淺析潛水貫流泵在大型泵站中的應用

戴明亮

（上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司，上海市 230031）

1 工程概況

安徽省懷寧縣中興河閘站抽排設計流量55.0 m3/s，設計揚程2.6 m，共安裝6 臺潛水貫流泵，總裝機功率4260 kW。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252—2017）和《泵站設計規范》（GB 50265—2010）規定，確定中興河泵站工程等別為Ⅱ等，大（2）型泵站，站前閘、站身、出水涵等主要建筑物級別均為2 級。

2 泵站機組選型

本站為大型泵站，因機組較大，機組及結構布置對站身基礎的整體性和穩定性要求高，通常采用塊基型泵室。為確保項目建成后排澇效益優越、結構穩定安全、運行管理方便，在站身總體布置上，宜將堤后式布置作為首選方案。

考慮潛水泵具有安裝快捷方便、上部土建結構較為簡單、運行對周圍環境影響較小等特點，且安慶地區已建泵站多數采用潛水泵，對該型泵的運行維護經驗相對較為豐富，對站身機組布置結合土建進行綜合比較，選擇6 臺潛水軸流泵與6 臺潛水貫流泵兩種機組布置方案進行比選。

2.1 方案一：6 臺潛水軸流泵布置方案

選用6 臺1600QZ-100 潛水軸流泵，配YQGN 1180-20 型電機，單機容量710 kW，總裝機容量4260 kW。泵室采用正向進、出水，7 臺水泵機組在平面上呈一列式布置。根據水泵進出水流道的長度、水泵的尺寸及安裝檢修等要求，站身順水流向長30.0 m，垂直水流向長30.6 m。泵室采用簸箕形進水流道，泵室底板高程3.70 m，出水流道采用蝸殼式，出水中心線高程11.5 m，泵室檢修層高程16.8 m，如圖1、圖2 所示。各流道進口設置檢修閘門，出口設置快速事故閘門。

圖1 潛水軸流泵剖面圖（單位：mm）

圖2 潛水軸流泵平面布置圖（單位：mm）

2.2 方案二：6 臺潛水貫流泵布置方案

選用6 臺1540GZBW 型潛水貫流泵，配YQGN 850-6 型電機，單機容量630 kW，總裝機容量4260 kW。6 臺機組在平面上呈一列式布置，根據水泵進出水流道的長度、水泵的尺寸及安裝檢修等要求，站身順水流向長29.0 m，垂直水流向長33.2 m。泵室采用直管式進、出水流道，泵室底板高程6.5 m，進、出水中心線高程8.0 m，如圖3、圖4 所示。流道進口設置檢修閘門，出口設置快速事故閘門。

圖3 潛水貫流泵剖面圖（單位：mm）

圖4 潛水貫流泵平面布置圖（單位：mm）

上述方案布置功能上均滿足設計要求，現對比分析如下：

（1）工程布置方面

方案一、方案二排澇引渠、進水閘、排澇涵洞結構尺寸均相同，前池、站身和壓力水箱結構尺寸變化較大。平面布置上，兩個方案泵室結構布置都比較緊湊，方案一機組總布置寬度略小，但順水流向長度略大。豎向高程上，方案一底板底高程較方案二抬高了2.3 m，兩方案底板均坐落在⑥1層全風化巖層。方案一由于泵室底板開挖較深，導致前池、壓力水箱開挖都較深，與上下游銜接長度加長。

因此，在工程布置方面，方案二優于方案一。

（2）工程施工方面

方案一由于基礎開挖較深，位于⑥1層全風化巖層以下3 m，施工降水、基坑支護等施工難度較大，且泵室內部進、出水流道結構復雜，泵室施工立模、混凝土澆筑難度相對較大。同時，方案一前池、壓力水箱等施工難度也進一步加大。

方案二泵室結構相對簡單，且基礎開挖較淺，泵室混凝土澆筑總量相對較小，總體施工難度相對較小，施工進度易控制。同時，方案二前池、壓力水箱等施工難度也降低。

因此，在工程施工方面，方案二優于方案一。

（3）機組裝置效率方面

方案一、方案二規劃設計條件相同，水泵裝置[1]型式不同。根據廠家提供資料，方案一、方案二水泵運行效率分別為87.6%、86.4%，兩種方案設計凈揚程均為2.3 m，在進出水建筑物相同的前提下，方案一流道水頭損失大于方案二，從而方案一的管路效率小于方案二。經計算，方案一、方案二的總裝置效率約分別為63.3%、75.0%。方案一的總裝置效率低于方案二。

因此，在機組裝置效率方面，方案二優于方案一。

（4）運行維護管理方面

兩種方案均為潛水泵，僅僅是裝置方式不同，機組均為整體集成式，運行調度都比較靈活，維護管理相對簡單。對于潛水泵，機組安裝可不設廠房，通過吊車直接吊裝；機組應定期進行維護，檢修直接運送至廠家進行返修。

（5）工程投資方面

兩個方案的機組布置不同，對主體建筑工程、主機設備、金屬結構等方面的工程量影響較大，各方案可比投資見表1。從可比投資看，方案一總體土建工程量較大，方案二較省。

表1 潛水軸流泵與潛水貫流泵方案投資對比

綜上所述，方案二6 臺潛水貫流泵機組布置方案較優，泵房基礎開挖深度較淺，工程施工方便，機組運行效率較高，投資相對較省，工程管理方便。因此，本次設計推薦6 臺貫流泵機組方案。

3 運行效率分析

對泵站的整個流道劃分計算模型時，將流道分為三個部分來進行數值模擬，分別為潛水貫流泵葉輪前部的進水流道段、從潛水貫流泵導葉后部到拍門后一段的出水流道段，以及三臺泵出水最后匯合的匯入段。其中，由于匯入段前三臺潛水貫流泵的布置方式與尺寸相同，進水流道段和出水流道段只進行單臺泵的計算，簡化計算過程。

泵站中的潛水貫流泵進水流道段、潛水貫流泵出水流道段及匯入段的計算邊界條件均設置為速度進口條件和壓力出口條件[2]。進水流道段和出水流道段的計算流量按一臺泵的設計流量9.63 m3/s 來計算，匯入段的計算流量為三臺泵的總和，經計算進水流道的入口速度為0.8025 m/s，出水流道的入口速度為4.2338 m/s，匯入段的入口流速為0.40125 m/s（見圖5 至圖7）。

圖5 進水流道段截面速度分布圖

圖6 出水流道段截面速度分布圖

圖7 匯入段截面速度分布圖

泵站流道的數值模擬[3]，分別計算得到了各段的水力損失，結果如下：進水流道段，h1 損為0.0508 m；出水流道段，h2 損為0.1013 m；匯入段，h3 損為0.0371 m。由于三臺潛水貫流泵為并聯，單位質量的液體在泵站中流動的總水力損失等于部分損失之和，即h 總損=h1 損+h2 損+h3 損=0.1892 m。

由此可見，整個泵站流道的損失都較小，在葉輪提供的揚程足夠的情況下，機組運行參數可以滿足要求。其中，出水流道段由于液體速度較快，以及拍門處面積的突然擴散，水力損失相對于其他部分稍大。

4 結語

綜上所述，針對安徽省懷寧縣中興河閘站設計流量大、揚程低的特點，經設計分析比較，選用了潛水貫流泵裝置型式，并通過模擬仿真分析對水泵結構進行了優化。泵站機組布置結構簡單，開挖深度小，進、出水流道水力性能好，可在較低揚程下獲得75%以上的裝置效率。由此可見，采用較優的機組型式和土建結構，使水泵在特低揚程下，裝置效率能達到較高的水平。該泵型在沿海地區應用較多，目前在沿江地區應用相對較少。本項目的實施對推動大型潛水電泵技術在江淮山丘地區應用具有重要意義。