中小型電排站排水泵站設計選型探討

莊 馨

（江西省卓泓水利建設有限公司,江西 南昌 330000）

近年來,南昌市紅谷灘新區作為南昌市城市近年發展的重點區域,城市化進展迅速,沙井片區區域內設有市委市政府及相關下屬行政單位、大量的新興高檔住宅區、企事業辦公大樓及配套生活設施,區域重要性不言而喻。近幾年,城區內澇頻發、水體污染,造成明顯經濟損失、環境破壞和社會影響,如何提高紅谷灘新區的排澇能力、改善水系水環境、保障區域內各項設施的安全,增強烏沙河的景觀價值,體現城市個性與魅力,是一項重要課題。本文以衛東電排站項目為切入點,重點通過技術、經濟比較,科學合理選擇電排站的泵站設計、設備選型。

1 現狀情況

南昌市沙井治澇區位于贛江左岸的昌北城區,屬紅谷灘新區中的沙井治澇區。沙井治澇區地處烏沙河右岸與贛江左岸之間的臺階地,地勢平坦低洼,主要依靠沿江大堤和豐和聯圩保護。沿江大堤為Ⅰ級堤防,設計防洪標準為防御贛江100 年一遇洪水。豐和聯圩堤防,設計防洪標準分別為Ⅱ級堤防、50 年一遇洪水。

根據《南昌市城市防洪規劃報告（修編）》《江西省南昌市昌北城區烏沙河綜合整治工程可行性研究報告》以及市政建設雨水排放情況,豐和電排站主要承擔排水面積范圍為：東起豐和大道,西至豐和聯圩,南起南昌大橋引線,北至廬山南大道,另有部分紅谷灘中心區一路、二路周邊面積匯入本區域,總匯水面積為7.95 km2（扣除豐和立交直接排入贛江部分面積）。

現狀豐和電排站由老站和新站兩站組成,老站裝機規模930（6×155）kW,排水能力為7.36 m3/s。新站于2014年建成,裝機規模1000（4×250）kW,設計排澇流量9.58 m3/s。沙井治澇區現有總排澇流量16.94 m3/s,總裝機規模為1930 kW。治澇區內設置有100 畝（0.0667 km2）的澇水調蓄區,起調水位為16.50 m,最高蓄澇水位17.50 m,調蓄水深為1.0 m；相應的調蓄容積為6.67 萬 m3。

經過2014 年豐和電排站擴機后,區內治澇能力得到大的提高,但在近年的運行中,暴雨期間仍存在路面與低洼處積水的問題,尤其是豐和立交與衛東立交等低洼處積水嚴重,澇漬問題時有發生,現有治澇裝機規模不能滿足區域排澇需要,影響當地人們生活生產與正常出行。經分析,仍常常出現澇漬問題的原因主要有：①區域蓄澇率小,即調蓄容積所占比例小。區域內設置的調蓄區僅100 畝,調蓄容積為6.67萬 m3。蓄澇率僅為0.977萬 m3/km2,與昌南城區比較,蓄澇率偏小較多,昌南城區的青山湖、象湖、艾溪湖等區域的治澇率均在4.5萬m3/km2～10 萬 m3/km2之間。在南昌市城市治澇設計中,一般采用平均排除法確定設計排澇流量,從該方法的定義與排澇過程比較可知,當設計排水歷時內的來水大于排澇能力時,該部分水量將滯留區域內,而當區域內調蓄容積較小時,不可避免的在低洼區域內產生澇漬現象。②匯水面積變化：在原設計中,南斯友好路上的兩座立交（衛東立交、昌九高速路立交）以南面積和昌九高速西北側的紅谷十二庭部分面積未考慮進來。根據市政排水規劃安排,該部分面積來水將匯入沙井治澇區,因此,區域內匯水面積從原來的6.83 km2增大到7.95 km2,增加1.12 km2。

沙井治澇區是昌北中心城區的核心區,防洪治澇要求高,現有豐和電排站裝機規模已不能滿足該區域的治澇要求。為確保沙井治澇區的排水、排澇安全,盡快實施豐和電排站的擴建,滿足城市發展要求是十分必要的。

2 工程規模

根據排水規劃及相關資料計算,沙井治澇區總排澇流量為40.4 m3/s,現有豐和新、老電排站設計排澇能力16.94 m3/s,需新增排澇能力23.46 m3/s,本次擴建的衛東電排站排澇流量比之前增加了6.52 m3/s。

3 主要設計參數

衛東電排站是一座以電排與自排相結合的排澇泵站,根據有關專業提供的資料,電排站的主要設計參數見表1。

表1 電排站主要設計參數表

3.1 水泵選擇

本泵站水泵運行揚程在9.0 m以下,具有較大的排澇流量,宜選擇立式與潛水軸流泵。經初步比較分析,適合本站的泵型有：立式軸流泵的型號分為1200ZLB-85型、1400ZLB-70型；潛水軸流泵的型號分為1400QZB-70型、1200QZB-85型、1600 QZB-70型。為確定最佳方案,需對技術、經濟進行對比,有不同方案的各項指標見表2。

從表2中可以看出：

表2 衛東電排站（擴建）各方案技術經濟指標一覽表

（1）泵型比較

立式軸流泵與潛水軸流泵是比較常見的泵型,見表中方案一、方案二、方案三。

方案一、方案二均為立式軸流泵方案,只是臺數分別為6臺和4臺,從綜合經濟指標來看方案二優于方案一。

以技術為視角,以本身特點出發,方案三與方案二比較,采用方案三的潛水泵方案是機電一體化產品,不僅技術方更加先進,還具有緊湊的結構與較低的噪聲,流道中布置電機,在水體作用下將電機熱量帶走,具有良好的冷卻效果。同時,機組預埋件少,安裝簡單,可縮短安裝工期；運行維護工作量小,設備控制相應簡單,水泵電機層布置在地面以下,不設地面廠房,有利節省土建投資。且建設方現有前湖電排站、雙港電排站、新豐和電排站均為潛水軸流泵,管理及維修更有經驗。

方案三與其方案二相比,從經濟指標出發,能有效節省投資45.38萬元,相比于方案二能節省26.85 萬元。

通過方案對比,發現方案三優勢更加明顯,具有較低的成本、技術優勢顯著,所以采取潛水軸流泵方案。

（2）臺數比較

在選定潛水軸流泵方案三泵型的基礎上對裝機臺數進行比較,由于目前國內已投入運行的潛水軸流泵最大口徑只能做到1600 mm,因此選用3、4、6 臺方案進行比較,見表中方案三、方案四、方案五。

從綜合經濟指標出發,方案三與方案四進行比較,發現雖然方案三比方案四增加土建投資23.66 萬元,但節省機電投資78.4萬元,總投資節省54.74萬元。另外,《泵站設計規范》（GB 50265-2010）要求主泵臺數宜為3～9臺,方案四臺數偏多。

從綜合經濟指標出發,方案三與方案五相比,雖然方案三比方案五增加土建投資20.7 萬元,但節省機電投資109.6萬元,總投資節省88.9 萬元。但從水泵的生產和使用情況看, 方案三的泵型運行使用較多,而方案五的泵型直徑和功率都較大,目前有生產能力的廠家和用戶均較少。

綜上所述,方案三比其它方案優越,故本階段衛東電排站推薦采用方案三,即4臺1400QZB-70型潛水軸流泵,配套異步電機型號為YQGN630/16P。1400QZB-70型潛水軸流泵性能曲線見圖1。

圖1 1400QZB-70型潛水軸流泵性能曲線

3.2 水泵安裝形式、水泵安裝高程及進水流道型式的選擇

對于水泵口徑1.2 m以上的軸流潛水安裝形式宜采用混凝土井筒結構,混凝土井筒式結構與鋼制井筒式結構相比,具有結構穩定、機組運行震動及噪音小等優點。本階段推薦采用混凝土井筒結構。

泵站最低運行水位內水位、葉輪中心線淹沒水深分別為15.00 m、1.5 m,確定葉輪中心高程13.50 m。葉輪中心至喇叭口高差為0.8 m,喇叭口懸空高1.2 m,考慮0.1 m富余,確定泵房底板高程為11.40 m,同理確定,出口處拍門中心高程18.40 m。根據1400QZB-70型潛水軸流泵的需求,后接1.6 m×1.8 m雙節浮箱式拍門,具體布置、詳細尺寸、高程等情況詳見附圖。

對于水泵流道選擇來說,一般根據名義排出口徑的大小來選擇流道進口或喇叭口進水。一般來講,名義出水口大于1200 mm以上機組適宜流道進水口,流道進水與喇叭口進行相比,具有改善水力性能,提高機組效率和減少泵組間距等優點。進水流道一般可采用肘型和簸箕型兩種型式,這兩種流道的水力性能相當,但簸箕型流道高度比肘型流道低,可抬高底板高程,減少了開挖工程量,節省土建投資。本階段推薦采用簸箕型流道。

3.3 機組暫態分析

本泵站采用壓力水箱加箱涵出水,水泵停機時,為了防止大量水體倒灌引起水泵長時間反轉,采取了在水泵出水管出口處設1.6m×1.8m雙節浮箱式拍門的措施。另外,為了改善泵組起停特性,在拍門前管路最高處設置DN250 的進排氣管。

綜上所述,衛東電排站所需1400QZB-70 型潛水軸流泵與YQGN630/16P型異步電動機均為4 臺,配套功率630 kW；采用鋼筋砼井筒式結構,進水流道為簸箕型流道。

水泵及配套電機的主要性能參數見表3。

表3 水泵及配套電機的主要性能參數

3.4 輔助機械設備

根據有關廠家提供的設備重量和設備布置要求,泵房臨時租用汽車起重機,起吊重量為25 t,起升高度為12 m,該起重機同時用于起吊控制閘門和水泵。為了防止停泵后水體大量倒流,在水泵出水管口處設有一個1.6 m×1.8 m雙節浮箱式拍門。根據泵組運行、檢修需要,設2 臺80QW60-13-4型潛水排澇泵。為了保持控制閘門槽的清潔,擬選用一臺KQL65-165（Ⅰ）A型管道泵作為閘門槽沖淤供水加壓用,水源取自外河。為了有效地控制和監視機組啟停,在前池和外河、攔污柵前后設置一定數量的水位測量設備,為了監測機組流量,擬配2套YLX-03 型水泵流量效率監測儀。水力機械主要設備和材料見表4。

表4 水力機械主要設備和材料清單表

3.5 水力機械設備布置

衛東電排站排澇時1400QZB-70型潛水軸流、容量為630 kW的YQGN630/16P型異步電動機均為4臺。機組布置采用每2 臺機組為一單元共用一個壓力水箱和一個出水涵管,2 臺相鄰機組之間的中心間距為4.5 m,泵房寬為19.9 m,考慮到設備布置,交通等要求,其中機組中心至進水側4.6 m,至出水池內側4.6 m。泵房的詳細尺寸和高程詳見有關圖紙。

4 結語

中小型排水泵站水泵選型要滿足泵站設計流量和設計揚程的要求,同時需要在整個揚程范圍內機組安全、穩定運行,并且有較高的平均效率,本文以衛東電排站項目為例,從泵站選擇、機組數量、安裝方式等方面,結合后期運行管理和工程造價等多個方面綜合對比分析,對促進市政電排站的建設,實現城市可持續發展具有一定的借鑒性。