平面S形軸伸泵在蘇州市城市防洪工程中的應(yīng)用

陳 曄 程 實(shí)

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇蘇州 215128）

1 概況

江蘇省蘇州市城市中心區(qū)位于蘇州市區(qū)中部，以蘇州古城為中心，面積約84km2。在城市防洪工程實(shí)施之前蘇州市城市中心區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)不足50年一遇，防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，排澇能力不足。另外，近年來京杭大運(yùn)河水質(zhì)污染嚴(yán)重，因此必須阻止京杭大運(yùn)河污水進(jìn)入城市中心區(qū)。為此應(yīng)在城市中心區(qū)建立防洪工程，其中9 座泵站將承擔(dān)260m3／s的抽排任務(wù)。通過一系列防洪工程的實(shí)施，使城市中心區(qū)達(dá)到防御200年一遇洪水的防洪能力，全面提高河道泄洪能力和排澇標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)加強(qiáng)蘇州市城區(qū)的水環(huán)境保護(hù)能力，改善其水動(dòng)力條件。水泵在城市防洪工程運(yùn)行中起著最關(guān)鍵的作用，因此須研究選擇合理的泵型。

2 前期工作研究

承擔(dān)抽排任務(wù)的9大泵站的設(shè)計(jì)流量和特征揚(yáng)程如表1所示。分析此表，可以得出：（1）九大泵站大都是雙向運(yùn)行泵站，多個(gè)泵站的揚(yáng)程、流量及運(yùn)行方式都相同，在做泵型選擇時(shí)須考慮盡可能采用相同的泵型，有利于將來的維護(hù)管理；（2）設(shè)計(jì)工況揚(yáng)程很低，較難提高水泵運(yùn)行效率；（3）除澹臺(tái)湖泵站外其余泵站的設(shè)計(jì)總流量均在15～30m3／s，泵站機(jī)組的單機(jī)流量為5m3／s較適合。

城市防洪工程中，泵站是關(guān)鍵的排澇設(shè)施，其泵型的選取將直接影響泵站運(yùn)行安全可靠性，維護(hù)管理便利性，運(yùn)行效率高低，建站的投資及運(yùn)行管理費(fèi)。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，并結(jié)合蘇州市具體實(shí)際以及工程運(yùn)行特點(diǎn)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮選擇泵型。

表1 蘇州市城市中心區(qū)防洪工程各泵站流量及特征揚(yáng)程

（1）所選泵型的水力性能優(yōu)良，適用于特低揚(yáng)程、雙向運(yùn)行的泵站。

（2）水泵技術(shù)成熟，運(yùn)行安全可靠。

（3）水泵裝置操作簡(jiǎn)單，維護(hù)、檢修方便。

（4）機(jī)組造價(jià)、工程投資和運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)濟(jì)合理。

按照上述的泵選原則，分析目前在低揚(yáng)程下常用的泵型，以下泵型可供選擇：立式潛水泵、豎井貫流泵、潛水貫流泵、斜式軸伸泵、平面S 形軸伸泵。其中立式潛水泵裝置效率低，需要設(shè)置雙層流道和兩套閘門系統(tǒng)、土建及金屬結(jié)構(gòu)投資大；電機(jī)功率大、運(yùn)行能耗大。另從近年的工程實(shí)踐來看，豎井貫流泵最小單機(jī)流量8m3／s，5m3／s單機(jī)流量的泵站若采用豎井貫流泵則豎井尺寸偏小，機(jī)組安裝困難、通風(fēng)冷卻條件較差，因此豎井貫流泵也不參與比選。潛水貫流泵、斜軸泵和平面S形軸伸泵的水力性能適合特低揚(yáng)程泵站，并具有雙向運(yùn)行的能力，因此是理想的候選泵型。

3 設(shè)計(jì)選型

泵型的比選一般從各方案的泵型特點(diǎn)、站身結(jié)構(gòu)布置、工程投資、泵站能量特性、運(yùn)行管理來比較。潛水貫流泵、斜軸泵和平面S形軸伸泵三種泵型各有優(yōu)缺點(diǎn)，這里不贅述；由于目前尚無三種泵型的同臺(tái)試驗(yàn)成果，對(duì)泵站能量特性無法作真實(shí)、詳細(xì)的比較，但參考以往的模型試驗(yàn)，三種泵型的模型裝置正向最高效率均在60%～70%之間，高于一般的立式軸流泵（揚(yáng)程在3m 以下）的最高效率；一次性工程投資相差不大，采用三種泵型工程投資相差最大為6%左右。

泵站的運(yùn)行穩(wěn)定性、安全可靠性、維護(hù)管理便利性應(yīng)該是城市防洪工程泵選的主導(dǎo)因素，所以下面著重對(duì)三種泵型的管理、維護(hù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。

運(yùn)行管理的比較主要是比運(yùn)行費(fèi)用、安全可靠、維修方便和運(yùn)行環(huán)境。

（1）三種泵型可以選相同功率的電機(jī)，裝置性能相差不大，所以用電量或運(yùn)行費(fèi)用也大致相同。

（2）三種泵型的研究應(yīng)用的時(shí)間長(zhǎng)短不同，也都是或多或少地存在安全可靠的問題，但程度不同：

①潛水貫流泵的故障點(diǎn)主要在于密封性能。潛水電機(jī)密封于水下泵體中，當(dāng)內(nèi)部出現(xiàn)問題時(shí)，無法直接快速地查明并排除故障。由于事故的出現(xiàn)事前無警示，因此具有突然性；由于必須整體返廠檢修、做密封性能試驗(yàn)，勢(shì)必出現(xiàn)停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)的狀況。這在防洪排澇期間影響較大。

②斜軸泵水導(dǎo)軸承受力情況復(fù)雜，因此國(guó)內(nèi)已建的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的泵站出現(xiàn)軸承故障比較普遍，短期內(nèi)仍將會(huì)影響這種泵型的應(yīng)用。但這種故障點(diǎn)在明處，事前可預(yù)警，事后可就地檢修，處置時(shí)間短。

③平面S形軸伸泵也可能存在軸瓦損壞問題，雖然目前尚未得到類似泵站軸瓦損壞的信息，但仍需重視這一問題。這種故障點(diǎn)的出現(xiàn)率尚不及斜軸泵多，預(yù)警、檢修和處理時(shí)間與斜軸泵相同。

（3）潛水貫流泵出現(xiàn)問題大都必須整體返廠檢修，但不出現(xiàn)問題、運(yùn)行期滿后也必須整體返廠檢查保養(yǎng)，很不方便；而斜軸泵和平面S 形泵可就地檢修，比較方便。

（4）潛水貫流泵處在水下，電機(jī)運(yùn)行時(shí)散熱條件好，噪聲低，運(yùn)行環(huán)境好。斜軸泵和平面S形泵電機(jī)處于底板上，噪聲相對(duì)較大，散熱條件相對(duì)較差，運(yùn)行環(huán)境不如潛水貫流泵好。

綜上所述，安全可靠、維修方便應(yīng)是運(yùn)行管理比較的重點(diǎn)，在這方面，平面S形軸伸泵較好，斜軸泵次之，潛水貫流泵較差。三種泵型都有工程經(jīng)驗(yàn)，都有可取之處。潛水貫流泵裝置效率較高，運(yùn)行管理環(huán)境良好，極有發(fā)展前景，但目前存在的運(yùn)行可靠性問題及檢修困難問題，則應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待；斜式軸伸泵的軸承受力情況復(fù)雜，軸承易磨損問題比較突出，需要繼續(xù)研究克服；平面S形軸伸泵方案水力性能條件較好，效率較高，水泵運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題應(yīng)比斜軸泵容易克服，因此采用平面S形軸伸泵方案較為適合蘇州城市中心區(qū)防洪工程。平面S形軸伸泵裝置平面示意如圖1所示。

圖1 平面S形軸伸泵裝置平面示意

4 數(shù)模分析和裝置模型試驗(yàn)

目前采用三維紊流數(shù)值模擬預(yù)測(cè)泵站性能的方法，已得到了越來越廣泛的應(yīng)用。各種商用計(jì)算軟件FLUENT 等也已逐步被用于泵站流動(dòng)模擬與性能預(yù)測(cè)中，用以進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，研究開發(fā)新的模型葉輪。在泵站設(shè)計(jì)的初期，對(duì)平面S形軸伸泵的不同導(dǎo)葉形式、不同的流道型線進(jìn)行了數(shù)模分析、優(yōu)化，以確定合理的導(dǎo)葉體形式和流道型線。試驗(yàn)結(jié)果主要有：

（1）直型流道水損較曲線型流道小約8.0%～20.0%。對(duì)于平面S形軸伸泵宜采用直型進(jìn)出水流道，因其流道簡(jiǎn)單，水力損失與彎型流道相比較小。

（2）平面軸伸泵正向運(yùn)行時(shí)，出水流道水頭損失為進(jìn)水流道水頭損失的7～8倍，因此優(yōu)化出水流道彎段型線，對(duì)提高泵站效率有明顯效果。

（3）彎管直徑對(duì)裝置的影響大于轉(zhuǎn)彎半徑的影響，增大彎管直徑可以更顯著地減小水頭損失。彎管直徑為1400mm 的出水流道水力損失比1500mm的大49mm。

（4）設(shè)計(jì)流量工況下，采用的直型進(jìn)水、彎型出水流道的平面S形泵裝置效率稍高于潛水貫流泵的裝置效率。

為了準(zhǔn)確檢驗(yàn)平面S形軸伸泵裝置的水動(dòng)力性能，必須進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇防洪工程中使用最多的雙向泵站作為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)葉輪采用雙向葉輪，正向工況下，模型最高裝置效率為65.5%，反向工況下模型最高裝置效率為55.2%。反向工況的汽蝕性能比正向工況的汽蝕性能差，當(dāng)葉片角度為＋4°時(shí)最大臨界汽蝕余量Δh ＝9.78m，高于一般的采用單向葉輪的臥式泵的最大臨界汽蝕余量。預(yù)計(jì)單向平面S形軸伸泵裝置的最要效率和汽蝕性能都優(yōu)于雙向平面S形軸伸泵裝置的。

5 機(jī)組運(yùn)行情況及經(jīng)驗(yàn)

機(jī)組在各工況下試運(yùn)行，正反向運(yùn)行均平穩(wěn)，反向電機(jī)功率大于正向電機(jī)功率，運(yùn)行時(shí)機(jī)組噪音正常，且正向噪音略小于反向的，均與模型裝置試驗(yàn)結(jié)果相符，機(jī)組運(yùn)行各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。需提及的是采用雙向葉輪的平面S形軸伸泵裝置的反向汽蝕余量相對(duì)較大，故在采用雙向葉輪的平面S形軸伸泵的泵站，應(yīng)盡可能降低葉輪中心線高程，并留有余地，使反向運(yùn)行條件更優(yōu)。在其中一座泵站機(jī)組試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)水泵有異響，后經(jīng)檢修發(fā)現(xiàn)是由于采用質(zhì)量較差的彈性塑料軸瓦所致，更換水導(dǎo)軸承材料后水泵恢復(fù)正常，因此平面S形軸伸泵的水導(dǎo)軸承問題應(yīng)引起重視。目前所有泵組已經(jīng)安裝完畢，完成了試運(yùn)行和并均通過驗(yàn)收。

6 結(jié)語

城市防洪工程是保障城市安全的減災(zāi)性工程，且每年運(yùn)行歷時(shí)段短，而城市防洪工程的效益主要就是體現(xiàn)在其短暫運(yùn)行期間內(nèi)所發(fā)揮的防災(zāi)、減災(zāi)作用上。因此，在選擇作為城市防洪工程主要組成部分的排澇泵站泵型時(shí)，水泵運(yùn)行的安全性、可靠性就成了主導(dǎo)因素。平面S形軸伸泵水力性能條件較好，裝置模型試驗(yàn)效率較高，安全可靠、維修檢修方便，安裝過程簡(jiǎn)單、便捷，試運(yùn)行所有機(jī)組正、反向運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)組工作正常。據(jù)此平面S形軸伸泵已經(jīng)應(yīng)用于蘇州市城市中心區(qū)防洪工程的東風(fēng)新、仙人大港、大龍港、胥江等7 座泵站，經(jīng)過3～4年的運(yùn)行，目前水泵使用情況均良好。

1 河海大學(xué)水電學(xué)院.蘇州市城市防洪工程?hào)|風(fēng)新泵站裝置模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.2005.10.

2 河海大學(xué).蘇州市防洪工程泵站水力特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［R］.2005.6.