山西省中部引黃工程水泵泵型優(yōu)化研究

李 明

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，太原 030024)

水泵是供水工程系統(tǒng)中的“心臟”，是供水工程的主要動力提供設(shè)備，其結(jié)構(gòu)、選項(xiàng)、效率、流量及揚(yáng)程的確定非常重要，選項(xiàng)的合理與否及運(yùn)行狀況的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。因此目前供水工程實(shí)際運(yùn)行效率偏低的主要原因是水泵選型不當(dāng)、水泵揚(yáng)程過大，無法在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)運(yùn)行。水泵選型與運(yùn)行方式相矛盾，不同型號的水泵并行，特性曲線差異很大，運(yùn)行效率低。筆者認(rèn)為在新建擴(kuò)建及改建的供水工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)從節(jié)約能源、改善施工安裝維修條件、降低成本、提高安全性可靠性等多項(xiàng)目標(biāo)出發(fā)，選擇系統(tǒng)綜合效益最佳的泵型。為了達(dá)成此目的，需進(jìn)行優(yōu)良的水力和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，恰當(dāng)選用水泵材質(zhì)以及高質(zhì)量的加工制造，因此供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的水泵選擇論證非常重要。

1 水泵選擇的基本原則［1］

水泵選型包括水泵類型、型號的選擇和臺數(shù)的確定。水泵是泵站中的主要設(shè)備，按照供水要求正常而高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，是實(shí)現(xiàn)供水目標(biāo)并獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵所在。同時(shí)，水泵選型決定著配套動力機(jī)、輔助設(shè)備選型和泵站樞紐建筑物尺寸的確定。如果水泵選型不合理，不僅會使工程投資增加，且會造成水泵長期偏離高效區(qū)運(yùn)行，使運(yùn)行能耗增加，從而增加工程運(yùn)行費(fèi)用。因此，在泵站設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)合理地選擇水泵；在此基礎(chǔ)上選配適當(dāng)?shù)膭恿C(jī)和輔助設(shè)備；選擇設(shè)計(jì)適宜的泵站樞紐建筑物尺寸與其配套，使整個(gè)泵站工程滿足供水要求且在運(yùn)行期間高效、節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)。

水泵選型方面，傳統(tǒng)的水泵選型計(jì)算多采用圖解法進(jìn)行，對各種運(yùn)行條件進(jìn)行多次作圖和方案比較，作圖過程麻煩，圖解法精度甚差。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著科學(xué)的發(fā)展及新的數(shù)學(xué)計(jì)算方法的出現(xiàn)，有些學(xué)者開始探討利用新的計(jì)算方法來進(jìn)行水泵選型。孫敏、楊曉東在1995年第4期《給水排水》上發(fā)表了“整數(shù)規(guī)劃在水泵選型中的應(yīng)用”［2］，文中針對單泵單管聯(lián)合運(yùn)行泵站的特點(diǎn)，提出了以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，以滿足供水流量為約束條件的整數(shù)規(guī)劃選泵方法，該方法考慮了用水量的變化過程，并可用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。紀(jì)曉華等在2001年第4期《江蘇農(nóng)業(yè)研究》上發(fā)表了“水泵選型專家系統(tǒng)研究與開發(fā)”［3］，該系統(tǒng)在對水泵選型方法、判斷準(zhǔn)則、評價(jià)模型等分析研究的基礎(chǔ)上，建立了泵產(chǎn)品樣本和水力模型數(shù)據(jù)庫，研制開發(fā)了水泵選型專家系統(tǒng)，但該系統(tǒng)主要應(yīng)用于軸流泵，適用于流量大揚(yáng)程低的地區(qū)［4］。

水泵選型的基本原則如下［5］：

1)充分滿足灌排設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)各個(gè)灌溉（或排水)季節(jié)的流量和揚(yáng)程的要求，并盡量使所選水泵在泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)，在其設(shè)計(jì)（額定)工況點(diǎn)附近，在泵站最高及最低揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)（或經(jīng)調(diào)節(jié)后的工作點(diǎn))，在其高效區(qū)范圍內(nèi)。

2)選用性能良好，并與泵站揚(yáng)程、流量變化相適應(yīng)的泵型。首先，應(yīng)在已定型系列產(chǎn)品中，選用效率高、吸水性能好、適用范圍廣的水泵。當(dāng)有多種泵型可供選擇時(shí)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，擇優(yōu)采用。在系列產(chǎn)品不能滿足要求時(shí)，可試制新產(chǎn)品，但必須進(jìn)行模型和裝置試驗(yàn)，通過技術(shù)鑒定后采用。在揚(yáng)程變幅較大的泵站，宜選用Q-H曲線陡降的水泵；在流量變化較大的泵站，宜選用Q-H曲線平緩的水泵。

3)所選定水泵型號和臺數(shù)使泵站建設(shè)的投資（設(shè)備費(fèi)和土建投資的總和)最少。

4)便于運(yùn)行調(diào)度、維修和管理。

5)對梯級提水泵站，水泵的型號和臺數(shù)應(yīng)滿足上下級泵站的流量配合要求，盡量避免或減少因流量配合不當(dāng)而導(dǎo)致的棄水。

6)在有必要的情況下，可以考慮變頻、變徑及變角的要求。

綜上所述，水泵選型應(yīng)嚴(yán)格遵守水泵的選型原則，根據(jù)泵站工程的性質(zhì)，結(jié)合投資、能耗、效率和運(yùn)行費(fèi)用等，對水泵的類型、結(jié)構(gòu)形式、臺數(shù)等進(jìn)行綜合考慮，選出最佳方案。

2 山西省中部引黃工程特性

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要大型供水工程，本工程干線自天橋水電站庫區(qū)取水，供水范圍包括四市十六個(gè)縣（市)，規(guī)劃供水6.02億 m3（生活0.11億 m3、工業(yè)2.59億 m3、農(nóng)業(yè)3.32m3)，其中忻州供水區(qū)0.13億m3，呂梁供水區(qū)4.28億m3，臨汾供水區(qū)1.42億m3，晉中供水區(qū)0.18億m3。該工程包括取水工程和輸水工程，推薦方案由天橋水電站庫區(qū)左岸塔式進(jìn)水口取水，設(shè)計(jì)取水流量23.55m3／s，設(shè)計(jì)最低取水水位830.0m，最高取水水位834.0m。

該泵站取水自天橋電站庫區(qū)，根據(jù)庫區(qū)水年含沙量情況，汛期7、8月及3月份庫區(qū)沖沙時(shí)含沙量較大。在保證供水量的前提下，確定在庫水含沙量大于5kg／m3時(shí)泵站不取水。取水方式是在左岸邊新建取水建筑物，經(jīng)過引水洞進(jìn)泵站前池，經(jīng)泵加壓至出水池。

該工程可研設(shè)計(jì)階段推薦采用一級提水方案，推薦泵型為臥式雙吸雙級中開離心泵。單機(jī)設(shè)計(jì)流量2.95m3／s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程198m，配套電機(jī)功率8000 kW，8臺工作，2臺備用，總裝機(jī)容量80000kW。

該工程的特征如下：

1)流量大、單機(jī)設(shè)計(jì)流量2.95m3／s；揚(yáng)程高，設(shè)計(jì)揚(yáng)程198m。國內(nèi)外屬于大流量高揚(yáng)程供水工程。

2)距離長，泵站壓力出水管道全長2008m，采用單管布置，單管管徑3.6m；鋼管長394m，PCCP管長1614m。泵站壓力出水管末端設(shè)出水池，后接供水工程總干線輸水隧洞，輸水總干線長200.22km。

3)泥沙含量高，逐日最大含沙量為34.5kg／m3。

4)泵的選型要求較高，第一不能有汽蝕現(xiàn)象，第二防止磨損，第三保證較高的效率。

本研究基于國內(nèi)外目前的水泵生產(chǎn)水平，進(jìn)行該供水系統(tǒng)水泵選型的技術(shù)研究。

3 山西省中部引黃工程水泵選擇

3.1 水泵泵型選擇

考慮到泵站抽送水含沙量，為了減少對水泵的磨蝕，提高水泵的使用壽命，根據(jù)轉(zhuǎn)輪泥沙磨損試驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)輪出口線速度與轉(zhuǎn)輪磨損量成三次方關(guān)系。根據(jù)沿黃提灌泵站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合近年來以投入運(yùn)行的山西省夾馬口北擴(kuò)泵站（單機(jī)Q＝2.3m3／s，H＝156m雙吸雙級臥式中開泵)、北趙提水泵站（單機(jī)Q＝2.6m3／s，H＝180m雙吸雙級臥式中開泵)和萬家寨引黃工程總干一、二級泵站（單機(jī)Q＝6.45m3／s，H＝140m 單吸單級立式離心泵)機(jī)組運(yùn)行實(shí)例，筆者建議中部引黃工程泵站采用一級揚(yáng)水方案是可行的，水泵采用多級泵方案。單級揚(yáng)程控制在100m，葉輪出口線速度控制在45m／s內(nèi)比較合適。因此，中部引黃工程臥式、立式水泵方案均選用兩級葉輪方案。

目前，根據(jù)國內(nèi)外水泵生產(chǎn)技術(shù)水平，該工程主要有兩種泵型式可選用：一種是臥式多級泵，一種是立式多級泵。臥式多級泵有兩級和三級兩種泵型；立式多級泵目前國內(nèi)沒有，國際上有兩級和四級。

3.2 中部引黃工程水泵特性參數(shù)研究

國內(nèi)水泵生產(chǎn)企業(yè)推薦的主要是臥式泵方案，國外企業(yè)推薦的是大流量立式泵方案。臥式泵及立式泵方案特性參數(shù)見下表1。

表1 中部引黃工程水泵特性參數(shù)

臥式及立式泵結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 臥式雙級雙吸泵結(jié)構(gòu)

圖2 立式雙級單吸泵結(jié)構(gòu)

3.3 中部引黃工程水泵結(jié)構(gòu)研究

兩種泵型結(jié)構(gòu)，有以下幾個(gè)不同特點(diǎn)，對比如表2所示。

3.4 單機(jī)流量的確定及工況點(diǎn)參數(shù)

水泵單機(jī)流量的確定，根據(jù)本工程泵站運(yùn)行方式要求，原則上應(yīng)該是單機(jī)流量盡可能大，機(jī)組臺數(shù)少，廠房占地平面小，減小開挖量，尤其是地下深挖方廠房，投資降低。在大量咨詢國內(nèi)外水泵生產(chǎn)廠家，臥式水泵的泵體和泵蓋均為整體鑄造。如果單機(jī)流量在3.0m3／s左右，水泵泵體的軸向長度約為6.3m，徑向長度約為3.0m，整體重約48t。如果單機(jī)流量在4.0m3／s左右，水泵泵體的軸向長度將達(dá)7.2m，徑向長度約為4.2m，整體重約70t，造成整體運(yùn)輸時(shí)屬于超重超長超寬物品，沿線的隧洞橋梁將滿足不了運(yùn)輸要求，造成運(yùn)輸困難。立式泵根據(jù)萬家寨引黃工程實(shí)例，單臺泵可達(dá)到6.45m3／s。根據(jù)工程的運(yùn)行方式及提水量要求，確定泵站的水泵單機(jī)流量為：臥式泵方案采用雙吸雙級泵，單機(jī)流量2.95m3／s，八工兩備。立式泵方案采用單吸雙級泵，單機(jī)流量6m3／s，四工兩備。臥式及立式泵方案水泵工作點(diǎn)計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 水泵工作點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

3.5 綜合經(jīng)濟(jì)比較

水泵的經(jīng)濟(jì)性也是水泵選擇中必須考慮的關(guān)鍵因素之一，兩種泵型的經(jīng)濟(jì)性對比如表4所示。

4 綜合分析及結(jié)論

從以上各技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)看，兩種泵型各有優(yōu)缺點(diǎn)。臥式泵是臺數(shù)多，效率低，年耗電量大，占地面積較大，水泵、電動機(jī)及配套輔助設(shè)備在同一層布置，設(shè)備較多，運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生很大的噪音，對運(yùn)行人員的身心健康造成很大的損害。臥式泵目前我省已運(yùn)行同類型泵很多臺，生產(chǎn)有一定的經(jīng)驗(yàn)，國產(chǎn)臥式泵具有價(jià)格低優(yōu)勢。臥式泵還具結(jié)構(gòu)簡單，檢修維護(hù)方便的特點(diǎn)，配件價(jià)格低的優(yōu)勢。立式泵目前國內(nèi)還不能生產(chǎn)，需要進(jìn)口或是合資企業(yè)生產(chǎn)，純進(jìn)口價(jià)格太高，利用國外技術(shù)，在國內(nèi)合資企業(yè)生產(chǎn)，這樣價(jià)格可大幅降低，但還是比國內(nèi)臥式泵總造價(jià)要高很多。立式泵主要優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，泵效率高，年耗電量小，分層布置噪音小的特點(diǎn)，但是立式泵結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修維護(hù)工作量大，配件價(jià)格將高于臥式泵。

表4 臥式泵和立式泵綜合經(jīng)濟(jì)比較

中部引黃工程水泵目前在國內(nèi)也是比較大的，尤其是提取黃河水的水泵，揚(yáng)程高，流量大，對水泵技術(shù)要求較高，單單從技術(shù)指標(biāo)和造價(jià)比較，不是很科學(xué)的，是否能可靠運(yùn)行是最重要的。由于我們對這么大的雙級泵國內(nèi)還沒有可借鑒的東西，所以，還需要再組織國內(nèi)、外專家進(jìn)行專題論證，使我們能為下階段設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

［1］吳桂民.水泵選型方法［J］.煤炭技術(shù)，2009，5（28)：17-18.

［2］孫敏，楊曉東.整數(shù)規(guī)劃在水泵選型中的應(yīng)用［J］.給水排水，1995（4)：33-36.

［3］紀(jì)曉華，鄢碧鵬，劉超.水泵選型專家系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］.江蘇農(nóng)業(yè)研究，2001，22（4)：77-79.

［4］鐘明榮.Visual Basic語言在水泵選型計(jì)算中的應(yīng)用［J］.節(jié)水灌溉，2005（5)：60-62.

［5］劉家春.高揚(yáng)程泵站的水泵選型［J］.排灌機(jī)械，2001，19（3)：20-22.