為白洋淀提供生態(tài)補水，對機(jī)組高效、安全可靠運行的要求較高。工程地處引黃渠道末端，占地受限，所選泵型應(yīng)便于泵站布置，并與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)。所選水泵型式結(jié)構(gòu)簡單、運行維護(hù)方便、便于實現(xiàn)自動化控制，能達(dá)到“無人值班、少人值守”的管理要求。所選泵型應(yīng)達(dá)到較嚴(yán)格的聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求，改善運行人員工作條件，對周邊環(huán)境影響降到最低。

該泵站揚程較低，屬于偏低揚程泵站，水泵選型及進(jìn)、出水流道設(shè)計是否合理不僅直接影響設(shè)備和土建的一次性投資，而且更嚴(yán)重地影響裝置的運行效率、機(jī)組的可靠性和耐久性。梁金棟等[1]從水泵選型、能量性能、汽蝕性能等3個方面，討論減小nD值對大型低揚程裝置水力性能的影響，提出減小nD值的低揚程泵裝置水泵選型設(shè)計思路。劉軍[2]分析在一定設(shè)計流量條件下水泵葉輪直徑與nD值的關(guān)系以及對水泵選型設(shè)計的影響，提出選取較大的水泵葉輪直徑將顯著提高流道效率和泵裝置效率。張曉丹[3]提出水泵選型應(yīng)綜合考慮泵站流量、最優(yōu)效率、總投資、空化特性、安裝維護(hù)及環(huán)境因素對水泵裝置性能的影響，確保大型水泵既有較高的效率，又具有良好的抗空蝕性能。王明光[4]對多座大流量、低揚程軸(混)流泵站進(jìn)水流道、出水流道型式和尺寸進(jìn)行研究，提出合理設(shè)計，以使整個泵站的裝置系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)，有效降低泵站的運行能耗及成本。徐磊[5]提出在低揚程條件下，盡可能減小流道水力損失是提高泵裝置效率的關(guān)鍵，減小流道水力損失的關(guān)鍵是降低流道內(nèi)的流速和改善流道內(nèi)的流態(tài)。 張鵬[6]通過引江濟(jì)淮派河口泵站出水流道優(yōu)化及仿真計算，選擇最佳流道，并經(jīng)模型裝置試驗驗證說明流道經(jīng)過優(yōu)化，裝置效率可以明顯提高。

本文擬對泵站水泵型式、機(jī)組臺數(shù)、進(jìn)出水流道、裝置效率等方面進(jìn)行研究，選擇適合該工程水力條件的泵型，結(jié)合真機(jī)測試對水泵性能進(jìn)行驗證，并通過優(yōu)化系統(tǒng)水力性能、裝置效率，以降低運行費用，提高供水可靠性，為工程安全、高效、穩(wěn)定、環(huán)境友好運行提供理論依據(jù)，提升現(xiàn)代化泵站的科技水平。

1 泵站泵型選擇

1.1 基本參數(shù)

根據(jù)引黃入冀補淀工程規(guī)劃入淀流量30 m3/s，大樹劉泵站設(shè)計流量與引黃入冀補淀設(shè)計入淀流量相同，為30 m3/s。泵站前池設(shè)計水位5.5 m，最低水位5.3 m，最高水位6.15 m。出水池設(shè)計水位7.2 m，最低水位6.5 m，最高水位7.7 m。

泵站設(shè)計凈揚程按泵站進(jìn)、出水池設(shè)計運行水位差計算。泵站最高凈揚程按泵站出水池最高運行水位與進(jìn)水池最低運行水位之差計算。泵站最低凈揚程按泵站出水池最低運行水位與進(jìn)水池設(shè)計運行水位之差計算。特征揚程計算結(jié)果如表1所列。

表1 泵站特征水位及特征揚程表 mTab.1 Characteristic stage and characteristic head of pumping station

泵站揚程為泵站凈揚程計入泵站系統(tǒng)水力損失。泵站設(shè)計揚程是選擇水泵型式的主要依據(jù)，最高凈揚程是泵站正常運行的上限揚程，最低揚程是泵站正常運行的下限揚程。一般低揚程軸流泵站水泵選型的目標(biāo)可概括為：設(shè)計揚程保流量、平均揚程保效率、最高揚程能運行、最低揚程無異常[7]。流道水力損失包括流道沿程水頭損失和局部水頭損失，沿程水頭損失按式(1)計算，局部水頭損失按式(2)計算。

(1)

(2)

式中：hf為流道沿程水頭損失，m；Q為設(shè)計流量，m3/s；L為管道長度，m；D為流道當(dāng)量直徑，m；n為粗糙系數(shù)，0.014；hj為流道局部水頭損失，m；ζj為局損水頭損失系數(shù)；vj為管道的平均流速，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

經(jīng)計算，流道水力損失計算為0.6～1.2 m。計入水力損失后的泵站設(shè)計揚程為2.7 m，最高揚程為3.4 m，最低揚程為2.0 m。出水池最低水位是根據(jù)雄安新區(qū)規(guī)劃綱要要求，“白洋淀正常水位保持在6.5～7.0 m”，而選取的下限水位。淀區(qū)水位可能會出現(xiàn)低于6.5 m至6.0 m時的情況，該種工況會較少出現(xiàn)，不作為泵站計算特征揚程的控制條件，但在該種工況下所選水泵應(yīng)能穩(wěn)定運行，出水池水位6.0 m時的泵站揚程為1.7 m。

1.2 泵型比選

適合該泵站揚程段的水泵型式主要有常規(guī)軸流泵、常規(guī)貫流泵、潛水軸流泵和潛水貫流泵。常規(guī)水泵在機(jī)組的設(shè)計、制造方面，技術(shù)較為成熟，其維護(hù)也較為簡便，但是其施工周期較長，安裝精度要求較高，運行噪聲較高，機(jī)組邊噪聲級超過90 dB(A)[8,9]，對工作環(huán)境和周邊環(huán)境影響較大。隨著潛水泵制造水平的提高，潛水泵使用較為廣泛，尤其在南方地區(qū)大量應(yīng)用；潛水泵在水下運行，噪聲低散熱好，能將泵站噪聲級從90 dB(A)降低至75 dB(A)以下[9]，極大程度優(yōu)化了運行環(huán)境，改善了運行人員工作條件，從根本上減少泵站噪聲對周圍環(huán)境影響，符合以人為本的建設(shè)理念。潛水泵結(jié)構(gòu)簡單，其水泵和電機(jī)共軸，制造廠組裝后，整體運輸、整體安裝，潛水泵站的建設(shè)時間較常規(guī)泵站的建設(shè)時間節(jié)約1/3以上[10]，大大縮短安裝周期，工程能早日發(fā)揮效益。

泵房長度由機(jī)組段、邊機(jī)組段及安裝間組成，機(jī)組間距主要由機(jī)組外形尺寸、進(jìn)出水流道的凈空及中間隔墩的寬度共同確定，邊機(jī)組段長度應(yīng)考慮設(shè)備吊裝以及樓梯、交通道布置的要求，安裝間長度需滿足機(jī)組安裝和檢修的要求。立式潛水軸流泵主泵房垂直水流方向長度為30.8 m，潛水貫流泵為36.6 m。泵房寬度是根據(jù)機(jī)組在廠房內(nèi)起吊的結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)備、管道及通道樓梯等布置要求來確定，立式潛水軸流泵泵房順?biāo)鞣较騼魧挻_定為8.8 m，潛水貫流泵凈寬為12.5 m。立式潛水軸流泵廠房布置緊湊，結(jié)構(gòu)簡單，缺點是廠房開挖較深，比潛水貫流泵開挖深度大2.5 m，廠房高度較大。潛水貫流泵廠房結(jié)構(gòu)簡單，流道順暢，開挖深度較小，但廠房平面布置尺寸較大。兩種潛水泵型式比較見表2，表中一次性工程投資包括機(jī)電部分投資和泵站主體土建部分投資，運行期費用包括泵站運行電費、管理費、工程維護(hù)費及工資福利，運行期費用按照泵站機(jī)電設(shè)備使用年限25年進(jìn)行折現(xiàn)，折現(xiàn)率取6%。

從表2可以看出，立式潛水軸流泵布置方案較潛水貫流泵一次性投資節(jié)省652.9萬元，總運行電費多14.4萬元，總投資節(jié)省638.5萬元。立式潛水軸流泵機(jī)組立式布置，設(shè)備隱蔽于地面以下，地面以上僅露一井蓋，廠內(nèi)布置寬敞、整潔；水泵采用混凝土井筒安裝，水工結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)組安裝、檢修方便；設(shè)備隱蔽布置，噪音低；水泵進(jìn)、出水流道均為混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)備鋼材用量省，價格較低。缺點是廠房開挖較深，廠房高度尺寸較大。潛水貫流泵機(jī)組水平布置，流道順暢，水流條件好，設(shè)備裝置效率較高；水泵橫向臥于混凝土機(jī)坑內(nèi)，設(shè)備安裝方便，水工結(jié)構(gòu)簡單，廠房開挖深度較小。缺點是機(jī)組水平布置，廠房平面布置尺寸較大；水泵被鋼制外殼包裹，設(shè)備較重，價格較高，檢修較繁復(fù)。兩種泵型結(jié)合機(jī)電設(shè)備綜合技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較，選定泵型為立式潛水軸流泵。

表2 水泵型式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表Tab.2 Technical and economic comparison of pump types

2 水泵臺數(shù)及選型設(shè)計

2.1 水泵臺數(shù)選擇

泵站水泵臺數(shù)少，廠房布置尺寸小，土建投資較低，但泵站運行不夠靈活，機(jī)組備用容量較大，水泵價格較高。水泵臺數(shù)多，泵站運行靈活，易于組合不同的機(jī)組臺數(shù)以適應(yīng)不同的流量變化，機(jī)組備用容量較小，水泵價格較低，缺點是廠房布置尺寸較大，土建投資較高。水泵臺數(shù)選擇需對經(jīng)濟(jì)性和運行調(diào)度靈活性綜合考慮，水泵臺數(shù)擬定了4種比較方案，比較見表3。

從表3可知，6臺水泵方案總投資最省，8臺水泵方案總投資最多，5臺水泵與7臺水泵投資適中。水泵臺數(shù)越多，泵站運行越靈活，水泵臺數(shù)選擇時，應(yīng)考慮機(jī)組運行調(diào)度的靈活性、可靠性、總投資等方面，選擇綜合指標(biāo)優(yōu)良的方案，考慮引黃輸水流量存在一定的變化，且泵站位于輸水渠道的末端，泵站前池沒有調(diào)蓄能力，泵站揚水流量與渠道來水流量很難達(dá)到一致，泵站需利用其中一臺機(jī)組的啟停，以適應(yīng)該種情況的變化。如泵站停一臺水泵，泵站流量減少，渠道水面將會增高。如泵站開機(jī)臺數(shù)增加一臺時，泵站流量加大，渠道水面又會降落。渠道水面的壅高或降落都是波的形式出現(xiàn)的，水面波動首先出現(xiàn)在前池中，然后再以一定的速度向渠道傳播。正波高度Δh正按式(3)計算，負(fù)波高度Δh負(fù)按式(4)計算。4種方案停泵或開泵對渠道水位波動計算結(jié)果見表4。

表3 水泵臺數(shù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表Tab.3 Technical and economic comparison for number of pumps

(3)

(4)

式中：Δh正為正波高度，m；Δv為泵站流量減小前后的渠中平均流速之差，m/s；Δh負(fù)為負(fù)波高度，m；h0為渠中平均水面深度，m；B為渠中平均水面寬度，m；Q0為機(jī)組啟動前渠中流量，m3/s；Q1為機(jī)組啟動后渠中流量，m3/s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

從表4可知，水泵臺數(shù)越少，單泵流量越大，停一臺機(jī)組或開一臺機(jī)組渠道水面波動也越大。據(jù)此，泵站臺數(shù)宜適當(dāng)多一點，單泵流量小一點，減小單臺泵的啟停對泵站供水流量的影響，避免渠道水位升降過快，對渠道邊坡造成不利影響和對冬季前池渠道穩(wěn)定冰蓋運行造成破壞。

綜上所述，認(rèn)為7臺機(jī)組方案運行靈活、機(jī)組生產(chǎn)周期短、投資適中、停泵或開泵水位波動對渠道影響較小，為推薦方案，水泵臺數(shù)選為7臺，6用1備。泵站在冬四月運行，年運行小時數(shù)較低，但泵站地處雄安新區(qū)，向白洋淀生態(tài)補水，重要性較高，綜合考慮設(shè)置1臺備用機(jī)組。

表4 停泵或開泵渠道水位波動計算結(jié)果Tab.4 Results of water level fluctuation when pumps stopping or opening

2.2 水泵選型設(shè)計

低揚程水泵裝置最優(yōu)工作點的位置與水泵模型和出水流道都密切相關(guān)，由于缺少同一水泵模型和相同流道型式的水泵裝置的試驗數(shù)據(jù)。長期以來軸流泵站都采用“等流量加大揚程”的水泵選型方法[11]，即先估計進(jìn)水流道和出水流道的水力損失，將泵站揚程與流道水力損失疊加來確定需要的總揚程，再根據(jù)設(shè)計流量和總揚程來選擇水泵。近年來的工程建設(shè)經(jīng)驗和研究表明，對于低揚程軸流式泵站，這種選型方法會導(dǎo)致所選水泵的揚程偏高。水泵選型設(shè)計采用湯方平等[12]提出的低揚程軸流泵站“等揚程加大流量”的水泵選型方法。根據(jù)已建潛水泵站的經(jīng)驗，潛水泵運行一段時間后，其電動機(jī)功率和水泵流量均會有所下降，需考慮在平均揚程下，裝機(jī)流量宜留有5%～10%的裕量，以確保泵站長期運行能滿足供水要求。綜上所述，泵站設(shè)計流量30 m3/s，單泵流量確定為5.16 m3/s，設(shè)計揚程2.7 m。

該泵站揚程較低，適合偏低揚程的水力模型較少，水泵模型的選擇采用南水北調(diào)天津同臺模型試驗測試成果[13]，選用流量、揚程均能達(dá)到要求，汽蝕性能較好，水泵效率較高的水力模型。從同臺測試的模型中優(yōu)選出適合本工程使用的模型，根據(jù)泵站的揚程和流量參數(shù)，經(jīng)比選，天津同臺試驗TJ04-ZL-07號水泵模型較適合(見圖1)，該模型比轉(zhuǎn)速1 300為高比轉(zhuǎn)速軸流泵，模型泵nD值為435。按照泵站設(shè)計參數(shù)初選水泵葉輪直徑為1.2 m，轉(zhuǎn)速370 r/min，nD值為444，與模型泵nD值接近。經(jīng)換算，原型泵(葉片角度-2°)流量5.79～5.34 m3/s，揚程2.43～3.55 m，水泵效率82.5%～86.8%，設(shè)計點流量偏大，葉片角度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后原型泵設(shè)計流量5.16 m3/s，揚程2.7 m，水泵效率85.3%，性能曲線如圖2所示。水泵制造時，制造廠需根據(jù)潛水泵選型設(shè)計成果，進(jìn)一步優(yōu)化水泵過流部件結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足選型設(shè)計提出的水泵效率及配套功率要求。

圖1 TJ04-ZL-07水泵模型綜合特性曲線Fig.1 Comprehensive characteristic curve of No.7 model pump

圖2 TJ04-ZL-07(1400ZQ-160)原型水泵特性曲線Fig.2 Characteristic curve of prototype pump

3 流道優(yōu)化設(shè)計

3.1 進(jìn)、出水流道

泵站進(jìn)、出水流道型式的選擇是泵站工程設(shè)計的一個重要方面，流道型式和型線設(shè)計的優(yōu)劣，對泵站的經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性有重要影響。大型軸流泵進(jìn)水流道常用的結(jié)構(gòu)型式有肘形、鐘形、簸箕形3種。簸箕形流道進(jìn)水流道的寬度比肘形進(jìn)水流道的大，是為了方便一部分水流繞至喇叭口兩側(cè)及后部進(jìn)入喇叭管，比鐘形進(jìn)水流道的小，是因為流道內(nèi)部不像鐘形流道那樣容易產(chǎn)生渦帶。水泵進(jìn)水流道設(shè)計盡可能地減小流道寬度和開挖深度，減少工程投資，經(jīng)過比選，進(jìn)水流道采用簸箕形流道(見圖3)。該型流道形式簡單，優(yōu)點為流道出口斷面的流速和壓力分布比較均勻，流道內(nèi)不產(chǎn)生渦帶，水力損失小，能有效地減小流道寬度和開挖深度，便于施工等。國外簸箕形流道的簸箕型線是漸縮的，國內(nèi)有關(guān)學(xué)者設(shè)計的是半圓形的簸箕，李四海等[14]擬定了以上兩種簸箕形進(jìn)水流道設(shè)計方案進(jìn)行數(shù)值模擬，最終得出兩種型式的簸箕形流道泵裝置性能曲線沒有明顯偏離，設(shè)計工況點附近曲線吻合度較好，大流量區(qū)流道1(見圖3)的水力性能穩(wěn)定性優(yōu)于流道2(見圖4)。因此進(jìn)水流道選擇為半圓形簸箕方案，該方案水泵進(jìn)水流道葉輪中心高度Hw取為1.6D(D為水泵葉輪直徑，D=1.2 m)，Hw=1.92 m；流道長度XL取3.0D，XL=3.6 m；流道進(jìn)口寬度取為3.2 m，流道進(jìn)口高度取為1.889 m。

圖3 兩種簸箕形進(jìn)水流道型線Fig.3 Two types of dustpan shaped inlet conduit

泵站出水流道采用箱涵式出水流道，該流道型式是近年來應(yīng)用于低揚程大型軸流泵站的一種新型流道型式[15]，其斷面為矩形，優(yōu)點是斷面形狀簡單、施工方便，土建投資省，水力損失較小。經(jīng)優(yōu)化，出水流道斷面尺寸為1.6 m×1.8 m(高×寬)，流道流速為1.79 m/s。在流道出口設(shè)置自由式方形浮箱拍門斷流，拍門前設(shè)有通氣孔，拍門后設(shè)置事故閘門。

通過數(shù)值模擬計算手段，用三維水力設(shè)計方法對流道進(jìn)行驗證，流場計算結(jié)果見圖4。從圖4可見，水泵進(jìn)、出流道型式、尺寸和體型比較合理，前池水流平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大漩渦和回流；進(jìn)水流道內(nèi)流態(tài)較好，彎曲段的內(nèi)側(cè)無脫流，流道出口段水流趨于順直均勻；出水流道水流較平順，流道下部漩渦范圍和強(qiáng)度較??；因此，優(yōu)化后的進(jìn)、出流道能夠保證水泵機(jī)組性能的充分發(fā)揮及其正常運行。

圖4 泵站進(jìn)、出水流道計算流場Fig.4 Flow field calculation of the inlet and outlet conduit

3.2 泵站裝置效率測算

泵站裝置效率是低揚程泵站主要工況水力性能的重要考核指標(biāo)，是泵裝置模型試驗驗收的依據(jù)，對于年運行小時數(shù)較高的低揚程泵站，也是對原型泵裝置水力性能進(jìn)行評價的重要依據(jù)，以確保泵裝置性能的先進(jìn)性。現(xiàn)行《泵站設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，凈揚程低于3 m的泵站，其裝置效率不宜低于60%[16]。泵站裝置效率計算按下式進(jìn)行[17]。

η裝置=η電機(jī)η水泵η流道

(5)

(6)

式中：η裝置為泵站裝置效率；η電機(jī)為電機(jī)效率，94%；η水泵為水泵效率，85.3%；η流道為流道效率77.3%；H裝置為泵裝置揚程，1.7 m；h流道為進(jìn)、出水流道總損失，0.5 m。

經(jīng)計算，水泵在設(shè)計工況時，抽水流量為設(shè)計流量時，泵站裝置效率為62%，滿足規(guī)范要求。

4 水泵真機(jī)測試

潛水泵組制造完成后，在制造廠水泵測試試驗臺進(jìn)行了真機(jī)性能測試，試驗結(jié)果見表5，水泵流量-揚程、流量-效率、流量-軸功率擬合曲線如圖5所示。

表5 水泵真機(jī)性能試驗結(jié)果Tab.5 Performance test results of prototype pump

圖5 水泵真機(jī)性能曲線Fig.5 Performance curve of prototype pump

由圖5和表5可以看出，水泵設(shè)計點參數(shù)為流量5.188 m3/s，揚程2.7 m，軸功率161.27 kW，效率85.2%，達(dá)到水泵性能設(shè)計要求。因該水泵最小運行揚程較低，而現(xiàn)有試驗臺裝置高程較高，無法測得低揚程段試驗數(shù)據(jù)。理論上軸流泵揚程越低，軸功率也越小，因此該水泵低揚程段不會出現(xiàn)超載現(xiàn)象，水泵設(shè)計揚程范圍內(nèi)運行是穩(wěn)定可靠的，水泵低揚程段參數(shù)需通過現(xiàn)場實際運行工況測量數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核。

5 結(jié) 語

(1)泵站揚程較低，適合偏低揚程的水力模型較少，利用南水北調(diào)天津同臺試驗測試成果進(jìn)行水泵選型設(shè)計，提出的水泵選型成果保證了設(shè)計成果質(zhì)量和項目的進(jìn)度，為加快工程實施提供保障。

(2)泵站為冬季運行，運行期間前池渠道形成穩(wěn)定的冰蓋對泵站的可靠安全運行非常有利，并大大地減輕了渠道清污機(jī)的清污壓力。

(3)泵站向白洋淀生態(tài)補水，年利用小時數(shù)較低，但考慮其重要性較高，設(shè)置了1臺備用機(jī)組，以提高泵站運行可靠性。

(4)立式潛水軸流泵相對于貫流式潛水泵效率稍低，通過優(yōu)化簸箕型進(jìn)水流道，提高了泵站整體裝置效率。

(5)泵站水泵選型設(shè)計及布置充分考慮噪音控制方面的要求，通過優(yōu)化水泵選型設(shè)計、制造與安裝的質(zhì)量控制，將實現(xiàn)泵站泵組的振動與噪聲降到75 dB(A)以下，符合當(dāng)前以人為本的建設(shè)理念。

(6)試驗臺測試真機(jī)性能與模型換算結(jié)果基本吻合，真機(jī)葉片的精密加工充分保證泵的水力性能。

(7)泵站工程于2018年10月開工建設(shè)，2019年2月1日啟用3臺機(jī)組向白洋淀補水，2月28日停泵，累計向白洋淀生態(tài)補水3 500 萬m3，3臺機(jī)組安全運行達(dá)670 h。試通水運行期間，引水渠道形成穩(wěn)定的冰蓋，雜物和浮冰被清污設(shè)施有效攔截，前池流場未出現(xiàn)漩渦回流。經(jīng)過聯(lián)合調(diào)度，前池水位穩(wěn)定在5.52～5.84 m，出水池水位7.35～7.46 m，水泵機(jī)組運行穩(wěn)定，各項指標(biāo)正常，運行期間噪聲在75 dB(A)以下，也進(jìn)一步驗證了機(jī)組選型設(shè)計的合理性。