一種管軌一體斜拉式潛水泵設(shè)計及其應(yīng)用

陳緒勛，吳 瑕， 張建濤，潘少斌，黃 成

(1. 湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢430070；2. 湖北省節(jié)水研究中心，武漢 430070； 3.湖北拓宇科技有限公司，湖北 荊州 434300)

1 概 述

對于水源為河流的小型提水泵站，因河流的水位變幅較大，一般采取移動式泵站，其裝置主要分為定點作業(yè)式和流動作業(yè)式，其中定點作業(yè)式泵站又可分為浮船式(含浮箱式)、纜車式、潛水吊裝式[1]，在農(nóng)田灌溉、生活供水、應(yīng)急抗旱等多方面均有廣泛應(yīng)用。

浮船式移動泵站[2,3]主要由泵船、水上水泵機(jī)組、出水管、兩側(cè)斜拉梁、旋轉(zhuǎn)管接頭等設(shè)備組成，主要適用水源水位變幅大(大于10 m)、水位漲落速度慢(小于2 m/h)、河岸較陡停泊條件良好的河道[4]。其優(yōu)點在于運行可靠，不易淤塞，性能優(yōu)越；主要缺點在于投資造價較高，施工難度大，施工工期長，設(shè)備安裝、維護(hù)困難。

纜車式移動泵站[5,6]主要由軌道、出水管道、泵車、水上水泵機(jī)組和多個耦合口組成，工作過程為水泵機(jī)組安裝在一個移動泵車上，根據(jù)水位的高低移動泵車，并通過出水管道上的多個出水口與接口連接。主要適用水源水位變幅大(大于10 m)、水位漲落速度慢(小于2 m/h)、河岸傾角較小(小于30°)的河道[4]。其優(yōu)點是水泵綜合性能相對潛水泵站而言較強；缺點在于建筑工程造價較高，施工安裝過程復(fù)雜，耦合口容易淤塞，運行管理不方便。

潛水吊裝式移動泵站[7,8]主要由軌道、出水管道、耦合口、潛水泵機(jī)組組成，潛水泵安裝形式主要分為井筒式安裝、懸吊式安裝、斜拉式安裝、固定式安裝、自由移動式安裝[9]。其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、適用性廣、安裝形式多樣化、使用方便，可大幅節(jié)省工程投資等[9]；主要缺點為運行時耦合口易漏水，淤塞嚴(yán)重，處理困難。

2 常規(guī)設(shè)計方案

以某外江灌溉站為例進(jìn)行方案設(shè)計，該泵站為小型農(nóng)田水利重點縣項目的建設(shè)內(nèi)容之一，位于松東河右岸堤防上，設(shè)計流量550 m3/h，設(shè)計揚程為14.4 m，水位變幅為10 m。根據(jù)地形及水位變幅情況，擬選用一臺250QW600-15-45型潛水泵，其額定流量為600 m3/h，額定揚程為15 m，出水管管徑350 mm，功率45 kW。

采用潛水吊裝式、浮船式(含浮箱式)、纜車式移動式泵站三種結(jié)構(gòu)類型，結(jié)合本工程實際，形成以下4種設(shè)計方案。

方案1：垂直式安裝(配備棧橋)。設(shè)置混凝土基座，在基座安裝潛水泵固定滑桿、出水管耦合底座，為方便潛水泵起吊、安裝及維修，設(shè)置交通棧橋及泵房，如圖1所示。水泵通過電動葫蘆可以沿鉛直的導(dǎo)軌上下自由移動，水泵放下時，通過水泵自重產(chǎn)生的力矩，耦合裝置自動與耦合底座相耦合；當(dāng)水泵提升時，水泵與耦合底座自動脫開。該方案的優(yōu)點是潛水泵吊裝及維修比較方便；缺點是建筑工程投資較大，施工期需要圍堰，運行一段時間需要對泵站基座進(jìn)行清淤。

圖1 設(shè)計方案1Fig.1 Scheme 1

方案2：垂直式安裝(不配備棧橋)。設(shè)置混凝土基座，在基座安裝潛水泵固定滑桿、出水管耦合底座，相對于方案1，取消了交通棧橋，如圖2所示。該方案的優(yōu)點是建筑工程投資相對較?。蝗秉c是潛水泵維修及吊裝比較麻煩，不利于后期運行管理，施工期需要圍堰，運行一段時間需要對泵站基座進(jìn)行清淤。

圖2 設(shè)計方案2Fig.2 Scheme 2

方案3：斜拉式安裝。設(shè)置混凝土基座，在基座安裝潛水泵固定滑桿、出水管耦合底座，并配備小型卷揚機(jī)，如圖3所示。該方案的優(yōu)點是建筑工程投資相對較小，方便潛水泵吊裝及維修；缺點是斜拉式安裝以及混凝土基座與金屬滑桿產(chǎn)生的相對位移可能導(dǎo)致耦合口密封性不佳，運行一段時間需要對泵站基座進(jìn)行清淤，施工期需要圍堰。

圖3 設(shè)計方案3Fig.3 Scheme 3

方案4：浮箱式安裝。考慮到本工程規(guī)模較小，浮船式泵站投資較大，故采用浮箱式潛水泵形式，將潛水泵固定在浮筒下，并配備船錨、鋼絲繩、軟連接(出水管)，如圖4所示。該方案的優(yōu)點是建筑工程投資少，不存在淤積問題，無需施工圍堰；缺點是運行管理麻煩，需要根據(jù)水位頻繁調(diào)整水管接頭。

圖4 設(shè)計方案4Fig.4 Scheme 4

3 一種新的方案設(shè)計

以上4個方案中，存在以下問題：投資過高(方案1)、施工期需要打圍堰(方案1～3)、后期管理不方便(方案2、4)、潛水泵易淤積(方案1～3)等問題。相對而言方案3為四個方案中相對較好的方案，但也有以下缺點：潛水泵基座不均勻沉降可能導(dǎo)致耦合口密封不嚴(yán)，施工期需要圍堰，潛水泵耦合口易淤積，清淤困難。

因此，為了解決以上問題，現(xiàn)設(shè)計了一種管軌一體斜拉式潛水泵，即方案5。

方案5：管軌一體斜拉式安裝。該方案主要由潛水泵及泵車、出水鋼管(帶軌道)、卷揚機(jī)房組成，如圖5所示。該方案相對方案3主要做了以下改進(jìn)：首先，將潛水泵軌道與出水鋼管焊接在一起，潛水泵配備一個泵車，相對于潛水泵斜拉式安裝(方案3)，不會出現(xiàn)因潛水泵混凝土基座不均勻沉降導(dǎo)致耦合口密封性差的情況；相對于纜車式移動泵站，取消了鋼軌、枕梁等，節(jié)約了工程投資。其次，枯水期施工時，可將管道(帶軌道)觸水端懸空伸入水中4～6 m，則無需圍堰施工，其主要的建筑工程為管道鎮(zhèn)墩、砼踏步、泵房等，施工工期短，工程投資少。最后，可采用水泵與耦合口錯位運行的方式，使得水流從泵車與管道間隙中沖出，起到清淤的作用。

圖5 設(shè)計方案5Fig.5 Scheme 5

將5種設(shè)計方案的投資造價及相關(guān)優(yōu)缺點列入表中，如表1所示。從建筑工程投資來看，方案4和方案5較少，除了泵房外，主要是管道鎮(zhèn)墩及踏步，其余3種方案均需要混凝土基座；機(jī)電設(shè)備投資五種方案基本一致；從金屬結(jié)構(gòu)投資來看，方案1、方案2和方案3投資較少，方案4的浮筒(船)、船錨、出水鋼管等投資較大，方案5的泵車、耦合口、出水鋼管投資較大；從臨時工程投資來看，因為取水水位較低，方案1、方案2和方案3枯水期施工時需要圍堰，方案4施工無需圍堰，方案5施工時，管道通過鎮(zhèn)墩固定，出水管觸水的一端可以懸伸4～6 m，也無需采用圍堰施工；從總投資來看，方案4和方案5總投資較少。

表1 泵站設(shè)計方案比選Tab.1 Comparison and Selection of Pumping Station Schemes

從施工工期來看，方案4和方案5建筑工程投資較低且無需圍堰施工，施工工期較短。從運行管理來看，方案2和方案4，沒有固定卷揚機(jī)等設(shè)備，不利于運行管理及維修；方案1、方案3和方案5有卷揚機(jī)和泵車或者滑桿，其運行管理檢修相對方便。從淤積問題來看，方案1、方案2和方案3運行時間久后，易產(chǎn)生泥沙淤積堵塞耦合口等問題，清淤較為不便；方案4不存在淤積問題；方案5容易產(chǎn)生泥沙淤積問題，但可以通過潛水泵與耦合口錯位運行的方式，起到清淤效果。

經(jīng)過以上分析，方案5總投資少，施工工期短，運行管理方便，且可以解決泥沙淤積問題，為最優(yōu)方案。該外江灌溉站采用管軌一體斜拉式潛水泵方案，于2015年建成使用，經(jīng)過4年的運行檢驗，泵站運行情況良好，得到了用水單位的好評。

4 新方案結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況介紹

管軌一體斜拉式潛水泵，主要由出水鋼管(兼軌道)、水泵及泵車、卷揚機(jī)等組成[10]。如圖6示，出水鋼管兩側(cè)焊接泵車軌道(工字鋼)，管道底部設(shè)置有金屬擋塊，其作用是固定泵車位置，管道底部設(shè)置磁性復(fù)位板，當(dāng)泵車下滑至底部時，磁性復(fù)位板被泵車抵開，耦合口與水泵出水口相耦合，形成水流通道；當(dāng)泵車被拉起時，磁性復(fù)位板恢復(fù)原位，并將出水鋼管進(jìn)水口擋住，防止泥沙進(jìn)入出水管；泵車主體結(jié)構(gòu)為弧形，與出水鋼管貼合，泵車設(shè)置有泵車滑輪、清淤提升裝置，泵車與潛水泵采用法蘭盤連接，并且裝有弧形蝶式無接觸密封裝置[10]。實行清淤工況時，將泵車向上提起，泵車在清淤提升裝置作用下向上抬起，離開出水管道表面約20～40 mm，磁性復(fù)位板復(fù)位，此時水泵的水不能再從出水鋼管中壓出，只能從泵車與出水鋼管中的間隙噴出，定向沖刷出水鋼管及泵車軌道表面及附近的泥沙；通過鋼絲繩帶動泵車在軌道上下移動即可將出水鋼管及泵車軌道表面及附近的泥沙沖刷干凈。

據(jù)調(diào)查，目前該類型泵站最大的一處為從長江取水，單機(jī)流量1 000 m3/h，揚程28 m，單機(jī)功率132 kW。近年來，管軌一體斜拉式潛水泵在外江取水工程中逐步得到運用，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 管軌一體斜拉式潛水泵設(shè)計圖[10]Fig.6 Design drawing of the pipeline-rail integrated cable-stayed submersible pump[10]

5 結(jié) 語

根據(jù)目前小型外江取水泵站存在的問題，提出了管軌一體斜拉式潛水泵設(shè)計方案，其具有以下優(yōu)點：①工程投資少，主要建筑工程為管道鎮(zhèn)墩、管道沿線坡面護(hù)砌(踏步)及泵房等；②施工周期短，泵車機(jī)組管、軌一體化，可在工廠預(yù)先制作完成，縮短了設(shè)備安裝時間，出水鋼管安裝時可直接延伸至最低運行水位以下，一般無需圍堰施工；③解決了潛水泵淤積問題，可采用潛水泵與耦合口錯位運行的方式，進(jìn)行自動清淤；④工程安裝、維修及運行比較方便。

管軌一體斜拉式潛水泵已成功應(yīng)用于工程實踐，取得了良好效果，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

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