小型雙向立式軸流泵在閘站中的應(yīng)用

徐 量

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司南京分公司，江蘇 南京 210008）

0 前言

沿江濱湖地區(qū)，泵站揚(yáng)程低，其中許多泵站往往需要雙向抽水功能[1]，如果能實(shí)現(xiàn)單臺(tái)水泵雙向運(yùn)行，可大大減少土建及設(shè)備投資。對(duì)于雙向運(yùn)行泵站，目前國(guó)內(nèi)主要有三種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)單臺(tái)水泵機(jī)組的雙向運(yùn)行。分別是采用“X”形流道布置的立式軸流泵機(jī)組、采用“S”形葉片潛水貫流泵機(jī)組、采用可旋轉(zhuǎn)掉頭的潛水貫流泵機(jī)組。其中“S”形葉片潛水貫流泵機(jī)組的效率比同樣比轉(zhuǎn)速、葉輪直徑的普通貫流泵效率低、流量小[2]；可旋轉(zhuǎn)掉頭的潛水貫流泵機(jī)組需進(jìn)行頻繁轉(zhuǎn)向，操作不便，且這兩種雙向泵站均是貫流泵，流道與水泵機(jī)組在一條直線(xiàn)上，不能實(shí)現(xiàn)自引、自排功能。

“X”形流道布置的立式軸流泵機(jī)組運(yùn)行操作方便、快捷，通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)或人工操作可實(shí)現(xiàn)兩工況下對(duì)應(yīng)的工作閘門(mén)啟閉，水泵電機(jī)的啟動(dòng)不分工況，只需將水抽至上層抽水流道，通過(guò)閘門(mén)啟閉來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能需求。該機(jī)組型式在泵站正反向運(yùn)行時(shí)水泵均可高效運(yùn)行，特別正反向抽水變化較頻繁的場(chǎng)合。

1 工程概況

工程位于江蘇省常州市西太湖科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)，站址位于長(zhǎng)汀浜與新武宜河大橋交匯處，地形基本平穩(wěn)。水泵設(shè)計(jì)抽排流量為3 m3/s，抽引流量為1.5 m3/s，涵閘引排流量為16.8 m3/s，屬于小型泵站，等別為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。

閘站功能：（1）汛期外河高水位時(shí)排澇；（2）內(nèi)河換水。內(nèi)河常水位為4.50 m，換水時(shí)首先通過(guò)水泵或閘門(mén)將內(nèi)河水位降至3.00 m，再通過(guò)控制閘、閥及水泵將外河側(cè)水引入內(nèi)河。當(dāng)外河水位高于內(nèi)河常水位時(shí)，先打開(kāi)水泵，將內(nèi)河水抽排到外河，當(dāng)水位降至3.00 m 時(shí)，直接開(kāi)閘引水；當(dāng)外河水位低于內(nèi)河常水位時(shí)，先開(kāi)閘放水，當(dāng)水位降至3.00 m 時(shí)，再通過(guò)泵引水至常水位。

閘站運(yùn)行水位見(jiàn)表1。

根據(jù)水泵的特征運(yùn)行水位，計(jì)算水泵特征揚(yáng)程，見(jiàn)表2。

表1 泵站運(yùn)行工況及水位 單位：m

表2 水泵特征揚(yáng)程表 單位：m

根據(jù)泵站排澇工況及引水工況揚(yáng)程運(yùn)行范圍，選用軸流泵型[3～4]。由表2 可知，排澇工況與引水工況的特征揚(yáng)程相差不大，最大不超過(guò)0.2 m，因此一泵兩用是能夠滿(mǎn)足的，選定700ZLB-160 立式軸流泵為本工程的水泵型號(hào)，安裝角度為0°，電機(jī)功率75 kW。

閘站共設(shè)兩臺(tái)水泵機(jī)組及一套排澇閘門(mén)，具有抽排、抽引、自引、自排功能。一臺(tái)為雙向水泵（1#機(jī)組），一臺(tái)為單向水泵（2#機(jī)組），水泵型號(hào)為700ZLB-160 立式軸流泵（0°），總裝機(jī)功率為150 kW，進(jìn)水池底高程為0.30 m，進(jìn)水流道寬度為2.5 m。

2 建設(shè)方案

泵站流量較小但功能較多，有自排、自引、抽排、抽引4 種工況，如按常規(guī)布置需設(shè)置1 臺(tái)引水泵站，2 臺(tái)排水泵站，同時(shí)需另設(shè)一孔水閘，如此，必然會(huì)增加占地和投資。

本次采用的雙向泵站的布置，僅需設(shè)置2 臺(tái)水泵，其中一臺(tái)為抽引功能，另一臺(tái)為抽引、抽排并兼有自排、自引功能，雙向功能是通過(guò)“X”形流道來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

雙向泵站主要由流道、水泵安裝層、電機(jī)層、泵房組成，為實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)行的功能，流道層上下游貫通，并通過(guò)閘門(mén)控制進(jìn)水方向，閘門(mén)采用螺桿啟閉機(jī)啟閉，水泵由傳統(tǒng)單向出水管改為雙向出水管，出水水流流向通過(guò)出水管上設(shè)置的閥件控制，并在兩側(cè)出水管出口設(shè)置拍門(mén)，以避免水泵停機(jī)時(shí)出水池水倒灌。泵站主泵房剖面見(jiàn)圖1。

圖1 雙向立式軸流泵結(jié)構(gòu)剖面圖

泵站的運(yùn)行調(diào)度由閥1、閥2、閘門(mén)1、閘門(mén)2 來(lái)控制。①泵站自排、自引工況：打開(kāi)閘門(mén)1、閘門(mén)2，關(guān)閉閥1、閥2，通過(guò)水泵流道引、排水。②泵站抽排工況：當(dāng)內(nèi)河側(cè)水位低于外河側(cè)水位時(shí)，打開(kāi)閘門(mén)1 及閥2，關(guān)閉閘門(mén)2 及閥1，啟動(dòng)水泵抽排，水流從內(nèi)河側(cè)進(jìn)水流道流經(jīng)水泵，再?gòu)耐夂觽?cè)出水管排入外河。③泵站抽引工況：當(dāng)內(nèi)河側(cè)水位高于外河側(cè)水位時(shí)，打開(kāi)閘門(mén)2 及閥1，關(guān)閉閘門(mén)2 及閥2，啟動(dòng)水泵抽引，水流從外河側(cè)進(jìn)水流道流經(jīng)水泵，再?gòu)膬?nèi)河側(cè)出水管引入內(nèi)河。

3 關(guān)于設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考

泵站建成并投入運(yùn)行之后，運(yùn)行效果良好，并未出現(xiàn)任何不良事故，但是針對(duì)泵站的設(shè)計(jì)，仍覺(jué)得尚有幾點(diǎn)可進(jìn)行優(yōu)化。

（1）可改干室型泵站為濕室型泵站

本工程中泵室采用的是干室，干室泵站的好處在于方便檢修和設(shè)備保養(yǎng)，但是其主要缺點(diǎn)是泵站使用一定年限之后，可能會(huì)出現(xiàn)滲水、漏水等現(xiàn)象：①泵室穿墻管處常年受室內(nèi)外水壓差的影響，可能會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象；②閥件接口部位由于橡膠老化，可能會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象；因此需要通過(guò)化學(xué)灌漿、更換閥件等措施來(lái)對(duì)泵室進(jìn)行維修保養(yǎng)。

如果電機(jī)層高于最高洪水位，為了便于管理，可以考慮將干室泵房改為濕室泵房，濕室泵可免去泵房排水的麻煩，優(yōu)化泵房結(jié)構(gòu)，節(jié)省造價(jià)。濕室雙向軸流泵水泵泵座只用兩個(gè)大梁支撐，取消泵室導(dǎo)流頂板，閥件采用長(zhǎng)柄閥操作，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 濕室雙向立式軸流泵方案剖面圖

但是該結(jié)構(gòu)由于出水管、閥件、傳動(dòng)軸等設(shè)備均常年淹沒(méi)在水中，會(huì)發(fā)生腐蝕并增加故障率，因此耐久性及可靠性得不到保證，一旦故障，需將泵室內(nèi)的水抽排掉才能檢修，所以該方案也有其不利的地方，因此具體選用哪種結(jié)構(gòu)型式可根據(jù)運(yùn)行管理單位的要求而定。

（2）控制閘門(mén)的單吊點(diǎn)啟閉機(jī)更改為雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)。

本工程由于閘門(mén)凈寬較小，只有2.5 m，因此設(shè)計(jì)時(shí)采用的是單吊點(diǎn)螺桿啟閉機(jī)，泵站試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)螺桿正對(duì)水泵出水口，排水時(shí)受水流沖擊，雖然運(yùn)行幾年下來(lái)未出現(xiàn)任何問(wèn)題，但是存在一定的隱患，如有大型雜物掛在螺桿上，可能會(huì)造成螺桿彎折甚至折斷，影響閘門(mén)啟閉及水泵的運(yùn)行，因此可優(yōu)化為雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)，螺桿避開(kāi)主流，減少事故發(fā)生的幾率。

（3）自動(dòng)化控制系統(tǒng)的必要性。

本工程由于控制設(shè)備較多，有閘門(mén)、閥門(mén)、水泵，每個(gè)設(shè)備啟動(dòng)都要求一定的順序，一旦出錯(cuò)必然會(huì)影響水泵運(yùn)行，例如，在試運(yùn)行階段，由于施工單位在未打開(kāi)上、下游閘門(mén)的情況下啟動(dòng)水泵，水泵運(yùn)行約3 s 就事故停機(jī)，雖然正式運(yùn)行時(shí)有操作規(guī)程，但是無(wú)疑增加了運(yùn)行管理難度，因此如有富余資金，還是建議增加必要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的，減少水泵運(yùn)行事故，保證運(yùn)行安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以長(zhǎng)汀浜閘站為例，介紹了利用設(shè)置雙向出水管形成“X”型流道，通過(guò)改變水泵進(jìn)、出水方向，從而實(shí)現(xiàn)雙向出流的目的。同時(shí)，水泵的進(jìn)水流道了用作涵閘的過(guò)流通道，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)四用”的功能。工程自2018 年10 月完工驗(yàn)收至今，運(yùn)行良好，對(duì)類(lèi)似功能泵站的設(shè)計(jì)可以起到很好的借鑒作用。

1）雙向軸流泵不管是正向還是反向，都是用的同一臺(tái)同一個(gè)型號(hào)水泵，因此正向、反向的流量、揚(yáng)程需相差不大，否則必有一個(gè)工況運(yùn)行效率大大降低，此時(shí)需要與其他方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選后方可實(shí)施。

2）通過(guò)出水管道閥門(mén)、拍門(mén)控制的雙向水泵只適用于流量較小的泵站，當(dāng)單泵流量大于3.0 m3/s 時(shí)，為了保證裝置效率，此布置并不適用，建議將管道改成流道并通過(guò)閘門(mén)控制。

3）如水泵電機(jī)層高程高于最高水位，可以考慮采用濕室泵站型式，這樣可減少泵室內(nèi)部排水的麻煩，運(yùn)行管理起來(lái)更加便捷。

4）自動(dòng)控制化系統(tǒng)是必要的，特別對(duì)于操作步驟繁多的工程，自動(dòng)化可有效避免人為操作的失誤，減少水泵運(yùn)行事故，保證運(yùn)行安全。