陜西省交口抽渭灌區(qū)張家排水站水泵機(jī)組選型淺析

劉錦鋒，張曉鋒

（陜西省交口抽渭灌溉管理局，陜西 渭南 714000）

1 泵站概況及存在問題

張家排水泵站位于渭南市大荔縣張家鄉(xiāng)李家村南，孝排干溝入渭處，渭河防洪大堤里程樁44+310、渭於10 斷面上游，控制排水面積13.67 萬畝。內(nèi)設(shè)東、西兩個(gè)分站，共安裝6 臺(tái)泵組，總裝機(jī)功率885kW。泵站設(shè)計(jì)流量5.1 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程8.044 m。東站 1982 年 9 月開工，1983 月 11 月建成。安裝 3 臺(tái)20sh-28 雙吸離心泵，配套3 臺(tái)JS117-6 型115 kW 電動(dòng)機(jī)。裝機(jī)功率345 kW，設(shè)計(jì)抽排流量1.80 m3/s。西站1988 年春季開工，1990 年7 月建成。安裝3 臺(tái)32Sa-19D 雙吸離心泵，配套3臺(tái)JS138-10 型180 kW 電動(dòng)機(jī)。裝機(jī)功率540 kW，設(shè)計(jì)抽排流量3.30 m3/s。

張家排水站經(jīng)過三十余年運(yùn)行，主泵泵體、導(dǎo)葉體、葉片多處均產(chǎn)生了不同程度的汽蝕，泵軸、軸瓦、軸套磨損嚴(yán)重，填料密封破壞，影響水泵正常運(yùn)行；水泵效率與泵站效率降低，出水流量減少；機(jī)組振動(dòng)劇烈、噪音大；電動(dòng)機(jī)繞組絕緣老化，運(yùn)行溫升溫度都超過規(guī)程規(guī)定。設(shè)備帶病運(yùn)行，若遇洪澇災(zāi)害，不能保證正常除險(xiǎn)排澇。為使泵站達(dá)到設(shè)計(jì)要求，充分發(fā)揮其效益，急需對水泵進(jìn)行更新改造。

2 泵站設(shè)計(jì)流量及揚(yáng)程

2.1 泵站設(shè)計(jì)流量確定

根據(jù)交口抽渭灌區(qū)一、二期排水設(shè)計(jì)資料，排水標(biāo)準(zhǔn)按10 年一遇三日連續(xù)最大降雨100 mm 產(chǎn)生的地下徑流進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)徑流模數(shù)為0.055 m3/（s·km2），則設(shè)計(jì)流量Q=F×M=13.67×104×667×0.055/106=5.01 m3/s。F 為流域面積，km2；M 為徑流模數(shù)，m3/（s·km2）。

2.2 擬采用高程

結(jié)合工程實(shí)際，擬定進(jìn)水流道底面維持原高程不變即為334.903 m；進(jìn)水池地板高程332.903 m；電機(jī)層地板高程338.753 m；機(jī)房外地面高程338.303 m。根據(jù)《陜西省渭河全線整治規(guī)劃及實(shí)施方案》，渭河渭南段堤將加高加寬，為使穿堤管道敷設(shè)與將來的防洪堤改造設(shè)計(jì)參數(shù)相銜接，本次擬對張家排水泵站更新改造工程所在堤段進(jìn)行加高加寬。依據(jù)規(guī)劃及實(shí)施方案中該段防洪堤設(shè)計(jì)參數(shù)，站外堤頂高程為346.913 m（較原高程345.503 m 抬高1.41 m）。出水池底高程338.695 m（較原高程335.976 m 抬高2.719 m）；堤頂出水管中心高程344.43 m（較原高程343.947 m 抬高0.483 m）；出水池管中心高程339.795 m（較原高程337.176 m 抬高2.619 m）。

張家排水泵站所處渭河段50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位為343.73 m。堤頂出水管中心高程344.43 m，初擬管徑Dg1000 和Dg800，從而計(jì)算得堤頂出水管底高程為343.93 m 和344.03 m，分別高于50 年一遇洪水位0.2 m、0.3 m。

2.3 設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程

①進(jìn)水水位

按張排站前干溝設(shè)計(jì)斷面計(jì)算得：當(dāng)設(shè)計(jì)流量Q=5.01 m3/s時(shí)，對應(yīng)水深為1.70 m；當(dāng)最小流量Q=0.72 m3/s 時(shí)，對應(yīng)水深為0.70 m。張排站進(jìn)水流道底高程為334.903 m，則：設(shè)計(jì)下水位=進(jìn)水流道底高程+ 設(shè)計(jì)流量對應(yīng)水深- 過閘柵損失=334.903+1.70-0.20=336.403 m；最低下水位=進(jìn)水流道底高程+最小流量對應(yīng)水深- 過閘柵損失=334.903+0.70-0.20=335.403 m。

②出水水位

設(shè)計(jì)上水位取堤頂出水管管頂高程，即：700HLB-10(-2°)設(shè)計(jì)上水位 =344.43+0.50=344.93 m；600HLB-11(-4°)設(shè)計(jì)上水位=344.43+0.40=344.83 m。

③凈揚(yáng)程計(jì)算

700 HLB-10(- 2°)：Hmax凈= 設(shè)計(jì)上水位 - 最低下水位=344.93-335.403=9.527 m；Hmin凈= 設(shè)計(jì)上水位- 設(shè)計(jì)下水位 =344.93-336.403=8.527 m。

張家排水泵站原堤頂出水管底高程343.447 m，管徑Dg1000，原設(shè)計(jì)上水位為管頂高程即343.447+1.0=344.447 m，原設(shè)計(jì)下水位為336.403 m，原設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程=344.447-336.403=8.044 m，因此，本次計(jì)算所得設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程8.527 m 比原設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程高出0.483 m。

600 HLB-11(-4°)：Hmax凈= 設(shè)計(jì)上水位 - 最低下水位 =344.83-335.403=9.427 m

Hmin凈=設(shè)計(jì)上水位- 設(shè)計(jì)下水位=344.83-336.403=8.427 m

3 泵站水泵電動(dòng)機(jī)組選型論證

3.1 參選方案

依據(jù)泵站設(shè)計(jì)流量及揚(yáng)程，通過分析計(jì)算，提出三種可供比較的方案，分別為：方案Ⅰ（原泵型方案），即選用3 臺(tái)20sh-28 及3 臺(tái)32Sa-19D 臥式離心泵；方案Ⅱ，選用2 臺(tái)900ZLB-50 及 2 臺(tái)500ZLB-8.6 立式軸流泵；方案Ⅲ，選用 3 臺(tái)700HLB-10(-2°)及 2 臺(tái) 600HLB-11(-4°)立式混流泵。

3.2 方案比較論證

方案比較論證見表1。

表1 張排泵站水泵選型方案論證對比表

方案Ⅰ（原泵型方案），即選用 3 臺(tái) 20sh-28 及 3 臺(tái)32Sa-19D 臥式離心泵。該方案雖流量滿足規(guī)范要求，但水泵效率為81%，偏低，能源單耗為4.39 kW·h/（kt·m），偏高，故此方案不合理。

方案Ⅱ，選用2 臺(tái)900ZLB-50 及 2 臺(tái) 500ZLB-8.6 立式軸流泵。該方案雖流量滿足規(guī)范要求，但大小機(jī)組流量搭配不甚合理，運(yùn)行不靈活，且水泵效率為80.9%，偏低，能源單耗為4.35 kW·h/（kt·m），偏高，故此方案不是最佳方案。

方案Ⅲ，選用 3 臺(tái) 700HLB-10(-2°)及 2 臺(tái) 600HLB-11(-4°)立式混流泵。該方案總流量5.21 m3/s，較所需流量5.01 m3/s 大3.99%，滿足規(guī)范要求，大小機(jī)組搭配合理運(yùn)行靈活，水泵效率為86%，較高，能源單耗為3.88 kW·h/（kt·m），較低，各項(xiàng)指標(biāo)較理想。

交口灌區(qū)共建有任排、西排、張排、柳林四座排水泵站，裝機(jī)29 臺(tái)套，除張排站安裝6 臺(tái)臥式泵組外，其余3 座泵站均安裝立式泵組。從立式泵組及臥式泵組數(shù)十年的運(yùn)行管理情況來看，立式泵組啟動(dòng)不需排氣充水，啟動(dòng)方便迅速，啟動(dòng)時(shí)間一般在10 s 以內(nèi)，占地面積較小，要求泵房平面尺寸較小，管路短，水頭損失小，動(dòng)力機(jī)安裝在上層，便于通風(fēng)，有利于防潮、防洪；而臥式機(jī)組啟動(dòng)前需進(jìn)行排氣充水，啟動(dòng)時(shí)間較長，一般在5 min 以上，占地面積大，要求泵房有較大的平面尺寸，水泵吸水管路長、水頭損失大，泵組安裝位置較低，容易受潮、受淹，影響安全運(yùn)行。由于灌區(qū)汛期降雨量較集中，產(chǎn)流量較大，要求水泵迅速啟動(dòng)投入運(yùn)行及時(shí)將暴雨產(chǎn)生的田面積水排出，以減少作物淹水時(shí)間和淹水深度，保證作物正常生長，且泵站揚(yáng)程較低（小于10 m），結(jié)合灌區(qū)實(shí)際及多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，立式泵組較臥式泵組更能適應(yīng)排水泵站安全高效運(yùn)行的需要。另外，采用立式機(jī)組有利于防汛期間與其他排水泵站之間備品備件互用。綜上所述，方案Ⅲ明顯優(yōu)于其它各方案，故方案Ⅲ為推薦方案。

依據(jù)所選定的水泵軸功率、轉(zhuǎn)數(shù)、電壓等級等技術(shù)參數(shù)，按照《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50265-2010）和《泵站改造工程設(shè)計(jì)大綱》，700HLB-10 (-2°) 混流泵配套 YL2-315M-8 型 185 kW電動(dòng)機(jī)，600HLB-11(-4°)混流泵配套 YL2-315M-6 型 132 kW電動(dòng)機(jī)。

3.3 水泵工作點(diǎn)確定

以下只列出方案Ⅲ即 3 臺(tái) 700HLB-10 (-2°) 及 2 臺(tái)600HLB-11(-4°)立式混流泵工作點(diǎn)的詳細(xì)計(jì)算，其他方案的參數(shù)計(jì)算從略。

（1）裝置阻力參數(shù)（計(jì)算過程略）

①700HLB-10 (-2°) 混流泵：S=0.91 s2/m5；②600HLB-11(-4°)混流泵：S=1.73 s2/m5。

（2）水泵運(yùn)行工況計(jì)算

700 HLB-10(-2°)混流泵機(jī)組：①最大揚(yáng)程時(shí)，確保淹沒深度、不汽蝕、不過載及安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算當(dāng)Hmax凈=9.527 m時(shí)，Qmin=1.15 m3/s，h損=1.203 m，H設(shè)=10.73 m，N軸=144 kW,η泵=84%。②設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)，確保電機(jī)不過載及安全可靠運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算當(dāng) Hmin凈=8.527 m 時(shí)，Qmax=1.23 m3/s，h損=1.377 m，H設(shè)=9.90 m，N軸=139 kW,η泵=86%。見圖1、圖2。

圖1 700HLB-10(-2°)水泵性能曲線圖

圖2 700HLB-10（-2°）混流泵工作點(diǎn)確定圖

600 HLB-11(-4°)混流泵機(jī)組：①最大揚(yáng)程時(shí)，確保淹沒深度、不汽蝕、不過載及安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算當(dāng)Hmax凈=9.427 m時(shí)，Qmin=0.72 m3/s，h損=0.897 m，H設(shè)=10.32 m，N軸=86 kW,η泵=85%。②設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)，確保電機(jī)不過載及安全可靠運(yùn)行。經(jīng)計(jì)算當(dāng) Hmin凈=8.427 m 時(shí)，Qmax=0.76 m3/s，h損=0.999 m，H設(shè)=9.43 m，N軸=83 kW,η泵=85%。見圖3、圖4。

圖3 600HLB-11(-4°)混流泵特性曲線圖

圖4 600HLB-11（14°）混流泵工作點(diǎn)確定圖

（3）所需流量與泵站流量校核

700 HLB-10 (-2°) 混流泵：1.23 m3/s×3=3.69 m3/s；600HLB-11(-4°)混流泵：0.76 m3/s×2=1.52 m3/s；泵站總流量為5.21 m3/s，與所需流量5.01 m3/s 略偏大，滿足規(guī)范要求。

（4）在設(shè)計(jì)工況下，機(jī)組能源單耗和裝置效率

700 HLB-10(-2°)混流泵：η裝=69.2%，e=3.94 kW·h/（kt·m）；600HLB-11(-4°)混流泵：η裝=70.3%，e=3.88 kW·h/（kt·m）。

4 結(jié)語

2013 年，張家排水泵站更新改造工程完成，經(jīng)過這幾年運(yùn)行，水泵裝置效率明顯提高，能源單耗明顯下降，從平均6.13 kW·h/（kt·m）下降到3.88 kW·h/（kt·m），平均每年節(jié)約電能32 萬kW·h，年節(jié)省電費(fèi)22 萬元。泵站工程實(shí)施以來，逐年抽排地下水，改善當(dāng)?shù)佧}漬土地質(zhì)量，對提高糧食生產(chǎn)能力做出巨大貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。