平面S形軸伸泵在蘇州市城市防洪工程中的應用

陳 曄 程 實

（江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司 江蘇蘇州 215128）

1 概況

江蘇省蘇州市城市中心區位于蘇州市區中部，以蘇州古城為中心，面積約84km2。在城市防洪工程實施之前蘇州市城市中心區防洪標準不足50年一遇，防洪標準偏低，排澇能力不足。另外，近年來京杭大運河水質污染嚴重，因此必須阻止京杭大運河污水進入城市中心區。為此應在城市中心區建立防洪工程，其中9 座泵站將承擔260m3／s的抽排任務。通過一系列防洪工程的實施，使城市中心區達到防御200年一遇洪水的防洪能力，全面提高河道泄洪能力和排澇標準，同時加強蘇州市城區的水環境保護能力，改善其水動力條件。水泵在城市防洪工程運行中起著最關鍵的作用，因此須研究選擇合理的泵型。

2 前期工作研究

承擔抽排任務的9大泵站的設計流量和特征揚程如表1所示。分析此表，可以得出：（1）九大泵站大都是雙向運行泵站，多個泵站的揚程、流量及運行方式都相同，在做泵型選擇時須考慮盡可能采用相同的泵型，有利于將來的維護管理；（2）設計工況揚程很低，較難提高水泵運行效率；（3）除澹臺湖泵站外其余泵站的設計總流量均在15～30m3／s，泵站機組的單機流量為5m3／s較適合。

城市防洪工程中，泵站是關鍵的排澇設施，其泵型的選取將直接影響泵站運行安全可靠性，維護管理便利性，運行效率高低，建站的投資及運行管理費。根據《泵站設計規范》，并結合蘇州市具體實際以及工程運行特點，應從以下幾個方面考慮選擇泵型。

表1 蘇州市城市中心區防洪工程各泵站流量及特征揚程

（1）所選泵型的水力性能優良，適用于特低揚程、雙向運行的泵站。

（2）水泵技術成熟，運行安全可靠。

（3）水泵裝置操作簡單，維護、檢修方便。

（4）機組造價、工程投資和運行費用經濟合理。

按照上述的泵選原則，分析目前在低揚程下常用的泵型，以下泵型可供選擇：立式潛水泵、豎井貫流泵、潛水貫流泵、斜式軸伸泵、平面S 形軸伸泵。其中立式潛水泵裝置效率低，需要設置雙層流道和兩套閘門系統、土建及金屬結構投資大；電機功率大、運行能耗大。另從近年的工程實踐來看，豎井貫流泵最小單機流量8m3／s，5m3／s單機流量的泵站若采用豎井貫流泵則豎井尺寸偏小，機組安裝困難、通風冷卻條件較差，因此豎井貫流泵也不參與比選。潛水貫流泵、斜軸泵和平面S形軸伸泵的水力性能適合特低揚程泵站，并具有雙向運行的能力，因此是理想的候選泵型。

3 設計選型

泵型的比選一般從各方案的泵型特點、站身結構布置、工程投資、泵站能量特性、運行管理來比較。潛水貫流泵、斜軸泵和平面S形軸伸泵三種泵型各有優缺點，這里不贅述；由于目前尚無三種泵型的同臺試驗成果，對泵站能量特性無法作真實、詳細的比較，但參考以往的模型試驗，三種泵型的模型裝置正向最高效率均在60%～70%之間，高于一般的立式軸流泵（揚程在3m 以下）的最高效率；一次性工程投資相差不大，采用三種泵型工程投資相差最大為6%左右。

泵站的運行穩定性、安全可靠性、維護管理便利性應該是城市防洪工程泵選的主導因素，所以下面著重對三種泵型的管理、維護特點進行分析。

運行管理的比較主要是比運行費用、安全可靠、維修方便和運行環境。

（1）三種泵型可以選相同功率的電機，裝置性能相差不大，所以用電量或運行費用也大致相同。

（2）三種泵型的研究應用的時間長短不同，也都是或多或少地存在安全可靠的問題，但程度不同：

①潛水貫流泵的故障點主要在于密封性能。潛水電機密封于水下泵體中，當內部出現問題時，無法直接快速地查明并排除故障。由于事故的出現事前無警示，因此具有突然性；由于必須整體返廠檢修、做密封性能試驗，勢必出現停機時間較長的狀況。這在防洪排澇期間影響較大。

②斜軸泵水導軸承受力情況復雜，因此國內已建的運行時間較長的泵站出現軸承故障比較普遍，短期內仍將會影響這種泵型的應用。但這種故障點在明處，事前可預警，事后可就地檢修，處置時間短。

③平面S形軸伸泵也可能存在軸瓦損壞問題，雖然目前尚未得到類似泵站軸瓦損壞的信息，但仍需重視這一問題。這種故障點的出現率尚不及斜軸泵多，預警、檢修和處理時間與斜軸泵相同。

（3）潛水貫流泵出現問題大都必須整體返廠檢修，但不出現問題、運行期滿后也必須整體返廠檢查保養，很不方便；而斜軸泵和平面S 形泵可就地檢修，比較方便。

（4）潛水貫流泵處在水下，電機運行時散熱條件好，噪聲低，運行環境好。斜軸泵和平面S形泵電機處于底板上，噪聲相對較大，散熱條件相對較差，運行環境不如潛水貫流泵好。

綜上所述，安全可靠、維修方便應是運行管理比較的重點，在這方面，平面S形軸伸泵較好，斜軸泵次之，潛水貫流泵較差。三種泵型都有工程經驗，都有可取之處。潛水貫流泵裝置效率較高，運行管理環境良好，極有發展前景，但目前存在的運行可靠性問題及檢修困難問題，則應謹慎對待；斜式軸伸泵的軸承受力情況復雜，軸承易磨損問題比較突出，需要繼續研究克服；平面S形軸伸泵方案水力性能條件較好，效率較高，水泵運行中可能出現的問題應比斜軸泵容易克服，因此采用平面S形軸伸泵方案較為適合蘇州城市中心區防洪工程。平面S形軸伸泵裝置平面示意如圖1所示。

圖1 平面S形軸伸泵裝置平面示意

4 數模分析和裝置模型試驗

目前采用三維紊流數值模擬預測泵站性能的方法，已得到了越來越廣泛的應用。各種商用計算軟件FLUENT 等也已逐步被用于泵站流動模擬與性能預測中，用以進行數值試驗，研究開發新的模型葉輪。在泵站設計的初期，對平面S形軸伸泵的不同導葉形式、不同的流道型線進行了數模分析、優化，以確定合理的導葉體形式和流道型線。試驗結果主要有：

（1）直型流道水損較曲線型流道小約8.0%～20.0%。對于平面S形軸伸泵宜采用直型進出水流道，因其流道簡單，水力損失與彎型流道相比較小。

（2）平面軸伸泵正向運行時，出水流道水頭損失為進水流道水頭損失的7～8倍，因此優化出水流道彎段型線，對提高泵站效率有明顯效果。

（3）彎管直徑對裝置的影響大于轉彎半徑的影響，增大彎管直徑可以更顯著地減小水頭損失。彎管直徑為1400mm 的出水流道水力損失比1500mm的大49mm。

（4）設計流量工況下，采用的直型進水、彎型出水流道的平面S形泵裝置效率稍高于潛水貫流泵的裝置效率。

為了準確檢驗平面S形軸伸泵裝置的水動力性能，必須進行裝置模型試驗。試驗選擇防洪工程中使用最多的雙向泵站作為試驗對象，試驗葉輪采用雙向葉輪，正向工況下，模型最高裝置效率為65.5%，反向工況下模型最高裝置效率為55.2%。反向工況的汽蝕性能比正向工況的汽蝕性能差，當葉片角度為＋4°時最大臨界汽蝕余量Δh ＝9.78m，高于一般的采用單向葉輪的臥式泵的最大臨界汽蝕余量。預計單向平面S形軸伸泵裝置的最要效率和汽蝕性能都優于雙向平面S形軸伸泵裝置的。

5 機組運行情況及經驗

機組在各工況下試運行，正反向運行均平穩，反向電機功率大于正向電機功率，運行時機組噪音正常，且正向噪音略小于反向的，均與模型裝置試驗結果相符，機組運行各項性能指標均滿足規范要求。需提及的是采用雙向葉輪的平面S形軸伸泵裝置的反向汽蝕余量相對較大，故在采用雙向葉輪的平面S形軸伸泵的泵站，應盡可能降低葉輪中心線高程，并留有余地，使反向運行條件更優。在其中一座泵站機組試運行過程中發現水泵有異響，后經檢修發現是由于采用質量較差的彈性塑料軸瓦所致，更換水導軸承材料后水泵恢復正常，因此平面S形軸伸泵的水導軸承問題應引起重視。目前所有泵組已經安裝完畢，完成了試運行和并均通過驗收。

6 結語

城市防洪工程是保障城市安全的減災性工程，且每年運行歷時段短，而城市防洪工程的效益主要就是體現在其短暫運行期間內所發揮的防災、減災作用上。因此，在選擇作為城市防洪工程主要組成部分的排澇泵站泵型時，水泵運行的安全性、可靠性就成了主導因素。平面S形軸伸泵水力性能條件較好，裝置模型試驗效率較高，安全可靠、維修檢修方便，安裝過程簡單、便捷，試運行所有機組正、反向運行平穩，機組工作正常。據此平面S形軸伸泵已經應用于蘇州市城市中心區防洪工程的東風新、仙人大港、大龍港、胥江等7 座泵站，經過3～4年的運行，目前水泵使用情況均良好。

1 河海大學水電學院.蘇州市城市防洪工程東風新泵站裝置模型試驗研究報告［R］.2005.10.

2 河海大學.蘇州市防洪工程泵站水力特性及優化設計研究［R］.2005.6.