長距離有壓取水泵站水泵選型研究

范小娟，宋培培，夏玉寶

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州貴陽 550000）

在輸水工程中，泵站屬于重要的提水設備，合理的水泵設計將對整個工程調度、運行產生直接影響[1]；依據工程供水規(guī)模、輸輸管線布置確定泵站提水流量及泵站揚程；當泵站提水揚程變幅較大時，可采用機組變頻運行、選取多組水泵葉輪等方式以滿足工程的實際運行要求[2]。本文結合某工程泵站布置實例對水泵選型方案進行研究。

1 工程概況

某長距離有壓輸水工程從水庫取水，經13.5km的有壓取水線路至提水泵站，后接0.8km的泵站上水管至高位水池；泵站內設有水泵機組及自流管路及調流閥兩套系統(tǒng)。當水庫水位較高時，經泵站自流管路及閥門系統(tǒng)過水，通過閥門調節(jié)流量滿足供水要求；當水庫水位較低時，經泵站內水泵機組系統(tǒng)提水，滿足供水要求。

2 泵站基礎資料

2.1 泵站設計流量

工程年供水量為3450萬立方米，主要向某城市水廠供水，泵站設計流量為3.0m3/s。

2.2 水庫特征水位

最高運行水位 1145.0m設計運行水位 1145.0m最低運行水位 1120.0m

2.3 高位水池特征水位

設計運行水位 1135.0m

2.4 輸水線路系統(tǒng)水頭損失

表1 輸水線路系統(tǒng)水頭損失

2.5 機閥調度運行方式

當水庫水位在1145.0～1138.5m范圍內運行時，通過自流即可滿足供水要求，此時泵站內的水泵機組處于停機狀態(tài)，經自流調流閥過流通水；通過調節(jié)自流調流閥的開度，以滿足水庫不同水位時保證過流能力一定。

當水庫水位在1138.5～1135.0m范圍內運行時，自流流量不能滿足供水要求，此時需關閉自流調流閥，經機組提水至高位水池；水泵出口設有工作調流閥，水泵及工作調流閥聯動運行已保證機組安全穩(wěn)定。

當水庫水位在1135.0～1120.0m范圍內運行時，由于水庫水位均低于高位水池水位，需經機組提水至高位水池。

3 機組選型

3.1 機組基本參數

3.1.1 泵站特征揚程

依據水庫特征水位、高位水池特征水位、輸水線路系統(tǒng)水頭損失確定泵站特征揚程。

表2 泵站特征揚程

3.1.2 水泵機型選擇

水泵選型應遵循滿足供水流量要求、設備運行安全可靠、生產制造不受限制、安裝檢修方便等原則[3]。根據工程供水要求的揚程和流要求量，泵站選則臥式單級雙吸離心泵。

提水揚程范圍為0～19.0m，泵站揚程變幅大，為滿足供水流量要求及機組穩(wěn)定運行，機組采用變頻調速方式運行。對于變頻運行水泵機組，變頻宜從高揚程調至低揚程，以避免電機超頻運行，所以水泵設計揚程即為最大揚程為19.0m。

3.1.3 泵站機組臺數

工作泵臺數需根據工程規(guī)模、建設內容等進行技術經濟比較后確定，備用泵臺數根據工程重要性、運行條件及年運行時間確定。在泵站選取水泵機組臺數時，水泵臺數越多，則泵站靈活性越高，調節(jié)性能越好，工程供水系統(tǒng)的可靠性越高，但工程投資越大；因此，泵站工作泵及備用泵臺數的選擇需綜合考慮泵站建設投資費用、運行費用、設備制造水平及運輸條件限制、水泵運行可靠性及靈活性等因素[4]

工程受水對象近期供水規(guī)模為20萬噸/天，遠期供水規(guī)模為25萬噸/天；即近期輸水流量為2.386m3/s，遠期輸水流量為2.983m3/s；結合水泵生產制造水平，考慮重要供水泵站工作泵臺數多于3臺時，宜設置2臺備用泵；工作泵臺數3臺及3臺以下時，宜設置1臺備用泵；初選4用2備、3用1備兩種方案進行比較。

表3 臺數比較

綜合比較設備投資、泵房尺寸、調度管理等因素，推薦投資較優(yōu)的方案二，即3用1備方案。

3.1.4 水泵機組性能參數

泵站特征揚程為19～20m，揚程相對變幅達100%；常規(guī)變頻機組揚程相對變幅僅達到30%，故設備廠家生產制造能力有限，水泵泵型難以適應工程水位變化，水泵選型受限。根據泵站揚程變幅情況，考慮將泵站揚程分段，設置不同揚程段的水泵機組（相當于采用水泵葉輪切割），或采用變頻調速運行方式加水泵出口進行調流。若考慮泵站揚程分段，則需設置兩套機組，廠房尺寸增加較大；本工程推薦選用變頻調速運行方式加水泵出口設工作調流閥。

在確定水泵參數時，考慮泵站水泵的揚程變幅達到19m，機組采用變頻運行方式，水泵穩(wěn)定運行最低揚程盡可能接近泵站最低揚程，綜合分析各制造廠的資料，宜采用Q-H變化較陡的曲線。

水泵穩(wěn)定運行最低揚程為3.5m，則當水庫水位位于1135.0～1138.5m時，泵站提水揚程均小于3.5m，此時需調節(jié)水泵出口調流閥開度，以此增大水泵揚程，保證機組穩(wěn)定可靠運行。

3.2 水泵閥門選擇

為保證單臺機組檢修時不影響其他機組正常運行，在每臺水泵進出口各設置一臺電動檢修閥門，考慮機組運行時過流通道水流順暢，進出水側檢修閥門均采用全通徑的偏心半球閥。

泵站特征揚程變幅較大，考慮水泵揚程選型受限，水泵出口設置出口調流閥進行調節(jié)，增加水泵的實際運行揚程，滿足實際的供水規(guī)模。

3.3 配套電動機選擇

電動機結構類型分為同步電動機和異步電動機[5]，其中異步電動機分為鼠籠式異步電動機和繞線型異步電動機[6]。參考已建泵站設計經驗，電動機選用繞線型異步電動機。

電動機配套功率需根據水泵特性曲線、機組并聯運行特性曲線及裝置曲線確定不同工況下機組工作點，并計算各工況點下的最大軸功率進行確定。本泵站大泵的最大軸功率為322kW，考慮一定的安全系數，結合電動機型號參數資料，推薦電動機功率為280kW。

3.4 機組安裝高程選擇

水泵的安裝高程應按水庫為最低運行水位時，滿足不同工況下水泵允許吸上真空高度Hs確定。水庫最低運行水位1120.0m，經計算Hs為-0.8m；考慮水泵最小淹沒深度，結合水工布置，水泵安裝高程為1110.0m。水泵型式為單級雙吸臥式離心泵，水泵進出水管中心線距水泵安裝高程為550mm，水泵進出水管中心線高程為1109.45m。

3.5 輔助設備選擇

為泵站檢修方便、運行管理安全，配備有相應的輔助系統(tǒng)。

（1）主廠房起重機。為了滿足安裝及檢修的需要，主廠房設電動雙梁橋式起重機一臺，起吊最重件為自流管路上的自流活塞閥，其重量為18.5t，選用的起重機型號為GD20/5t，起重機跨度為15.0m。

（2）技術供水系統(tǒng)。機組配套電動機選用繞線型異步電動機，電動機功率相對較小，采用強迫風冷，故不在單獨設置技術供水系統(tǒng)。

（3）排水系統(tǒng)。排水系統(tǒng)包括廠房內部滲漏排水和機組檢修排水兩，本工程共用一個集水井，設置2臺排水泵。機組檢修時，2臺工作；滲漏排水時，1臺工作，1臺備用。

（4）水力測量系統(tǒng)。機組段測量：每臺水泵進/出水側各設1支壓力變送器、1支壓力表，工作閥前/后各設1支壓力變送器，工作閥后設1支壓力表；監(jiān)測各部位壓力變化值；在泵站出口總管裝設1套超聲波流量計，監(jiān)測泵站出口管道流量。全廠性測量：水庫及高位水池各設置2套液位變送器。

（5）初啟動充水系統(tǒng)。為了機組平穩(wěn)啟動，通過出口液控調流調壓活塞閥結合變頻電動機啟動給水泵出口水管充水。

4 結語

本文針對某長距離有壓取水工程的布置特點及供水要求，結合水泵、電動機、閥門等設備的發(fā)展水平及制造工藝能力，總結工程水泵機組及閥門選型原則和調度運行方案。

（1）機組臺數及單泵流量的選擇，需綜合考慮供水要求、機組設備制造能力、工程布置及工程投資等因素。

（2）泵站揚程變幅較大且供水要求保證較高時，機組常需考慮變頻運行方式；泵站揚程相對變幅超過30%且機組選型受限時，可設置不同揚程段的水泵機組，或采用變頻調速運行方式加水泵出口進行調流。

（3）工程考慮自流及水泵機組提水兩種工況，需確定各工況的邊界條件，做好調度運行方案，滿足工程供水要求。