某排灌站泵裝置選型研究

郝美玲

(遼寧澤龍水利實業有限責任公司，遼寧 新民 110300)

1 工程背景

南河沿排灌站是盤錦市大洼區農業的重點水源骨干工程，該工程始建于1966年，1968年竣工運行，承擔大洼區2.33萬hm2水田灌溉和100.6km2排澇任務。南河沿排灌站建站以來，為大洼區農業和經濟發展做出了巨大貢獻。由于近50年的超負荷運行，加上1975年大地震的影響，泵站一直處于超期服役，帶病運行狀態，存在著嚴重的安全隱患，難以保障農業生產的需要。基于此，盤錦市積極籌措資金實施南河沿排灌站重建工程，工程總投資概算8222萬元，設計總裝機容量7000kW，過水流量為56m3/s，工程完工后，可有效提高大洼區水源提水能力，為農業與經濟發展提供更有利的水利保障。設計重建的南河沿排灌站屬于大(2)型水利工程，泵站等主要水工建筑物為1級，采用的是結構復雜、規模較大的直接擋水塊基型干式泵房，其結構型式的影響因素較多，因此做好泵站裝置的選型和設計工作十分重要[1]。

2 泵型比選研究

南河沿排灌站泵站的設計流量為56m3/s，揚程為0.5～4.2m，屬于典型的低揚程、大流量泵站。目前，可以選擇的泵型主要包括立式軸流泵、豎井貫流泵、斜式軸流泵、潛水貫流泵等[2]，對上述泵型的特征進行分析，結果見表1。

表1 不同泵型的主要特點

由于南河沿排灌站屬于典型的低揚程、大流量泵站，結合上表的分析結果，比較適用的無疑是斜式軸流泵和豎井貫流泵2種泵型。因此，對上述2種泵型在技術和經濟方面進行進一步的對比，以確定最佳泵型。

為了保證泵型比選的順利進行，保持4臺主泵數量不變，單泵的設計流量為15m3/s。對于斜式軸流泵，選擇4臺斜式軸流泵，同時配備高壓永磁同步電機，直接傳動方式；對于豎井貫流泵，選擇豎井管流泵，配備異步電機和齒輪箱。上述2種方案的具體參數見表2。

表2 2種泵型方案主要參數

從2種泵型方案的對比來看，斜式軸流方案的高效區范圍相對較寬，各種揚程工況均可以穩定運行，具有良好的汽蝕性能，運行安全穩定，便于檢修。同時，該方案的泵站主體結構相對比較簡單，具有較小的開挖深度，施工難度小，建設投資標準相對較低；豎井管流泵方案的泵裝置效率相對較低，同時需要將電機安裝在豎井內，不利于通風和散熱，同時運行期間的日常維護不方便，難度相對較大[3]。此外，該方案的泵房主體結構比較簡單，施工開挖的深度較淺，但是由于存在豎井結構，因此需要較大的流道凈寬，因此泵房的整體尺寸相對較大，建設投資水平相對較高。根據以上分析，在泵站的泵型選擇方面推薦斜井軸流泵方案。

3 主機泵臺數優選

根據工程設計，南河沿排灌站的設計流量為56m3/s。在確定泵站泵型的基礎上，進一步優選確定泵站機組的臺數就顯得尤為重要[4]。結合泵站的設計資料和我國已有的泵站建筑工程經驗，如果泵站機組的臺數較少，則占地面積相對較小，施工難度相對較低，比較適用于場地條件限制較大的場地和區域[5]。另一方面，泵站的土建規模相對較小，便于建成運行期間的維護。但是，如果泵站機組的數量較少，其缺點也是十分明顯的，主要是會影響到泵站調度的靈活性，如果某臺機組出現故障停機，就會對泵站的運行造成十分嚴重的影響[6]。此外，由于機組的數量較小，因此單機功率相對較大，在水泵電機啟動過程中會對供電設備造成較大的影響。顯然，如果泵站機組數量較多，上述優勢和劣勢就會轉換。由此可見，泵站主泵的數量確定需要綜合考慮各方面因素的影響，進行技術和經濟方面的綜合分析確定。此次研究中結合南河沿排灌站的實際和相關工程經驗，選擇3、4、5臺3種泵站主泵數量方案進行對比分析，結果見表3。

表3 不同主泵機組臺數方案對比

從表中的數據來看，設置3、4、5臺泵站主泵數量的水輪機轉輪直徑分別為2450、2200、1850mm。從當前的工程技術水平來看，其設計和制造均不存在技術方面的問題。當然，主泵、附屬設備以及配套的電氣工程設備的價格會隨著主泵數量的增加而增加。據估算，設置3臺主泵的投資水平最低，其次是4臺主泵，設置5臺主泵的工程投資水平最高。但是，設置3臺和4臺主泵的投資水平相差不大。因此，從工程的經濟性視角來看，設置3臺和4臺主泵的方案為較優方案。

從泵站運行調度方面來看，最佳方案為5臺主泵方案，4臺主泵方案次之，3臺主泵方案最差；從運行期間的維護管理視角來看，4臺主泵方案的機組大小適中，臺數相對而言也比較適中，泵站整體的檢修維護工作量較3臺主泵方案和5臺主泵方案都小。此外，由于南河沿排灌站沒有設計備用泵，考慮到泵站在農忙和汛期期間承擔比較繁重的灌溉和排澇任務，因此主泵的臺數也不宜過少。綜合上述分析，推薦泵站采用4臺主泵的設計方案。

4 水力模型及原型機組性能比選

根據泵站的揚程設計和流量的具體要求，經過對比和篩選，最終選擇同臺測試成果的TJ04-ZL- 06、TJ04-ZL- 07和TJ04-ZL- 23等3個不同的水力模型，結合相關工程經驗進行換算[7]。在換算過程中，通過保持揚程不變的方式加大流量選擇合適的水泵，各機組在泵站要求的最小流量、設計流量以及最大流量下的主要性能參數計算結果見表4[8]。從表中的計算結果可以看出，TJ04-ZL- 06、TJ04-ZL- 07和TJ04-ZL- 23等3個不同的水力模型均可以滿足泵站的運行要求。從3個模型的對比來看，以TJ04-ZL- 23水力模型換算獲取的原型泵在泵站的設計工況以及最大流量運行工況下可以獲得相對較高的效率，同時高效區的范圍相對較寬。因此，采用該水力模型時水泵無論是最大揚程還是最小揚程下運行，均可以獲得比較穩定的運行效果。從最大汽蝕余量的試驗結果來看，最優的是TJ04-ZL- 06，但是3個模型均可以取得良好的汽蝕性能，且相差不大。綜合上述分析，南河沿排灌站泵站主泵選取TJ04-ZL- 23水力模型，其原型泵的葉輪直徑為2200mm，轉速為169r/min。

表4 不同水力模型計算結果表

5 結語

大型低揚程泵站在平原地區的水利工程建設領域具有十分廣泛的應用，其設計和選型具有十分重要的理論意義和工程應用價值。此次研究結合相關理論和南河沿排灌站的實際情況，對泵站的泵型、主泵臺數、主泵的水利模型進行了比選研究，并獲得了合適的泵裝置模式，對泵站的設計和施工建設具有重要的支持作用和借鑒價值。當然，此次研究所獲的結論僅由工程實踐經驗和理論分析獲取，其工程應用效果如何還有待實踐檢驗的進一步論證。