大型多泥沙梯級(jí)提水灌溉泵站水泵選型設(shè)計(jì)研究

孫玉涵 劉紹謙 王佳

摘 要：本文以鹽環(huán)定揚(yáng)黃工程提水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模型，研究分析了大型多泥沙梯級(jí)提水灌溉泵站水泵選型設(shè)計(jì)，結(jié)合水流水質(zhì)情況，從水泵型式、氣蝕、過(guò)流部件材質(zhì)、機(jī)組安裝高程確定等幾方面進(jìn)行研究。該研究為大型梯級(jí)提水工程的水泵機(jī)組選型設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)與參考。

關(guān)鍵詞：梯級(jí)提水；多泥沙；氣蝕余量；安全系數(shù)

中圖分類號(hào)：TV675 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）23-0098-03

Selection Analysis and Design of Pumps for Cascade Irrigation

Pumping Stations with Heavy Sediment

SUN Yuhan LIU Shaoqian WANG Jia

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： Based on the design of the water lifting system of the Yellow River Project in Yanhuanding， this paper studied and analyzed the design of pump type selection for large-scale sediment ladder pumping irrigation station. Combining with the water quality， the pump type， cavitation， the material of flow passage parts and the determination of unit installation height were studied. This study provides experience and reference for the selection and design of pumping units for large cascade water pumping projects.

Keywords： cascade water pumping；heavy sediment；NPSH；safety factor

1 寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程概述

鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程主干線經(jīng)一泵站（取水泵站）從黃河青銅峽東干渠取水，后經(jīng)原二泵站～八泵站梯級(jí)輸水至老鹽池分水閘，向南至鹽池縣李家大莊，到達(dá)甘肅的分水點(diǎn)，向東到鹽池縣牛家口子，給陜西分水。

共用工程已運(yùn)行近20年。由于先天不足和投運(yùn)后效益低下，工程設(shè)施、設(shè)備得不到及時(shí)與全面的維修和更新改造，致使工程普遍存在以下問(wèn)題：水工建筑物年久失修，工程帶病帶險(xiǎn)運(yùn)行；機(jī)泵設(shè)備銹蝕、磨損、老化嚴(yán)重，設(shè)備效率、可靠性低下等。因此，需要對(duì)原取水泵站進(jìn)行改造，并結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)泵站級(jí)數(shù)進(jìn)行合并調(diào)整，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[1]。

鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程更新改造后，原八級(jí)泵站合并為五級(jí)泵站，合并泵站間全部采用壓力管道和明渠輸水。

2 梯級(jí)提水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 泵站出水壓力管道

鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程更新改造后，一泵站仍為一泵站，二泵站和三泵站合并為新二泵站，四泵站和五泵站合并為新三泵站，六泵站和七泵站合并為新四泵站，八泵站原址改造，為新五泵站。改造后，合并泵站間全部采用壓力管道和明渠輸水，合并后各級(jí)泵站詳細(xì)的壓力管道和明渠參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 一泵站～五泵站壓力管道參數(shù)

[改造后泵站名稱 壓力管道長(zhǎng)度/m 一泵站（取水泵站） 35 二泵站 5 538 三泵站 3 081 四泵站 5 065 五泵站 1 127 ]

2.2 泵站流量

合并后新一泵站～五泵站設(shè)計(jì)流量詳見(jiàn)表2。

3 水泵選型設(shè)計(jì)

3.1 水泵型式選擇

常用灌溉泵站使用的水泵型式有軸流泵和離心泵。根據(jù)寧夏鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程泵站改造項(xiàng)目的參數(shù)，各泵站流量較大，揚(yáng)程適中，考慮選用單級(jí)雙吸臥式離心泵。該泵型為單級(jí)葉輪，葉輪雙側(cè)吸水，流量大；葉輪結(jié)構(gòu)對(duì)稱，葉輪的軸向力基本達(dá)到平衡，水泵運(yùn)行比較平穩(wěn)。

表2 一泵站～五泵站流量表

[泵站名稱 加大流量（m3/s） 設(shè)計(jì)流量（m3/s） 最小流量（m3/s） 一泵站（取水泵站） 12.65 11.0 5.5 二泵站（五里坡） 12.61 10.95 5.475 三泵站（紅柳坑） 12.58 10.93 5.465 四泵站（胡家小井子） 12.42 10.8 5.4 五泵站（白塔水） 12.28 10.68 5.34 ]

3.2 高含沙水流水泵選擇分析

鹽環(huán)定揚(yáng)黃共用工程泵站項(xiàng)目泥沙含量高。多年的運(yùn)行實(shí)踐證明，泥沙磨損導(dǎo)致水泵流量減少，效率下降，泵站能耗增大。為此，最大限度地減少泥沙對(duì)水泵性能的影響，提高水泵效率，減少能耗，成為泵站改造的重點(diǎn)。

水中的含沙量不同，會(huì)導(dǎo)致水泵的機(jī)械損失、容積損失和水力損失有所變化。機(jī)械損失主要是輪盤(pán)損失，當(dāng)流道中抽送含沙水流時(shí)，葉輪輪盤(pán)的外表面與水體之間的摩擦阻力增大。此外，含沙水流還會(huì)不斷磨損密封環(huán)，使其間隙寬度迅速變大，泄漏流量急劇增加，從而增大容積損失。同時(shí)，由于水的容重增加，當(dāng)水流速度的大小和方向發(fā)生變化時(shí)，慣性力和離心力都會(huì)增大，漩渦影響也必然增大，從而使水力損失增大。由于含沙水流使水泵的3種損失都有所增加，局部效率下降，因而水泵的整體效率也會(huì)明顯下降。水中含沙是客觀存在的事實(shí)，只有在水泵選型上最大限度地減少泥沙對(duì)水泵性能的影響和對(duì)過(guò)流部件的磨損，提高水泵效率，才是水泵選型的重點(diǎn)。

3.2.1 選擇低轉(zhuǎn)速水泵。在流量和揚(yáng)程滿足運(yùn)行要求的情況下，盡量選擇高效率、低轉(zhuǎn)速及耐磨的水泵；在葉輪直徑不變的情況下，盡量降低葉輪旋轉(zhuǎn)部件的線速度，減少水泵磨損，延長(zhǎng)葉輪使用壽命，提高水泵效率。

3.2.2 選用氣蝕性能好的水泵。由于水流中氣泡受脈動(dòng)壓力的作用而潰滅產(chǎn)生氣蝕，氣蝕時(shí)產(chǎn)生的微射流會(huì)帶動(dòng)泥沙出現(xiàn)水擊，形成強(qiáng)大的局部摩擦，加速水泵流道部件的磨損，磨損又使過(guò)流壁面凹凸不平，從而引起局部脫流，形成漩渦，漩渦產(chǎn)生氣蝕，加劇了磨損。磨損與氣蝕相伴而生，相互促進(jìn)。因此，應(yīng)優(yōu)先選擇氣蝕性能好的水泵，盡可能選用允許吸上真空高度值大或必需氣蝕余量值小的泵，以減少氣蝕破壞。因此，在確定水泵安裝高程時(shí)，必須考慮過(guò)流含沙量，并對(duì)必需氣蝕余量予以修正。

3.2.3 過(guò)流部件采取合理有效的材質(zhì)和抗磨措施。泥沙磨損是含沙介質(zhì)水力機(jī)械普遍遇到的突出問(wèn)題。除選用水力性能良好，尤其是氣蝕性能良好的水泵外，還應(yīng)對(duì)水泵內(nèi)殼流道、葉輪表面等易氣蝕和易磨損的部件，選用性價(jià)比較高的抗磨結(jié)構(gòu)和涂覆耐磨涂料。

3.2.4 選擇部件易于更換的泵。在多沙水流上運(yùn)行的水泵，過(guò)流部件磨損嚴(yán)重，當(dāng)前尚難避免。多數(shù)站為了保持水泵一定效率，采取的措施是及時(shí)更換部件，或在固定部件上涂抗磨材料。根據(jù)一些泵站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)：優(yōu)先選用臥式泵。

3.2.5 單泵容量不宜過(guò)大，臺(tái)數(shù)不宜過(guò)少，否則運(yùn)行管理不便。多沙水流的泵站，由于泥沙問(wèn)題、運(yùn)行管理問(wèn)題比較突出，如選擇單機(jī)容量過(guò)大，起動(dòng)、停機(jī)對(duì)電網(wǎng)影響大，停泵一臺(tái)對(duì)灌溉影響也大，泵件較重，拆、吊、裝技術(shù)復(fù)雜費(fèi)時(shí)間。

綜上所述，鹽環(huán)定梯級(jí)提水流量大，揚(yáng)程適中，泵站級(jí)數(shù)較多，因此選用單級(jí)雙吸臥式離心泵是適宜的。

3.3 水泵安裝高程選擇

磨損與氣蝕相伴而生，相互促進(jìn)，加速了水泵磨損。選擇氣蝕性能好的水泵并適當(dāng)降低安裝高度，以減少氣蝕破壞有利于水泵安全長(zhǎng)期運(yùn)行。

水泵的安裝高度直接影響水泵的吸水性能和泵站的土建費(fèi)用。水泵安裝得過(guò)低，泵房土建投資增大，施工難度增加；過(guò)高則水泵產(chǎn)生氣蝕。因此，需要合理確定水泵的安裝高程，才能盡量降低泵站的造價(jià)，保證水泵的正常運(yùn)行，防止氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

臥式離心泵的基準(zhǔn)面指通過(guò)由葉輪葉片進(jìn)口邊的外端所描繪的圓的中心的水平面。泵站的安裝高程采用許用氣蝕余量進(jìn)行計(jì)算，安裝高程計(jì)算公式如下：

[Hs=Hg-Hz-hs-NPSH] （1）

式中：[Hg]為水泵安裝地點(diǎn)的大氣壓力（mH2O）；[Hz]為液體相應(yīng)溫度下的飽和蒸汽壓力水頭（mH2O）；[hs]為水泵進(jìn)口前吸水管沿程及局部水頭損失之和（m）；[NPSH]為水泵許用氣蝕余量（m）。

[NPSH=k×NPSHr] （2）

其中，[k=1.1～1.5]，為水泵裝置的安全系數(shù)，[NPSHr]為水泵必需氣蝕余量（m）。

本工程設(shè)計(jì)采用的必需氣蝕余量是水泵最不利運(yùn)行工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氣蝕余量。水泵需用氣蝕余量按照必需氣蝕余量乘以1.5倍安全系數(shù)，據(jù)此算出水泵安裝高度[2]。

施工階段水泵供貨商做水泵真機(jī)氣蝕性能試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鹽環(huán)定梯級(jí)揚(yáng)水系統(tǒng)二、三、四、五泵站大泵試驗(yàn)的必需氣蝕余量均大于合同要求的值。為了保證水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行，以二泵站為例驗(yàn)證了二泵站的大泵。

二泵站不同工況點(diǎn)水泵裝置安全系數(shù)計(jì)算見(jiàn)表3。

通過(guò)對(duì)已經(jīng)建成的多泥沙黃河引水泵站的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析可知，水泵最極端工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)裝置安全系數(shù)在1.3以上，可以保證水泵不發(fā)生氣蝕；而清水泵站裝置安全系數(shù)僅需要達(dá)到1.1以上即可。從表3可以看出，水泵最不利運(yùn)行工況點(diǎn)的裝置安全系數(shù)為1.4～1.97，基于多泥沙泵站設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以滿足水泵在含沙水流條件下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

多泥沙水源取水工程，水流含沙量高是客觀存在的事實(shí)，在水泵選型上最大限度地減少泥沙對(duì)水泵性能的影響和對(duì)過(guò)流部件的磨損才是水泵選型研究的重點(diǎn)。因此，要從水泵的型式、水泵的工作參數(shù)及水泵的安裝高程的合理選擇計(jì)算來(lái)避免泥沙對(duì)水泵的結(jié)構(gòu)性能的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)水利部.泵站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50265—2010[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[2]馮逸仙.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.