通呂河泵站的泵裝置方案比選分析

王鐵力 ，劉 斌 ，蘇葉平 ，李 超 ，楊 帆

（1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2. 揚州大學，江蘇 揚州 225009）

1 工程概況

通呂運河水利樞紐工程泵站位于通呂運河下游入江口門處，泵站距長江口約2.2 km，泵站開挖高程:-3.00 ～ -10.45 m，工程總投資38 886.73萬元，土方工程總投資1 549.00萬元。泵站主要任務是在自流引江不能滿足區域用水需求時，利用泵站引水，以滿足供水區的用水需要，同時兼顧南通城區水環境和航道用水，以增加城區水源及水體的流動性，維持內河通航所需水位，改善區域水生態環境。泵站設計流量為100 m3/s，其運行水位組合及特征揚程見表1。

表1 泵站運行水位組合表 m

2 泵裝置的多方案比選

水泵的選擇和使用必須以泵站的流量和揚程為參考，立式泵的高度因其進水流道為雙層布置而較其他形式的泵更大，此外又需滿足文獻[1]中對出水流道淹沒深度的要求，所以必須加大開挖深度，土建投資也會相應增加。通呂河泵站的設計凈揚程為1.73 m，屬于特低揚程泵站，立式泵裝置應用于設計揚程低于3.00 m泵站時泵站效率較低，運行管理費用偏高，該泵站的設計不考慮采用立式泵裝置結構。

現有的研究成果表明，對于特低揚程泵站，宜采用開挖深度較小，操作簡單，運行管理方便，投資費用低且運行效率高的臥式機組泵型[2-5]。根據本泵站的特點，擬選取豎井貫流泵裝置、斜15°軸伸貫流泵裝置和燈泡貫流泵裝置3種不同結構型式的泵裝置進行技術和經濟2方面的比選。

（1）方案1:豎井貫流泵裝置。該泵裝置是當前廣泛應用于特低揚程泵站的裝置型式，機組的齒輪箱和電動機都放置于鋼筋混凝土結構的豎井內，且與泵機相連。泵裝置的流道結構形式較簡單，采用前置豎井流道的裝置機組的運行效率較高，泵裝置整體結構簡單，管理運行方便，開挖深度不大，投資費用相對較省。

（2）方案2:斜15°軸伸貫流泵裝置。該斜式軸伸貫流泵裝置不同于立式軸流泵裝置和臥式貫流泵裝置的結構型式，但其兼有二者的優點。具有投資少，安裝檢修容易，且水力性能較好，采用斜式貫流泵的泵站可依據不同揚程選擇不同的傾角，小傾角的斜式軸流泵適用于特低揚程的泵站。根據本泵站的特征揚程可選擇15°軸伸貫流泵裝置。

近年來，斜式軸伸貫流泵裝置開始被廣泛應用于中小型泵站工程中，發展時間相對較短，且斜式軸流泵的水導軸承受力情況更加復雜，國內的斜式軸流泵在水導軸承的運用上或多或少都出現過問題。水導軸承常出現偏心磨損，使用壽命短等問題，水泵運行有明顯振動，齒輪箱噪音也相對較大。

（3）方案3:燈泡貫流泵裝置。該燈泡貫流泵是一種泵身前段或者后端放置一個類似燈泡的裝置，它具有流道順直，水力損失小，泵裝置效率高，適合低揚程大流量的泵站使用。作為機組外殼的燈泡體淹沒在水下運行，因此對密封、冷卻及通風等均有近乎苛刻的要求，為了保證有較高的水力效率，燈泡體的尺寸也受到嚴格的限制，必須滿足一定要求的燈泡比。對于低揚程泵站，由于水泵轉速低，電機尺寸相對較大，燈泡比小了電機布置不下，燈泡比大了裝置效率會降低，故設計安裝具有一定難度。

3種方案設計工況下的裝置效率均大于60.00%，滿足GB 50625 — 2010《泵站設計規范》對設計揚程低于3.00 m泵站的裝置效率要求。從3種方案現有的裝置模型試驗效率看，軸伸貫流泵方案裝置效率略低，豎井貫流泵方案與燈泡貫流泵方案裝置效率基本接近。從3種方案的檢修情況看，燈泡貫流泵電動機位于燈泡體內，機組檢修較為復雜。從實際應用情況分析，3種泵裝置型式均存在安全可靠性問題，但影響泵站運行程度不同:①斜軸泵受力情況復雜，國內已建的運行時間較長的泵站均出現較多的軸承故障現象，短期內軸承故障仍將影響該泵型的應用。軸承故障點在明處，事前可預警，事后便于檢修，處置時間短。通呂河泵站需長期運用，且依據通呂河泵站設計的可靠性要求，該泵型不宜應用于該工程。②豎井貫流泵裝置的機電設備均設置于狹小的豎井內，安裝檢修略有不便，設備的散熱條件較其他2個泵裝置方案略差，但可通過一些有效的技術措施來改善散熱條件。③燈泡貫流泵的電動機位于燈泡體內，對密封、冷卻和通風的要求高，同時燈泡體的結構尺寸和強度設計要求也高，國內廠家技術還不夠成熟，南水北調已建成的燈泡貫流泵站都采用和國外廠家合作的方式進行，機組設計和主要部件的制造均由國外廠家完成，成本較高。

鑒于斜式軸流泵受力復雜，易發生故障，安全可靠性低，故排除此方案，對燈泡貫流泵裝置設計方案和豎井貫流泵裝置進行綜合比選。在這2種方案中，燈泡貫流泵裝置的機組運行可靠，水力性能較優，運行噪聲小，但機組的結構設計復雜，國內的生產廠家較少，結構主要部件需采用進口產品，安裝和維修也具有一定難度，設備價格高昂，相比需增加投資2 800.00萬元。而豎井貫流泵裝置雖然設備噪聲較大，但是機組的技術成熟、運行可靠，設備的生產周期短，生產廠家較多，對于設備的選擇，運行安全可靠、檢修維護方便是運行管理比較的重點。在這方面，豎井貫流泵較好，結合該工程的工期緊、施工周期短的特點，推薦采用豎井貫流泵裝置。

3 水力模型的選用

近年來，豎井貫流泵裝置被廣泛應用于特低揚程大流量泵站工程中，當前適合于特低揚程的泵裝置的水力模型主要有揚州大學的ZM25水力模型和江蘇大學的TJ04 - ZL - 07號水力模型，2種水力模型均在豎井貫流泵站工程有成功運用的實例[6]，如:ZM25水力模型在河海大學試驗臺所做的九圩港泵站裝置模型試驗結果見圖1，在揚州大學試驗臺所做的白茆塘泵站裝置模型試驗結果見圖2，TJ04 - ZL - 07號水力模型在揚州大學試驗臺所做的海河口泵站裝置模型試驗成果見圖3，在天津中水北方試驗臺所做的姚江西排引水泵站裝置模型試驗成果見圖4。為此，采用類似泵站工程的泵裝置模型試驗結果進行水力模型的優選，并給出合適的水泵葉輪直徑和轉速。

圖1 九圩港泵站模型裝置性能曲線圖

圖2 白茆塘泵站模型裝置性能曲線圖

圖3 海河口泵站模型裝置性能曲線圖

圖4 姚江西排引水泵站模型裝置性能曲線圖

4 水泵直徑和轉速的確定

初步選用海河口泵站TJ04 - ZL - 07號水力模型裝置性能曲線進行換算，換算后的真機葉輪直徑3.30 m，轉速108.0 r/min，該原型泵機組綜合特性曲線見圖5，選用九圩港泵站ZM25號水力模型裝置性能曲線進行換算，換算后的真機葉輪直徑為3.30 m，轉速110.0 r/min，其原型泵機組綜合特性曲線見圖6。

圖5 TJ04 - ZL - 07號水力模型原型綜合特性曲線圖

圖6 ZM25號水力模型原型綜合特性曲線圖

特征揚程下不同水力模型的真機性能參數見表2。

從圖5、6和表2可知:2種水力模型的效率和流量比較接近，但TJ04 - ZL - 07號水力模型的汽蝕性能相對較好，故暫優選TJ04 - ZL - 07號水力模型，下階段將通過設備招標最終確定水泵葉輪直徑和轉速。

表2 不同水力模型的真機性能參數表

根據表2中性能參數，在設計揚程下水泵軸功率為:

在最大揚程下水泵軸功率為:

主電動機的容量應按水泵運行可能出現的最大軸功率選配，并留有一定的儲備，儲備系數宜為1.10 ～ 1.05，齒輪減速箱效率取98.00%，則電動機功率為:N = 1.1×1 339/0.98 =1 503 kW。因此選用配套電機功率1 600 kW的8極異步電機，電機額定轉速為743.0 r/min，齒輪箱傳動比為i ≈ 6.88。

5 通呂運河貫流泵站泵裝置性能預測

5.1 模型貫流泵裝置性能預測

采用商業CFD軟件Fluent進行數值模擬，該模型泵裝置在+2°葉片安放角下，轉速1 173.0 r/min時，最高裝置效率為74.50%，在泵裝置設計總揚程1.98 m時（設計凈揚程1.73 m），模型泵裝置流量為0.295 m3/s，效率為71.70 %；在裝置最高總揚程3.67 m工況時（最高凈揚程3.42 m），流量為0.223 m3/s，效率為64.60 %。性能預測見圖7。

5.2 原型貫流泵裝置性能預測

圖7 模型貫流泵裝置性能預測圖

表3為根據通呂運河貫流泵站模型貫流泵裝置數值計算結果表，根據相似律對原型貫流泵裝置在特征揚程下的性能預測，原型貫流泵裝置在+2°葉片安放角下，轉速110.0 r/min時，對應于裝置設計總揚程1.98 m工況，流量為33.560 m3/s，滿足單機流量33.330 m3/s的設計要求，對應的裝置效率為71.70%；在裝置最大總揚程3.67 m工況下，對應的流量為25.370 m3/s。裝置效率為64.60%。

表3 通呂運河貫流泵站原型貫流泵裝置性能預測表

6 結 論

根據通呂河水利樞紐泵站揚程低、流量小的特點，選擇豎井貫流泵裝置、斜15°軸伸貫流泵裝置和燈泡貫流泵裝置3種常用的泵型作為泵站機組類型選擇的基礎，根據泵站運行時間、安全可靠性等方面進行綜合分析比較，排除斜15°軸伸泵方案，經經濟技術分析，燈泡貫流泵造價高昂，綜合考慮選擇采用豎井貫流泵裝置作為泵站的機組型式。通過對已建高效豎井貫流泵裝置機組的綜合性能曲線比對，優選TJ04 - ZL - 07號水力模型，并以此確定水泵的葉輪直徑為3.30 m，轉速為108.0 r/min。在葉片安放角+2°，設計揚程1.98 m時，泵裝置流量為33.56 m3/s，滿足單機流量33.33 m3/s的設計要求，對應的裝置效率為71.70%。

通呂河泵站的泵裝置方案比選、水力模型的選擇及機組技術參數的分析方法可為類似泵站的初步設計提供參考。