新疆某泵站機(jī)電設(shè)備選型

摘 要：新疆某大型泵站工程具有高揚(yáng)程、大流量的特點(diǎn)，鑒于此，在已有研究資料的基礎(chǔ)上開(kāi)展該泵站機(jī)電設(shè)備選型的研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)部分類(lèi)似泵站的機(jī)電設(shè)備選型設(shè)計(jì)，通過(guò)計(jì)算和分析，合理確定機(jī)電設(shè)備的主要參數(shù)，為機(jī)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，為今后其他類(lèi)似泵站機(jī)電設(shè)備選型設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)電設(shè)備;水泵;電動(dòng)機(jī);閥門(mén);水力監(jiān)測(cè);選型

中圖分類(lèi)號(hào)：TV675? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）10-0068-03

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

1? ? 泵站基本設(shè)計(jì)參數(shù)

泵站位于水庫(kù)附近，從水庫(kù)取水，揚(yáng)水至出水池。泵站設(shè)計(jì)供水流量為3.5 m3/s，年運(yùn)行4 080 h。泵站輸水管路為一根，主管直徑1.8 m，長(zhǎng)度約72 km。

進(jìn)水池水位（水庫(kù)）：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(jī)參數(shù)的選擇

2.1? ? 水泵臺(tái)數(shù)選擇

水泵臺(tái)數(shù)的選擇應(yīng)考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性，在滿(mǎn)足運(yùn)行靈活性的前提下，臺(tái)數(shù)越少越經(jīng)濟(jì)，可以減少設(shè)備和土建投資。工作泵的臺(tái)數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)行靈活性，備用泵臺(tái)數(shù)應(yīng)考慮供水的重要性和年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，并滿(mǎn)足機(jī)組正常檢修或事故時(shí)的流量要求。

泵站設(shè)計(jì)流量不大，采用1臺(tái)或2臺(tái)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(jī)組3臺(tái)及3臺(tái)以下時(shí)，宜設(shè)1臺(tái)備用機(jī)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(tái)工作泵方案主要設(shè)備重量要輕，相應(yīng)設(shè)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(tái)工作泵方案，單泵流量偏大，運(yùn)行不靈活且備用泵容量偏大，造成設(shè)備閑置浪費(fèi)。另一方面，泵站出水池為水池，不具備調(diào)蓄能力，采用2臺(tái)工作泵可以更好地適應(yīng)流量變化，運(yùn)行較為靈活。

綜上，水泵臺(tái)數(shù)采用3臺(tái)，2臺(tái)工作，1臺(tái)備用。

2.2? ? 水泵型式選擇

水泵揚(yáng)程在100 m左右，采用技術(shù)成熟、性能先進(jìn)的水平中開(kāi)單級(jí)雙吸離心泵最為合適。由于水泵為臥式布置，水泵和電機(jī)可以布置在同一層，設(shè)備的維護(hù)與檢修方便，設(shè)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(yáng)程H

水泵揚(yáng)程應(yīng)基于泵站進(jìn)、出水池的運(yùn)行水位高差，并計(jì)入管道水力損失確定。

水庫(kù)是一個(gè)年調(diào)節(jié)水庫(kù)，水位變幅較大，相應(yīng)水泵揚(yáng)程的運(yùn)行范圍也較大，為保證泵站全年都能取得設(shè)計(jì)流量，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)采用最大揚(yáng)程。根據(jù)進(jìn)水池（水庫(kù)）最低運(yùn)行水位483 m，出水池最高運(yùn)行水位514 m（進(jìn)、出水池的最大水位高差31 m），管路水頭損失73 m，計(jì)算水泵最大揚(yáng)程為104 m，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程亦為104 m。

水泵運(yùn)行特性曲線如圖1所示。最大揚(yáng)程或設(shè)計(jì)揚(yáng)程下的管路特性曲線方程為H=31+5.96Q2，根據(jù)預(yù)估的水泵性能曲線可以得出：2臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，流量Q=1.75 m3/s，揚(yáng)程H=104 m;單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，流量Q=

2.25 m3/s，揚(yáng)程H=61.2 m。

水泵最小揚(yáng)程根據(jù)進(jìn)水池（水庫(kù)）最高運(yùn)行水位500 m，出水池最低運(yùn)行水位507 m（進(jìn)、出水池的最小水位高差7 m）計(jì)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(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，流量Q=1.85 m3/s，揚(yáng)程H=88.6 m;單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)，流量Q=2.5 m3/s，揚(yáng)程H=44.3 m。

由此可以看出，2用1備方案下，單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)流量的變化幅度在40%以上，揚(yáng)程的變化幅度在50%以上，水泵將產(chǎn)生非常嚴(yán)重的汽蝕、效率下降和電動(dòng)機(jī)過(guò)載等問(wèn)題，嚴(yán)重影響水泵的安全、穩(wěn)定與高效率運(yùn)行，因此需采用變頻調(diào)速裝置，降低水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速，將水泵流量限制在允許范圍內(nèi)。

2.3.2? ? 水泵轉(zhuǎn)速n和比轉(zhuǎn)速ns

水泵轉(zhuǎn)速應(yīng)保證水泵在獲得較高平均效率的同時(shí)又具有良好的汽蝕性能。

汽蝕比轉(zhuǎn)速系數(shù)計(jì)算公式：

C=5.62n■/（NPSHr0.75）

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

對(duì)雙吸泵，流量應(yīng)取1/2，揚(yáng)程100 m段水泵必需汽蝕余量NPSHr可以取7 m，經(jīng)計(jì)算水泵轉(zhuǎn)速可以達(dá)到900 r/min以上，確定采用同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min，相應(yīng)異步轉(zhuǎn)速為980 r/min。

比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

ns=3.65n■/H0.75

采用980 r/min轉(zhuǎn)速，相應(yīng)水泵比轉(zhuǎn)速為103 m·kW，在水泵效率較優(yōu)的范圍內(nèi)。

2.3.3? ? 水泵效率η0

按國(guó)內(nèi)目前同類(lèi)型水泵制造的先進(jìn)水平，水泵設(shè)計(jì)點(diǎn)效率η0應(yīng)達(dá)到88%以上。

2.3.4? ? 水泵安裝高程

水泵的安裝高程應(yīng)滿(mǎn)足在進(jìn)水池水位最低時(shí)，不同工況下水泵對(duì)必需汽蝕余量NPSHr的要求，保證水泵不產(chǎn)生有害的汽蝕。當(dāng)泵站有壓取水口檢修時(shí)，需要采用水庫(kù)附近的無(wú)壓放水池取水，這時(shí)的水位應(yīng)為進(jìn)水池最低運(yùn)行水位;水泵運(yùn)行的最不利工況為單臺(tái)水泵運(yùn)行。

水泵安裝高度計(jì)算公式：

Hsz=Pa/ρg-Pv/ρg-NPSHa-Δhs

當(dāng)?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(tái)水泵運(yùn)行，水泵必需汽蝕余量NPSHr為7.7 m，考慮水質(zhì)為清水，裝置汽蝕余量NPSHa按1.2倍NPSHr考慮，為9.2 m，經(jīng)計(jì)算水泵葉輪入口邊高點(diǎn)的最小淹沒(méi)深度為-2.9 m。

無(wú)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(jìn)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(jì)算公式為：

N=9.81QH/η

由此計(jì)算，水泵設(shè)計(jì)軸功率為2 029 kW。

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

由此計(jì)算，水泵最大軸功率為2 217 kW。

2.4? ? 電動(dòng)機(jī)選型

電機(jī)采用三相交流異步調(diào)速電動(dòng)機(jī)，空—空冷卻方式，S1工作制（長(zhǎng)期運(yùn)行拖動(dòng)水泵負(fù)載），防護(hù)等級(jí)為IP54。電機(jī)額定功率應(yīng)在水泵全部運(yùn)行范圍內(nèi)不超載，按水泵的最大設(shè)計(jì)軸功率的1.1倍確定。

電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：額定功率2 500 kW，額定轉(zhuǎn)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(jī)電設(shè)備

（1）水泵進(jìn)、出口閥門(mén)。水泵進(jìn)水管道流速按1.5 m/s考慮，管道直徑DN1 200 mm。水泵進(jìn)口設(shè)置檢修閥，采用電動(dòng)蝶閥，直徑DN1 200 mm，公稱(chēng)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(shè)置工作閥和檢修閥。工作閥采用多功能水力控制閥，閥門(mén)直徑DN1 000 mm，公稱(chēng)壓力1.6 MPa，可以滿(mǎn)足離心式水泵閉閥啟動(dòng)和兩階段關(guān)閉防水錘要求。檢修閥采用電動(dòng)蝶閥，直徑DN1 000 mm，公稱(chēng)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(jìn)水管吸水，經(jīng)消防水泵加壓后送至消防總管。消防水泵設(shè)置2臺(tái)，1臺(tái)工作、1臺(tái)備用。水泵參數(shù)：Q=90 m3/h，H=50 m。

（3）排水系統(tǒng)。主泵房?jī)?nèi)設(shè)置集水井，用以收集泵房滲漏水、設(shè)備和管路漏水等，水井有效容積為3 m3，設(shè)置2臺(tái)潛污泵（1臺(tái)工作、1臺(tái)備用），水泵流量10 m3/h，揚(yáng)程10 m。

（4）起重設(shè)備。最大起吊重量按水泵整體或電機(jī)整體起吊考慮，電動(dòng)機(jī)重量約為15 t，主泵房?jī)?nèi)設(shè)置1臺(tái)20/5 t單小車(chē)橋式起重機(jī)。

（5）水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為滿(mǎn)足水泵機(jī)組正常和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，泵站設(shè)置以下監(jiān)測(cè)項(xiàng)目：1）主水泵進(jìn)、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(jì);3）振動(dòng)擺度：8點(diǎn)/每臺(tái)機(jī)。

4? ? 機(jī)電設(shè)備布置

主泵房布置3臺(tái)泵組及附屬設(shè)備，機(jī)組間距10.5 m，順?biāo)较蛴叶瞬贾?個(gè)檢修安裝間，長(zhǎng)度9.9 m。泵房總長(zhǎng)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(shè)備層？犖466.90 m，橋機(jī)軌面高程為？犖480.75 m。

5? ? 主要機(jī)電設(shè)備清單

主要機(jī)電設(shè)備清單如表2所示。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

泵站機(jī)電設(shè)備的選擇直接影響到泵站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和今后運(yùn)行的安全可靠性。水泵主要技術(shù)參數(shù)的選擇應(yīng)在確保機(jī)組穩(wěn)定可靠的前提下，使水泵的性能較為先進(jìn)，符合國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平，而且各機(jī)電設(shè)備之間達(dá)到總體的最優(yōu)配合。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 泵站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50265—2010[S].

收稿日期：2022-03-01

作者簡(jiǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)工作。