黃金壩閘站水泵裝置選型研究

張 松錢 軍楊 帆

（1.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225007；2.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009）

黃金壩泵站位于揚(yáng)州市邗江區(qū)城北鄉(xiāng)，是揚(yáng)州城市主干河道水系溝通的重要工程之一。黃金壩泵站引水設(shè)計(jì)流量18 m3/s，排澇設(shè)計(jì)流量3 m3/s，共4臺(tái)機(jī)組。其中，3臺(tái)單向運(yùn)行，單機(jī)設(shè)計(jì)流量4.5m3/s；1臺(tái)雙向運(yùn)行，正向引水設(shè)計(jì)流量4.5m3/s，排澇設(shè)計(jì)流量3m3/s。泵站特征揚(yáng)程如表1所示。

表1 泵站特征揚(yáng)程

1 泵型比選

1.1 選型要求

黃金壩閘站工程規(guī)劃確定年運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)2772 h，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮［1，2］，泵型選擇的主要原則有：

（1）機(jī)組運(yùn)行效率高、高效范圍寬，以降低運(yùn)行費(fèi)用；

（2）機(jī)組技術(shù)成熟、運(yùn)行安全可靠，以提高用水保證率；

（3）機(jī)組汽蝕性能好，保證機(jī)組在使用壽命期內(nèi)檢修次數(shù)少；

（4）檢修、維護(hù)方便，易于運(yùn)行管理；

（5）與土建、電氣、金結(jié)工程綜合考慮，經(jīng)濟(jì)技術(shù)上合理、可行。

1.2 泵裝置方案的比選

立式泵由于進(jìn)出水流道分上下兩層，且須滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010）對(duì)出水流道淹沒(méi)深度的要求，一般開(kāi)挖深度較大，土建投資也大。本工程泵站引水入瘦西湖工況設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程僅為0.65m，屬于特低揚(yáng)程泵站［1］，立式泵很難在如此低的設(shè)計(jì)揚(yáng)程下獲得較高的效率，電機(jī)功率大、運(yùn)行費(fèi)用高。因此，立式泵不適宜用于本泵站。

對(duì)于特低揚(yáng)程泵站，宜采用裝置效率相對(duì)較高且開(kāi)挖深度小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于管理的臥式機(jī)組裝置型式。根據(jù)本站的特點(diǎn)，選取豎井貫流泵裝置［3］、潛水貫流泵裝置［4］和軸伸貫流泵裝置［5］三種不同的貫流泵裝置方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

（1）方案1：豎井貫流泵裝置。豎井貫流式機(jī)組是將電動(dòng)機(jī)和齒輪箱布置在流線型的豎井中，與安裝在流道中的水泵相聯(lián)接，豎井的尺寸根據(jù)電動(dòng)機(jī)和齒輪箱的結(jié)構(gòu)尺寸確定，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封止水要求不高，運(yùn)行維護(hù)方便，電機(jī)可采用風(fēng)冷或水冷卻。

豎井貫流泵裝置流道中軸線從進(jìn)口至出口呈直線形，流道平順沒(méi)有彎曲，水流流態(tài)較平穩(wěn)，流道水力損失小，裝置效率高，高效區(qū)較寬，流道形狀簡(jiǎn)單，不但土建工程量小，施工還比較方便。

（2）方案2：潛水貫流泵裝置。潛水貫流式機(jī)組的水泵轉(zhuǎn)輪、后導(dǎo)葉、齒輪箱、電機(jī)連為一體直接布置在流道中，機(jī)組段采用全金屬殼體，整體吊裝，安裝方便。電機(jī)、齒輪箱在水中，設(shè)備外殼利用流動(dòng)的水流冷卻，潛水電機(jī)設(shè)有滲漏、過(guò)載、過(guò)流、溫度等檢測(cè)、保護(hù)裝置。潛水貫流式機(jī)組利用了潛水電泵的技術(shù)，具有水力性能好、效率高、土建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、流道水力損失小等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備可靠性要求高、密封止水要求高［4］。

（3）方案3：軸伸貫流泵裝置。軸伸貫流式機(jī)組包括平面軸伸貫流式和立面軸伸貫流式兩種型式［5］，分別采用平面S形流道和立面S形流道，電動(dòng)機(jī)和齒輪箱布置在流道外側(cè)，水泵軸伸出流道外與電機(jī)、齒輪箱連接，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通風(fēng)防潮條件良好，運(yùn)行維護(hù)方便，密封止水要求不高等優(yōu)點(diǎn)，但軸伸貫流式機(jī)組裝置的進(jìn)出水流道都有彎頭，不同程度地增加了流道的水力損失，影響裝置的水力性能。

由于泵站的單機(jī)流量較小，機(jī)組間距較小，采用豎井貫流泵方案，豎井的空間尺寸很小，電機(jī)、齒輪箱布置在狹小的豎井里，安裝、檢修很不方便。根據(jù)以往的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，單機(jī)流量小于10m3/s的泵站不適合采用豎井貫流泵。

潛水貫流式泵站結(jié)構(gòu)相對(duì)較緊湊，土建投資最省，但其故障點(diǎn)主要在于密封性能，可潛水泵的檢修一般要返廠處理，而且一旦出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)論大小都必須整體返廠檢修。即使不出現(xiàn)問(wèn)題，運(yùn)行期滿后也必須整體返廠檢查保養(yǎng)，這給泵站的運(yùn)行管理帶來(lái)了不便，對(duì)于黃金壩閘站這種年運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的引水泵站影響較大。

平面軸伸貫流式泵站采用平面S形流道，葉輪中心安裝高程、站身順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度、廠房跨度與豎井貫流式泵站一致。立面軸伸貫流式泵站采用立面S形流道，葉輪中心安裝高程、站身順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度、廠房跨度與豎井貫流式泵站一致，但站身開(kāi)挖深度加大。平面S形軸伸泵泵體沿軸線分半，機(jī)組安裝檢修較為方便；泵段與電機(jī)可以放置于同一平面上，電機(jī)通風(fēng)散熱條件較好；泵體水平放置，泵軸與軸承之間受力明確；機(jī)組可就地檢修，運(yùn)行管理方便。

因黃金壩閘站年運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)，機(jī)組安全可靠、維修方便應(yīng)是運(yùn)行管理比較的重點(diǎn)。平面S形軸伸泵方案雖然工程造價(jià)略高，但水力性能條件較好，機(jī)組安裝檢修方便，運(yùn)行可靠性高，因此，本站推薦采用平面S形軸伸泵方案。平面S形泵裝置形式如圖1所示。

2 臺(tái)數(shù)比選

《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010）規(guī)定：“泵站的機(jī)組臺(tái)數(shù)宜選取3～9臺(tái)”。本泵站主要為城市補(bǔ)水泵站，不設(shè)置備用機(jī)組。

泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為18.0m3/s，可采用單泵或多泵的設(shè)計(jì)方案。由于泵站的主體功能為活水，年運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)（按平水年份測(cè)算，年平均運(yùn)行231 d），運(yùn)行強(qiáng)度大，加之運(yùn)行時(shí)換水流量需根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，因此，采用單機(jī)方案不盡合理，應(yīng)采用多臺(tái)機(jī)組的設(shè)計(jì)方案。

但從泵站建設(shè)成本上來(lái)看，水泵臺(tái)數(shù)越多，土建成本總體呈上升趨勢(shì)，且同樣工況條件下，水泵臺(tái)數(shù)越多，水泵的運(yùn)行成本亦越高。水泵臺(tái)數(shù)的確定，應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性兩者均較理想的方案，因此，本次設(shè)計(jì)擬采用4臺(tái)水泵的布置方案。

對(duì)于4臺(tái)水泵的布置方案現(xiàn)有：方案 1（4.5m3/s×4）、方案 2（3m3/s+6 m3/s+6m3/s+3m3/s）、方案 3（6m3/s×3）進(jìn)行比選，三方案的投資基本相當(dāng)，各方案的特點(diǎn)分析如下：

（1）方案1。運(yùn)行調(diào)度相對(duì)靈活，建成后可在 4.5、9.0、13.5、18.0 四個(gè)流量區(qū)間調(diào)整，且機(jī)泵的規(guī)格一樣，便于管理、維修及備品備件的采購(gòu)。

（2）方案2。建成后泵站可在3.0、6.0、9.0、12.0、15.0 和 18.0 m3/s六個(gè)流量區(qū)間調(diào)整，滿足各種工況下的換水需要，但要采用兩種不同規(guī)格的泵型，管理難度相對(duì)較大。

（3）方案3。必須考慮反向抽排的工況，故需設(shè)置雙向泵。

圖1 平面S形軸伸貫流泵裝置

由于反向工況時(shí)，水泵機(jī)組的效率相對(duì)會(huì)下降，方案1中4.5流量的水泵反向時(shí)能滿足3.0的抽排要求，方案2必須設(shè)置兩臺(tái)3.0的雙向泵，方案3調(diào)度靈活性相對(duì)較差，反向流量過(guò)高。因此，推薦采用4臺(tái)4.5m3/s泵、其中一臺(tái)為雙向泵的布置形式較適合本工程。

3 數(shù)模計(jì)算

3.1 數(shù)值模型建立

為分析S型軸伸貫流泵裝置的水力特性，采用CFD數(shù)值計(jì)算方法對(duì)本泵裝置進(jìn)行建模分析。S型軸伸貫流泵裝置計(jì)算區(qū)域包括：進(jìn)水流道、葉輪、導(dǎo)葉體、出水流道。各部分模型如圖2所示。

圖2 平面S型貫流泵裝置各部分建模圖

葉輪和導(dǎo)葉體的模型均在ANSYSTurbgrid中構(gòu)建及網(wǎng)格剖分，葉片曲面以光滑曲面方式建立，葉輪的葉頂間隙均值設(shè)為0.2mm。進(jìn)水流道和出水流道的三維模型在UG中建立，在ICEM CFD中進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

3.2 控制方程及邊界條件

采用雷諾平均N-S方程描述模型泵裝置內(nèi)的流動(dòng)，泵裝置內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)可簡(jiǎn)化為不可壓縮的牛頓液體，紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型。葉輪與進(jìn)水流道、導(dǎo)葉體間采用動(dòng)靜耦合交界面，導(dǎo)葉體與出水流道間采用靜靜交界面?？刂品匠痰碾x散采用基于有限元的有限體積法，擴(kuò)散項(xiàng)和壓力梯度采用有限元函數(shù)表示，對(duì)流項(xiàng)采用高分辨率格式。流場(chǎng)的求解使用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法。

進(jìn)口采用質(zhì)量流進(jìn)口條件，出口采用壓力出口條件，近壁區(qū)處理采用可伸縮壁面函數(shù)，計(jì)算收斂精度設(shè)置為 1.0×10-5。

3.3 計(jì)算結(jié)果

對(duì)照設(shè)計(jì)流量、揚(yáng)程和效率的指標(biāo)要求，在額定轉(zhuǎn)速下單向泵裝置葉片安放角為-4°時(shí)的性能仍有一定的余量。在設(shè)計(jì)流量工況附近泵裝置效率為72.91%，最高效率達(dá)到75.76%，相應(yīng)的流量是210 L/s，揚(yáng)程1.35 m。經(jīng)計(jì)算獲得S型軸伸貫流泵裝置的內(nèi)流場(chǎng)如圖3所示，進(jìn)水流道整體流態(tài)較好，未見(jiàn)脫流，流道出口斷面速度均勻度達(dá)99.6%。出水流道的面積隨流線方向變化比較均勻。在出水流道的前半部分，水流隨著軸伸轉(zhuǎn)向，在拐點(diǎn)凸處局部壓力降低，凹處局部壓力增加，整體變化趨勢(shì)平緩。在計(jì)算工況（120 L/s＜Q＜275 L/s）范圍內(nèi)，進(jìn)水流道的水力損失很小，其值約為0.003～0.012m，出水流道的水力損失約為0.08～0.48m。

4 結(jié)論

揚(yáng)州市黃金壩閘站水泵裝置類型經(jīng)多方案比選，最終確定采用4臺(tái)特低揚(yáng)程泵，其中1臺(tái)為雙向泵，泵裝置形式采用平面S形軸伸貫流泵裝置。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)黃金壩閘站水泵系統(tǒng)選型進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)證，可知在極低揚(yáng)程下，軸伸式水泵系統(tǒng)比較適合黃金壩閘站。揚(yáng)州市黃金壩閘站的泵裝置方案比選方法及泵裝置型式可為同類泵站的初步設(shè)計(jì)提供一定參考。

圖3 泵裝置內(nèi)部流線圖（Q=210 L/s）

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