豎井貫流泵裝置在定波樞紐泵站中的應(yīng)用分析

陳雪松，王 飛，張一祁，袁 堯，楊 帆

（1.江陰市徐霞客水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214407；2.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215100；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；4.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017）

1 工程概況

錫澄運(yùn)河定波水利樞紐工程是錫澄運(yùn)河整治工程的重要組成部分，工程位于錫澄運(yùn)河與長(zhǎng)江交匯口處，是錫澄運(yùn)河（黃昌河—長(zhǎng)江段）整治工程通江口門的重要組成部分。定波水利樞紐泵站為排澇、引水雙向泵站，設(shè)計(jì)排澇總流量為120 m3/s，其主要功能是“提高區(qū)域防洪除澇能力，兼顧區(qū)域供水和改善水環(huán)境”[1]。泵站運(yùn)行水位組合見表1。定波水利樞紐工程主要功能是聯(lián)合河道治理擴(kuò)大區(qū)域洪水北排長(zhǎng)江的能力，提高武澄錫虞區(qū)防洪除澇能力，增強(qiáng)區(qū)域引江能力和水資源調(diào)控能力，增強(qiáng)區(qū)域河網(wǎng)水動(dòng)力，提高區(qū)域水環(huán)境容量。

表1 泵站運(yùn)行水位組合表 m

泵站主要功能為排澇，兼顧引水，排澇設(shè)計(jì)揚(yáng)程下須滿足設(shè)計(jì)流量單機(jī)30 m3/s要求，引水工況下無設(shè)計(jì)流量要求。

2 泵裝置結(jié)構(gòu)型式的比選

結(jié)合GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，根據(jù)本站的特征揚(yáng)程、水位組合、泵站的任務(wù)及功能，選取立式軸流泵裝置、斜式軸流泵裝置和豎井貫流泵裝置3種不同的貫流泵裝置方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[3]。

2.1 立式軸流泵

立式軸流泵由于進(jìn)出水流道分上下2層，且須滿足泵站設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)出水流道淹沒水深的要求，一般開挖深度較大，泵站部分及上下游連接段的土建投資也相應(yīng)增大。泵站是雙向泵站，每臺(tái)立式軸流泵裝置須配4扇門及啟閉機(jī)，機(jī)電設(shè)備投資較大。

泵站排水工況設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為2.75 m，引水工況設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.44 m，屬于低揚(yáng)程泵站，立式泵在低設(shè)計(jì)揚(yáng)程下效率較低，電機(jī)功率大、運(yùn)行耗電高。另外，因水泵結(jié)構(gòu)和安裝水泵大軸等需要，立式泵主廠房高度較高，不適合本樞紐的景觀要求。因此，立式泵不宜用于本泵站。

2.2 斜15°軸伸泵

斜式軸流泵是介于立式泵和臥式泵之間的一種泵型，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)。斜式軸流泵的裝置效率較高，泵站的站身高度較立式泵站小，底板埋深小，土建費(fèi)用相對(duì)較低。

采用斜式軸流泵的泵站可根據(jù)不同揚(yáng)程選擇不同的傾角，小傾角的斜式軸流泵可用于低揚(yáng)程的泵站。根據(jù)本泵站的特征揚(yáng)程可選擇15°軸伸泵。國(guó)內(nèi)已建成的斜式軸流泵站大多為大傾角的泵站，目前小傾角斜式軸流泵站較少。

2.3 豎井貫流泵

貫流泵技術(shù)引自貫流式水輪機(jī)，貫流泵因進(jìn)出水池用泵貫穿而得名。流道只有收縮擴(kuò)散，沒有彎曲，因而具有較好的水力性能，具有較高的裝置效率。貫流泵結(jié)構(gòu)緊湊，泵房高度低，可以節(jié)約土建工程投資。貫流技術(shù)在水輪機(jī)中應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)相當(dāng)成熟，正在水泵行業(yè)中推廣使用。

現(xiàn)分別從運(yùn)行效率、維修方便程度、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮[4-5]。從裝置模型試驗(yàn)最高效率看，豎井貫流泵方案效率較高，運(yùn)行費(fèi)用略低。從維修方便程度看，3種泵型的電機(jī)、齒輪箱等設(shè)備均暴露在外，機(jī)組檢修較為方便，而且設(shè)備的故障點(diǎn)在明處，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理。從實(shí)際應(yīng)用角度看，3種泵型研究應(yīng)用時(shí)間不同，都或多或少地存在弊端，但程度不同：

（1）立式軸流泵方案土建投資、機(jī)電設(shè)備投資較大。設(shè)計(jì)揚(yáng)程下難獲得較高的效率，電機(jī)功率大、運(yùn)行耗電高。另外立式泵主廠房高度較高，不適合本樞紐的景觀要求。

（2）斜軸泵受力情況復(fù)雜，因此國(guó)內(nèi)已建的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的泵站出現(xiàn)軸承故障比較普遍，短期內(nèi)仍將會(huì)影響這種泵型的應(yīng)用。但這種故障點(diǎn)在明處，事前可預(yù)警，事后可就地檢修，處置時(shí)間短。

（3）豎井貫流泵的機(jī)電設(shè)備均在狹小的豎井內(nèi)，安裝檢修略有不便，設(shè)備的散熱條件較其他方案差，但可以采取一些有效的措施來改善散熱條件。

在運(yùn)行管理比較中，安全可靠、維修方便是重點(diǎn)。在這方面，豎井貫流泵較好，立式軸流泵次之，斜軸泵較差。

立式軸流泵、斜15°軸伸泵和豎井貫流泵都有工程經(jīng)驗(yàn)及可取之處。斜15°軸伸泵的軸承受力情況復(fù)雜，軸承易磨損問題比較突出，需要繼續(xù)研究克服；立式軸流泵土建工程量增加，機(jī)電設(shè)備投資也較大，泵裝置效率較低，立式泵主廠房高度較高；豎井貫流泵水流流態(tài)較平穩(wěn)，流道水力損失小，裝置效率較高，投資合理。目前江蘇地區(qū)單機(jī)流量在30 m3/s的低揚(yáng)程泵站也有采用豎井貫流泵的先例。因此推薦采用豎井貫流泵。

豎井貫流泵裝置是一種常用的超低揚(yáng)程貫流泵裝置，廣泛應(yīng)用于我國(guó)南水北調(diào)東線工程及城市防洪排澇工程中[6]。豎井貫流泵裝置將電機(jī)、齒輪箱安裝于豎井中，流道中軸線從進(jìn)口至出口呈直線形，流道順直，流態(tài)較平穩(wěn)，水力損失小，泵裝置效率高，不但土建工程量小，施工也比較方便。雙向豎井貫流泵裝置可應(yīng)用于抽排、引水相結(jié)合的綜合運(yùn)用工況，適合低洼地區(qū)的實(shí)際運(yùn)用[7-9]。雙向豎井貫流泵站的泵房剖面見圖1。

圖1 雙向豎井貫流泵站的泵房剖面圖

3 豎井貫流泵裝置性能比較

3.1 模型試驗(yàn)系統(tǒng)

模型泵裝置性能試驗(yàn)在江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行（見圖2），綜合不確定度為±0.39%，符合SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》的精度要求。該試驗(yàn)臺(tái)為立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，管路總長(zhǎng)為60.0 m，主體管道直徑為0.5 m，僅在安裝電磁流量計(jì)的前后10倍直管段為直徑0.4 m管道，整個(gè)系統(tǒng)水體積為50 m3。

圖2 高精度水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)圖

物理模型試驗(yàn)按照GB/T 18149—2000《離心泵、混流泵和軸流泵水力性能試驗(yàn)規(guī)范（精密級(jí)）》和SL 140—2006《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定要求進(jìn)行。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

考慮葉輪直徑均為3.2 m，以方案1引水工況為正向，泵裝置原型性能曲線見圖3～4。

圖3 正向引水豎井貫流泵裝置原型性能曲線圖

圖4 反向排澇豎井貫流泵裝置原型性能曲線圖

方案2排澇工況為正向，泵裝置原型性能曲線見圖5～6。

圖5 正向排澇豎井貫流泵裝置原型性能曲線圖

圖6 反向引水豎井貫流泵裝置原型性能曲線圖

雙向豎井貫流泵裝置特征揚(yáng)程下性能見表2～3。

表2 特征揚(yáng)程下雙向豎井貫流泵裝置的性能參數(shù)表 （方案1：以引水為正向）

表3 特征揚(yáng)程下雙向豎井貫流泵裝置的性能參數(shù) （方案2：以排澇為正向）

由表2～3可見，2個(gè)方案在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下均滿足排澇流量要求，方案1比方案2在引水平均揚(yáng)程下裝置效率高2.0%，方案1引水流量大，相應(yīng)須配較大電機(jī)功率。方案1汽蝕性能較差，最大NPSHre比方案2大1.66 m，理論葉輪中心淹沒深度方案1須加深2.25 m。汽蝕性能差將帶來運(yùn)行噪音大、水泵大修周期短等問題。

綜上，“調(diào)節(jié)水泵葉片角度”方案和“加大葉輪直徑”方案均能使平均揚(yáng)程下泵站裝置效率提高，但“調(diào)節(jié)水泵葉片角度”方案性價(jià)比更高；排澇為正向方案更節(jié)能，但流量小，存在汽蝕性能略差、事故門布置的問題。

因此，綜合考慮泵站總投資、泵裝置綜合性能、噪音要求、泵房結(jié)構(gòu)布置情況，本階段推薦采用以排澇為正向，調(diào)節(jié)葉片角度方案。葉輪直徑為3.2 m，轉(zhuǎn)速112 r/min，引水、排澇平均揚(yáng)程下裝置效率分別為57.3%、51.0%。

4 泵裝置不同參數(shù)的比選

經(jīng)分析定波樞紐泵站的特征揚(yáng)程、水位組合及泵站的任務(wù)、功能，對(duì)不同正向運(yùn)行功能、不同nD值、葉片調(diào)節(jié)方案進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表4。

表4 不同參數(shù)下泵裝置性能結(jié)果分析

隨著葉輪直徑增大、nD值減小，無論以哪個(gè)工況為正向，其引水平均揚(yáng)程下泵裝置效率均有提高，但增值有限。葉輪直徑加大，流道尺寸須加大，相應(yīng)泵站土建、金屬結(jié)構(gòu)等投資明顯增加。相同葉輪直徑下，通過調(diào)節(jié)葉片角度，可明顯提高引水平均揚(yáng)程下泵裝置效率，工程投資增加較小，性價(jià)比較高。

與葉輪直徑3.0 m方案比較，葉輪直徑3.2 m方案工程投資雖增加，但其泵裝置效率提高后，節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用與增加的投資基本相當(dāng)，且汽蝕性能明顯優(yōu)于3.0 m方案。當(dāng)葉輪直徑為3.2 m時(shí)，根據(jù)相似定律換算流道進(jìn)出口處尺寸均為8.5 m×5.1 m（寬×高），進(jìn)出口處設(shè)計(jì)流速為0.7 m/s，即流道進(jìn)口處流速小于泵站設(shè)計(jì)規(guī)范推薦值。如選擇更大葉輪直徑，引水平均揚(yáng)程下泵裝置效率提高不明顯，且流道進(jìn)口處流速與規(guī)范推薦值偏離更遠(yuǎn)，工程投資增加。另外，選擇葉輪直徑為3.2 m方案，泵站寬度及底板長(zhǎng)度均增加僅2.0 m，恰好能與泵站上下游側(cè)的2座橋梁銜接。如選其他葉輪直徑更大方案，則泵站站身很難與已設(shè)計(jì)好的2座橋梁橋臺(tái)、橋墩銜接，且因泵站上下游處于2座橋之間，泵站站身長(zhǎng)度增加后，將提高泵站施工難度。因此選擇葉輪直徑3.2 m。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，選用豎井貫流泵裝置作為定波水利樞紐泵站的泵裝置類型，并根據(jù)特性曲線分析確定了水泵的直徑和轉(zhuǎn)速及機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)，明確了豎井式貫流泵系統(tǒng)比較適合定波水利樞紐泵站，該站的泵裝置方案比選方法及泵裝置型式可為同類泵站的初步設(shè)計(jì)提供一定的參考。