通呂河泵站的泵裝置方案比選分析

王鐵力 ，劉 斌 ，蘇葉平 ，李 超 ，楊 帆

（1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2. 揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009）

1 工程概況

通呂運(yùn)河水利樞紐工程泵站位于通呂運(yùn)河下游入江口門處，泵站距長(zhǎng)江口約2.2 km，泵站開挖高程:-3.00 ～ -10.45 m，工程總投資38 886.73萬(wàn)元，土方工程總投資1 549.00萬(wàn)元。泵站主要任務(wù)是在自流引江不能滿足區(qū)域用水需求時(shí)，利用泵站引水，以滿足供水區(qū)的用水需要，同時(shí)兼顧南通城區(qū)水環(huán)境和航道用水，以增加城區(qū)水源及水體的流動(dòng)性，維持內(nèi)河通航所需水位，改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境。泵站設(shè)計(jì)流量為100 m3/s，其運(yùn)行水位組合及特征揚(yáng)程見表1。

表1 泵站運(yùn)行水位組合表 m

2 泵裝置的多方案比選

水泵的選擇和使用必須以泵站的流量和揚(yáng)程為參考，立式泵的高度因其進(jìn)水流道為雙層布置而較其他形式的泵更大，此外又需滿足文獻(xiàn)[1]中對(duì)出水流道淹沒深度的要求，所以必須加大開挖深度，土建投資也會(huì)相應(yīng)增加。通呂河泵站的設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為1.73 m，屬于特低揚(yáng)程泵站，立式泵裝置應(yīng)用于設(shè)計(jì)揚(yáng)程低于3.00 m泵站時(shí)泵站效率較低，運(yùn)行管理費(fèi)用偏高，該泵站的設(shè)計(jì)不考慮采用立式泵裝置結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有的研究成果表明，對(duì)于特低揚(yáng)程泵站，宜采用開挖深度較小，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便，投資費(fèi)用低且運(yùn)行效率高的臥式機(jī)組泵型[2-5]。根據(jù)本泵站的特點(diǎn)，擬選取豎井貫流泵裝置、斜15°軸伸貫流泵裝置和燈泡貫流泵裝置3種不同結(jié)構(gòu)型式的泵裝置進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2方面的比選。

（1）方案1:豎井貫流泵裝置。該泵裝置是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于特低揚(yáng)程泵站的裝置型式，機(jī)組的齒輪箱和電動(dòng)機(jī)都放置于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的豎井內(nèi)，且與泵機(jī)相連。泵裝置的流道結(jié)構(gòu)形式較簡(jiǎn)單，采用前置豎井流道的裝置機(jī)組的運(yùn)行效率較高，泵裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理運(yùn)行方便，開挖深度不大，投資費(fèi)用相對(duì)較省。

（2）方案2:斜15°軸伸貫流泵裝置。該斜式軸伸貫流泵裝置不同于立式軸流泵裝置和臥式貫流泵裝置的結(jié)構(gòu)型式，但其兼有二者的優(yōu)點(diǎn)。具有投資少，安裝檢修容易，且水力性能較好，采用斜式貫流泵的泵站可依據(jù)不同揚(yáng)程選擇不同的傾角，小傾角的斜式軸流泵適用于特低揚(yáng)程的泵站。根據(jù)本泵站的特征揚(yáng)程可選擇15°軸伸貫流泵裝置。

近年來(lái)，斜式軸伸貫流泵裝置開始被廣泛應(yīng)用于中小型泵站工程中，發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，且斜式軸流泵的水導(dǎo)軸承受力情況更加復(fù)雜，國(guó)內(nèi)的斜式軸流泵在水導(dǎo)軸承的運(yùn)用上或多或少都出現(xiàn)過問題。水導(dǎo)軸承常出現(xiàn)偏心磨損，使用壽命短等問題，水泵運(yùn)行有明顯振動(dòng)，齒輪箱噪音也相對(duì)較大。

（3）方案3:燈泡貫流泵裝置。該燈泡貫流泵是一種泵身前段或者后端放置一個(gè)類似燈泡的裝置，它具有流道順直，水力損失小，泵裝置效率高，適合低揚(yáng)程大流量的泵站使用。作為機(jī)組外殼的燈泡體淹沒在水下運(yùn)行，因此對(duì)密封、冷卻及通風(fēng)等均有近乎苛刻的要求，為了保證有較高的水力效率，燈泡體的尺寸也受到嚴(yán)格的限制，必須滿足一定要求的燈泡比。對(duì)于低揚(yáng)程泵站，由于水泵轉(zhuǎn)速低，電機(jī)尺寸相對(duì)較大，燈泡比小了電機(jī)布置不下，燈泡比大了裝置效率會(huì)降低，故設(shè)計(jì)安裝具有一定難度。

3種方案設(shè)計(jì)工況下的裝置效率均大于60.00%，滿足GB 50625 — 2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)設(shè)計(jì)揚(yáng)程低于3.00 m泵站的裝置效率要求。從3種方案現(xiàn)有的裝置模型試驗(yàn)效率看，軸伸貫流泵方案裝置效率略低，豎井貫流泵方案與燈泡貫流泵方案裝置效率基本接近。從3種方案的檢修情況看，燈泡貫流泵電動(dòng)機(jī)位于燈泡體內(nèi)，機(jī)組檢修較為復(fù)雜。從實(shí)際應(yīng)用情況分析，3種泵裝置型式均存在安全可靠性問題，但影響泵站運(yùn)行程度不同:①斜軸泵受力情況復(fù)雜，國(guó)內(nèi)已建的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的泵站均出現(xiàn)較多的軸承故障現(xiàn)象，短期內(nèi)軸承故障仍將影響該泵型的應(yīng)用。軸承故障點(diǎn)在明處，事前可預(yù)警，事后便于檢修，處置時(shí)間短。通呂河泵站需長(zhǎng)期運(yùn)用，且依據(jù)通呂河泵站設(shè)計(jì)的可靠性要求，該泵型不宜應(yīng)用于該工程。②豎井貫流泵裝置的機(jī)電設(shè)備均設(shè)置于狹小的豎井內(nèi)，安裝檢修略有不便，設(shè)備的散熱條件較其他2個(gè)泵裝置方案略差，但可通過一些有效的技術(shù)措施來(lái)改善散熱條件。③燈泡貫流泵的電動(dòng)機(jī)位于燈泡體內(nèi)，對(duì)密封、冷卻和通風(fēng)的要求高，同時(shí)燈泡體的結(jié)構(gòu)尺寸和強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求也高，國(guó)內(nèi)廠家技術(shù)還不夠成熟，南水北調(diào)已建成的燈泡貫流泵站都采用和國(guó)外廠家合作的方式進(jìn)行，機(jī)組設(shè)計(jì)和主要部件的制造均由國(guó)外廠家完成，成本較高。

鑒于斜式軸流泵受力復(fù)雜，易發(fā)生故障，安全可靠性低，故排除此方案，對(duì)燈泡貫流泵裝置設(shè)計(jì)方案和豎井貫流泵裝置進(jìn)行綜合比選。在這2種方案中，燈泡貫流泵裝置的機(jī)組運(yùn)行可靠，水力性能較優(yōu)，運(yùn)行噪聲小，但機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家較少，結(jié)構(gòu)主要部件需采用進(jìn)口產(chǎn)品，安裝和維修也具有一定難度，設(shè)備價(jià)格高昂，相比需增加投資2 800.00萬(wàn)元。而豎井貫流泵裝置雖然設(shè)備噪聲較大，但是機(jī)組的技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠，設(shè)備的生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)廠家較多，對(duì)于設(shè)備的選擇，運(yùn)行安全可靠、檢修維護(hù)方便是運(yùn)行管理比較的重點(diǎn)。在這方面，豎井貫流泵較好，結(jié)合該工程的工期緊、施工周期短的特點(diǎn)，推薦采用豎井貫流泵裝置。

3 水力模型的選用

近年來(lái)，豎井貫流泵裝置被廣泛應(yīng)用于特低揚(yáng)程大流量泵站工程中，當(dāng)前適合于特低揚(yáng)程的泵裝置的水力模型主要有揚(yáng)州大學(xué)的ZM25水力模型和江蘇大學(xué)的TJ04 - ZL - 07號(hào)水力模型，2種水力模型均在豎井貫流泵站工程有成功運(yùn)用的實(shí)例[6]，如:ZM25水力模型在河海大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)所做的九圩港泵站裝置模型試驗(yàn)結(jié)果見圖1，在揚(yáng)州大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)所做的白茆塘泵站裝置模型試驗(yàn)結(jié)果見圖2，TJ04 - ZL - 07號(hào)水力模型在揚(yáng)州大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)所做的海河口泵站裝置模型試驗(yàn)成果見圖3，在天津中水北方試驗(yàn)臺(tái)所做的姚江西排引水泵站裝置模型試驗(yàn)成果見圖4。為此，采用類似泵站工程的泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行水力模型的優(yōu)選，并給出合適的水泵葉輪直徑和轉(zhuǎn)速。

圖1 九圩港泵站模型裝置性能曲線圖

圖2 白茆塘泵站模型裝置性能曲線圖

圖3 海河口泵站模型裝置性能曲線圖

圖4 姚江西排引水泵站模型裝置性能曲線圖

4 水泵直徑和轉(zhuǎn)速的確定

初步選用海河口泵站TJ04 - ZL - 07號(hào)水力模型裝置性能曲線進(jìn)行換算，換算后的真機(jī)葉輪直徑3.30 m，轉(zhuǎn)速108.0 r/min，該原型泵機(jī)組綜合特性曲線見圖5，選用九圩港泵站ZM25號(hào)水力模型裝置性能曲線進(jìn)行換算，換算后的真機(jī)葉輪直徑為3.30 m，轉(zhuǎn)速110.0 r/min，其原型泵機(jī)組綜合特性曲線見圖6。

圖5 TJ04 - ZL - 07號(hào)水力模型原型綜合特性曲線圖

圖6 ZM25號(hào)水力模型原型綜合特性曲線圖

特征揚(yáng)程下不同水力模型的真機(jī)性能參數(shù)見表2。

從圖5、6和表2可知:2種水力模型的效率和流量比較接近，但TJ04 - ZL - 07號(hào)水力模型的汽蝕性能相對(duì)較好，故暫優(yōu)選TJ04 - ZL - 07號(hào)水力模型，下階段將通過設(shè)備招標(biāo)最終確定水泵葉輪直徑和轉(zhuǎn)速。

表2 不同水力模型的真機(jī)性能參數(shù)表

根據(jù)表2中性能參數(shù)，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下水泵軸功率為:

在最大揚(yáng)程下水泵軸功率為:

主電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)按水泵運(yùn)行可能出現(xiàn)的最大軸功率選配，并留有一定的儲(chǔ)備，儲(chǔ)備系數(shù)宜為1.10 ～ 1.05，齒輪減速箱效率取98.00%，則電動(dòng)機(jī)功率為:N = 1.1×1 339/0.98 =1 503 kW。因此選用配套電機(jī)功率1 600 kW的8極異步電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為743.0 r/min，齒輪箱傳動(dòng)比為i ≈ 6.88。

5 通呂運(yùn)河貫流泵站泵裝置性能預(yù)測(cè)

5.1 模型貫流泵裝置性能預(yù)測(cè)

采用商業(yè)CFD軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，該模型泵裝置在+2°葉片安放角下，轉(zhuǎn)速1 173.0 r/min時(shí)，最高裝置效率為74.50%，在泵裝置設(shè)計(jì)總揚(yáng)程1.98 m時(shí)（設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程1.73 m），模型泵裝置流量為0.295 m3/s，效率為71.70 %；在裝置最高總揚(yáng)程3.67 m工況時(shí)（最高凈揚(yáng)程3.42 m），流量為0.223 m3/s，效率為64.60 %。性能預(yù)測(cè)見圖7。

5.2 原型貫流泵裝置性能預(yù)測(cè)

圖7 模型貫流泵裝置性能預(yù)測(cè)圖

表3為根據(jù)通呂運(yùn)河貫流泵站模型貫流泵裝置數(shù)值計(jì)算結(jié)果表，根據(jù)相似律對(duì)原型貫流泵裝置在特征揚(yáng)程下的性能預(yù)測(cè)，原型貫流泵裝置在+2°葉片安放角下，轉(zhuǎn)速110.0 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)于裝置設(shè)計(jì)總揚(yáng)程1.98 m工況，流量為33.560 m3/s，滿足單機(jī)流量33.330 m3/s的設(shè)計(jì)要求，對(duì)應(yīng)的裝置效率為71.70%；在裝置最大總揚(yáng)程3.67 m工況下，對(duì)應(yīng)的流量為25.370 m3/s。裝置效率為64.60%。

表3 通呂運(yùn)河貫流泵站原型貫流泵裝置性能預(yù)測(cè)表

6 結(jié) 論

根據(jù)通呂河水利樞紐泵站揚(yáng)程低、流量小的特點(diǎn)，選擇豎井貫流泵裝置、斜15°軸伸貫流泵裝置和燈泡貫流泵裝置3種常用的泵型作為泵站機(jī)組類型選擇的基礎(chǔ)，根據(jù)泵站運(yùn)行時(shí)間、安全可靠性等方面進(jìn)行綜合分析比較，排除斜15°軸伸泵方案，經(jīng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析，燈泡貫流泵造價(jià)高昂，綜合考慮選擇采用豎井貫流泵裝置作為泵站的機(jī)組型式。通過對(duì)已建高效豎井貫流泵裝置機(jī)組的綜合性能曲線比對(duì)，優(yōu)選TJ04 - ZL - 07號(hào)水力模型，并以此確定水泵的葉輪直徑為3.30 m，轉(zhuǎn)速為108.0 r/min。在葉片安放角+2°，設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.98 m時(shí)，泵裝置流量為33.56 m3/s，滿足單機(jī)流量33.33 m3/s的設(shè)計(jì)要求，對(duì)應(yīng)的裝置效率為71.70%。

通呂河泵站的泵裝置方案比選、水力模型的選擇及機(jī)組技術(shù)參數(shù)的分析方法可為類似泵站的初步設(shè)計(jì)提供參考。