新疆某泵站機電設備選型

摘 要：新疆某大型泵站工程具有高揚程、大流量的特點，鑒于此，在已有研究資料的基礎上開展該泵站機電設備選型的研究，結合國內部分類似泵站的機電設備選型設計，通過計算和分析，合理確定機電設備的主要參數(shù)，為機電設備的經(jīng)濟、安全、穩(wěn)定、長期運行奠定基礎，為今后其他類似泵站機電設備選型設計提供參考。

關鍵詞：機電設備;水泵;電動機;閥門;水力監(jiān)測;選型

中圖分類號：TV675? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）10-0068-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.018

1? ? 泵站基本設計參數(shù)

泵站位于水庫附近，從水庫取水，揚水至出水池。泵站設計供水流量為3.5 m3/s，年運行4 080 h。泵站輸水管路為一根，主管直徑1.8 m，長度約72 km。

進水池水位（水庫）：正常水位500 m，最低水位483 m。

出水池水位：正常水位514 m，最低水位507 m。

2? ? 主機參數(shù)的選擇

2.1? ? 水泵臺數(shù)選擇

水泵臺數(shù)的選擇應考慮技術經(jīng)濟性和運行靈活性，在滿足運行靈活性的前提下，臺數(shù)越少越經(jīng)濟，可以減少設備和土建投資。工作泵的臺數(shù)應滿足運行靈活性，備用泵臺數(shù)應考慮供水的重要性和年運行小時數(shù)，并滿足機組正常檢修或事故時的流量要求。

泵站設計流量不大，采用1臺或2臺工作泵較合理;備用泵按規(guī)范要求，重要的供水泵站，工作機組3臺及3臺以下時，宜設1臺備用機組[1]。不同水泵數(shù)方案比較如表1所示。

從表1可以看出，2臺工作泵方案主要設備重量要輕，相應設備投資要少。主泵房平面尺寸相差不大，土建工程量相近。1臺工作泵方案，單泵流量偏大，運行不靈活且備用泵容量偏大，造成設備閑置浪費。另一方面，泵站出水池為水池，不具備調蓄能力，采用2臺工作泵可以更好地適應流量變化，運行較為靈活。

綜上，水泵臺數(shù)采用3臺，2臺工作，1臺備用。

2.2? ? 水泵型式選擇

水泵揚程在100 m左右，采用技術成熟、性能先進的水平中開單級雙吸離心泵最為合適。由于水泵為臥式布置，水泵和電機可以布置在同一層，設備的維護與檢修方便，設備和泵房土建投資也較少。

2.3? ? 水泵主要參數(shù)確定

2.3.1? ? 水泵的揚程H

水泵揚程應基于泵站進、出水池的運行水位高差，并計入管道水力損失確定。

水庫是一個年調節(jié)水庫，水位變幅較大，相應水泵揚程的運行范圍也較大，為保證泵站全年都能取得設計流量，水泵設計揚程應采用最大揚程。根據(jù)進水池（水庫）最低運行水位483 m，出水池最高運行水位514 m（進、出水池的最大水位高差31 m），管路水頭損失73 m，計算水泵最大揚程為104 m，水泵設計揚程亦為104 m。

水泵運行特性曲線如圖1所示。最大揚程或設計揚程下的管路特性曲線方程為H=31+5.96Q2，根據(jù)預估的水泵性能曲線可以得出：2臺水泵并聯(lián)運行時，流量Q=1.75 m3/s，揚程H=104 m;單臺水泵運行時，流量Q=

2.25 m3/s，揚程H=61.2 m。

水泵最小揚程根據(jù)進水池（水庫）最高運行水位500 m，出水池最低運行水位507 m（進、出水池的最小水位高差7 m）計算，根據(jù)水泵性能曲線以及該水位下的管路特性曲線方程H=7+5.96Q2，可以得出：2臺水泵并聯(lián)運行時，流量Q=1.85 m3/s，揚程H=88.6 m;單臺水泵運行時，流量Q=2.5 m3/s，揚程H=44.3 m。

由此可以看出，2用1備方案下，單臺水泵運行時流量的變化幅度在40%以上，揚程的變化幅度在50%以上，水泵將產(chǎn)生非常嚴重的汽蝕、效率下降和電動機過載等問題，嚴重影響水泵的安全、穩(wěn)定與高效率運行，因此需采用變頻調速裝置，降低水泵運行轉速，將水泵流量限制在允許范圍內。

2.3.2? ? 水泵轉速n和比轉速ns

水泵轉速應保證水泵在獲得較高平均效率的同時又具有良好的汽蝕性能。

汽蝕比轉速系數(shù)計算公式：

C=5.62n■/（NPSHr0.75）

根據(jù)目前水泵的先進制造水平，汽蝕比轉速系數(shù)C值可以達到1 100以上，考慮泵站的水質為清水，可以采用較高的汽蝕比轉速系數(shù)。

對雙吸泵，流量應取1/2，揚程100 m段水泵必需汽蝕余量NPSHr可以取7 m，經(jīng)計算水泵轉速可以達到900 r/min以上，確定采用同步轉速1 000 r/min，相應異步轉速為980 r/min。

比轉速計算公式：

ns=3.65n■/H0.75

采用980 r/min轉速，相應水泵比轉速為103 m·kW，在水泵效率較優(yōu)的范圍內。

2.3.3? ? 水泵效率η0

按國內目前同類型水泵制造的先進水平，水泵設計點效率η0應達到88%以上。

2.3.4? ? 水泵安裝高程

水泵的安裝高程應滿足在進水池水位最低時，不同工況下水泵對必需汽蝕余量NPSHr的要求，保證水泵不產(chǎn)生有害的汽蝕。當泵站有壓取水口檢修時，需要采用水庫附近的無壓放水池取水，這時的水位應為進水池最低運行水位;水泵運行的最不利工況為單臺水泵運行。

水泵安裝高度計算公式：

Hsz=Pa/ρg-Pv/ρg-NPSHa-Δhs

當?shù)睾０胃叨鹊拇髿鈮毫a/ρg為9.5 m，常溫下的汽化壓頭Pv/ρg為0.24 m，吸水管路水頭損失Δhs為3 m。單臺水泵運行，水泵必需汽蝕余量NPSHr為7.7 m，考慮水質為清水，裝置汽蝕余量NPSHa按1.2倍NPSHr考慮，為9.2 m，經(jīng)計算水泵葉輪入口邊高點的最小淹沒深度為-2.9 m。

無壓放水池水位474.3 m，并考慮0.5 m的富裕度，推算至葉輪進口中心線處的水泵安裝高程為468.8 m。

2.3.5? ? 水泵軸功率

水泵軸功率計算公式為：

N=9.81QH/η

由此計算，水泵設計軸功率為2 029 kW。

水泵最大軸功率發(fā)生在單臺水泵運行及最小揚程下，該工況下：流量Q=2.5 m3/s，揚程H=44.3 m，效率η=49%。

由此計算，水泵最大軸功率為2 217 kW。

2.4? ? 電動機選型

電機采用三相交流異步調速電動機，空—空冷卻方式，S1工作制（長期運行拖動水泵負載），防護等級為IP54。電機額定功率應在水泵全部運行范圍內不超載，按水泵的最大設計軸功率的1.1倍確定。

電動機主要技術參數(shù)：額定功率2 500 kW，額定轉速980 r/min，額定電壓6 kV，額定頻率50 Hz，額定效率95.0%，功率因數(shù)0.83。

3? ? 輔助機電設備

（1）水泵進、出口閥門。水泵進水管道流速按1.5 m/s考慮，管道直徑DN1 200 mm。水泵進口設置檢修閥，采用電動蝶閥，直徑DN1 200 mm，公稱壓力1.0 MPa。

水泵出水管道流速按2.0 m/s考慮，管道直徑采用DN1 000 mm。水泵出口設置工作閥和檢修閥。工作閥采用多功能水力控制閥，閥門直徑DN1 000 mm，公稱壓力1.6 MPa，可以滿足離心式水泵閉閥啟動和兩階段關閉防水錘要求。檢修閥采用電動蝶閥，直徑DN1 000 mm，公稱壓力1.6 MPa。

（2）消防供水系統(tǒng)。消防供水采用水泵供水方式，從主泵進水管吸水，經(jīng)消防水泵加壓后送至消防總管。消防水泵設置2臺，1臺工作、1臺備用。水泵參數(shù)：Q=90 m3/h，H=50 m。

（3）排水系統(tǒng)。主泵房內設置集水井，用以收集泵房滲漏水、設備和管路漏水等，水井有效容積為3 m3，設置2臺潛污泵（1臺工作、1臺備用），水泵流量10 m3/h，揚程10 m。

（4）起重設備。最大起吊重量按水泵整體或電機整體起吊考慮，電動機重量約為15 t，主泵房內設置1臺20/5 t單小車橋式起重機。

（5）水力監(jiān)測系統(tǒng)。為滿足水泵機組正常和經(jīng)濟運行，泵站設置以下監(jiān)測項目：1）主水泵進、出口壓力：采用數(shù)顯壓力變送器;2）主泵流量：采用法蘭式電磁流量計;3）振動擺度：8點/每臺機。

4? ? 機電設備布置

主泵房布置3臺泵組及附屬設備，機組間距10.5 m，順水方向右端布置1個檢修安裝間，長度9.9 m。泵房總長度45.7 m，寬度22.3 m。泵房分2層布置，各層高程分別是泵房地面層？犖473.25 m、設備層？犖466.90 m，橋機軌面高程為？犖480.75 m。

5? ? 主要機電設備清單

主要機電設備清單如表2所示。

6? ? 結語

泵站機電設備的選擇直接影響到泵站建設的經(jīng)濟性和今后運行的安全可靠性。水泵主要技術參數(shù)的選擇應在確保機組穩(wěn)定可靠的前提下，使水泵的性能較為先進，符合國內外技術發(fā)展水平，而且各機電設備之間達到總體的最優(yōu)配合。

[參考文獻]

[1] 泵站設計規(guī)范：GB 50265—2010[S].

收稿日期：2022-03-01

作者簡介：徐富龍（1989—），男，新疆哈密人，工程師，從事水利水電工程水力機械設計工作。