古城區(qū)金安橋提水工程一級泵站水泵并聯(lián)工況校核點推求

李蘇航，蘇玉婷，劉冬冬

(1.陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安 710004；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 概述

古城區(qū)金安橋提水工程取水點為金沙江金安橋庫區(qū)，出水點為團山水庫。根據(jù)工程線路布置方案，工程主要由泵站工程及輸水工程組成。泵站工程總體布置于金沙江右岸，文化溝南線，一級泵站位置位于文化溝下游1.5 km突出的山體側(cè)，采用浮船取水；二、三級泵站布置于一級泵站與隧洞進口之間山坡緩坡處，采用干室型[1]泵站；管道采用DN1000鋼管、地埋方式布設(shè)。輸水工程總體沿麗寧工程(S991省道)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路(巖樂段、文化段)布置，由3段隧洞工程+5段管道工程(3段有壓管道+2段自流管道)組成，其中隧洞工程總長4.664 km，管道工程總長12.837 km。工程等別為工程為Ⅲ等中型工程，主要建筑物級別2級。

2 水泵型式

工程取水位置位于金安橋庫區(qū)，根據(jù)庫區(qū)運行調(diào)節(jié)方式，取水位變幅高達(dá)20 m，且?guī)熘馨哆叺匦蔚刭|(zhì)方面有較好的浮船安裝條件，故采用浮船取水方式。根據(jù)提水分級情況，一級泵站揚程約385 m，需選用多級泵提水。多級泵通常分為臥式多級泵和立式多級泵。參照廠家提供的兩種泵型樣本資料，立式多級泵流量較小，需要選擇的臺數(shù)較多，而臥式多級泵流量較大，更適用于本工程。同時，臥式多級泵在運行時更平穩(wěn)，效率也較立式多級泵高，故本次選用臥式多級泵[2]。臥式多級泵[3]的結(jié)構(gòu)安全可靠，密封可靠，使用壽命長，具有良好的氣蝕安全性能，高效率、低維護率，適應(yīng)各種介質(zhì)，可適用于大流量，高揚程供水工程[4]。

3 水泵主要參數(shù)

3.1 水泵臺數(shù)

本工程設(shè)計流量1.32 m3/s，即4752 m3/h，綜合考慮流量、揚程與水泵選型匹配，水泵臺數(shù)采用4用2備，單臺泵流量1188 m3/h，揚程380 m，單機功率1800 kW。

3.2 水泵額定轉(zhuǎn)速

根據(jù)泵站的最大揚程、設(shè)計引用流量等參數(shù)，參考目前國內(nèi)類似規(guī)模的泵組制造和運行業(yè)績，結(jié)合初設(shè)階段泵站設(shè)計條件、機組選擇臺數(shù)及水泵廠家相關(guān)資料，選擇適合三級泵站設(shè)計流量1188 m3/h、揚程385 m的中開多級泵，泵房型式為浮船型式。根據(jù)本工程水源泥沙含量不高的情況，結(jié)合泵站設(shè)計參數(shù)，經(jīng)咨詢多個廠家，適合本工程的水泵額定轉(zhuǎn)速基本均為1480 r/min，屬于較低轉(zhuǎn)速水泵。

3.3 水泵效率

參照水泵制造廠提供技術(shù)資料，水泵效率約在0.83～0.87之間，考慮含沙水流對水泵過流部件磨蝕的影響及多級泵級間損失，本階段確定水泵設(shè)計效率[5-6]為0.85。

一級站設(shè)計揚程361.5 m～381.5 m；揚程范圍363.63 m～383.73 m；最大軸功率1545 kW；額定轉(zhuǎn)速1480 r/min；比轉(zhuǎn)速ns=35 r/min；NPSHr=4.2 m；運行方式：工頻運行。

參考廠家樣本資料，單臺水泵特性參數(shù)及特性曲線分別見表1和圖1。

表1 水泵特性參數(shù)表

圖1 水泵性能曲線

3.4 水泵配套電動機

根據(jù)《水泵設(shè)計規(guī)范》(GB 50265-2010)規(guī)定，泵站配套電動機輸出功率應(yīng)按水泵可能出現(xiàn)的最大軸功率選配，電動機儲備系數(shù)取1.05～1.1倍，由此確定各級泵站電動機主要技術(shù)參數(shù)：型式為YRBF630-4-1800三相異步電動機；功率1800 kW；轉(zhuǎn)速1489 r/min；電壓380 V；額定電流205.3 A；冷卻方式為空冷；數(shù)量6臺(4用2備)。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 設(shè)備指標(biāo)校核

根據(jù)本工程情況，工程設(shè)計工況為四泵并聯(lián)運行。

4.1.1 水泵運行工況分析

①并聯(lián)管道水泵工作點推求

為了檢驗泵型及管路配置是否合適，應(yīng)進行水泵裝置工作點校核[7]，要求工作點落在水泵高效率范圍內(nèi)，否則應(yīng)重新選泵，或改變管路配置情況，或進行調(diào)節(jié)。

裝置性能參數(shù)計算：

H需=H凈+KSQ2=H凈+K(S沿+S局)Q2

式中：H凈為泵站凈揚程，m；S沿為管路沿程阻力系數(shù)；S局為管路局部阻力參數(shù)；Q為通過管路的流量，m3/s；n為管路材料糙率，本次取0.013；D為管路直徑，m；L為管線長度；ξ為管路局部阻力系數(shù)；D局為局部阻力系數(shù)相應(yīng)流速處管徑；K為修正系數(shù)，取1.1。

一級泵站的水泵在各運行工況時的管路阻力系數(shù)S計算結(jié)果見表2。

表2 一級站阻力系數(shù)S計算結(jié)果

4.1.2 水泵工作點推求

運行水泵并聯(lián)運行工作點的校核，需確定水泵在不同工作揚程下的水泵工作點[8]，然后分析是否滿足設(shè)計要求。

按同一比例，將四臺或水泵并聯(lián)后總性能曲線與并聯(lián)管路系統(tǒng)特性曲線Q-H需繪到同一坐標(biāo)系中，得兩曲線的交點A，A為并聯(lián)工作點，由A向左作水平線與水泵性能曲線Q-H交于A′，A′即為并聯(lián)運行時每臺水泵的工作點。各泵站工作點見圖2～圖4。

圖2 一級泵站(最高水位)工作點推求

圖3 一級泵站(設(shè)計水位)工作點推求

圖4 一級泵站(最低水位)工作點推求

根據(jù)上圖，可知一級泵站的水泵在并聯(lián)和單泵運行時的工作點，相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 一級泵站水泵工作點參數(shù)

根據(jù)上述計算可知，一級泵站水泵流量能夠滿足提水要求，匹配較好，在水位變幅范圍內(nèi)三種工況下均能滿足設(shè)計流量要求，且均在高效區(qū)運行，故選取的水泵是合適的。但是從計算結(jié)果和廠家的水泵特性曲線可以看出，該水泵曲線中流量偏大，水泵性能參數(shù)還可進一步優(yōu)化，建議設(shè)備招標(biāo)時要求廠家按照設(shè)計流量及揚程對水泵葉輪直徑進行優(yōu)化，更好地滿足本工程的需要。

4.2 電機功率復(fù)核

單泵運行時，水泵的電機功率為最大，為保證所選電機功率滿足各工況下水泵運行的要求，本次對單泵運行時水泵所需功率進行復(fù)核計算。

電機有效功率為水經(jīng)過水泵后所得到的凈功率，也稱水泵的輸出功率，用N效表示；軸功率為水泵的有效功率和泵內(nèi)損失功率之和，用N軸表示?？砂聪率接嬎悖?/p>

式中：ρ為水的密度，本次根據(jù)當(dāng)?shù)厮鲯渡城闆r，取為1050 kg/m3；Q為水泵流量，m3/s；H為水泵揚程，m；η泵為運行工況下水泵運行效率，%。

經(jīng)計算，三座泵站水泵所需電機的有效功率和軸功率見表4。

表4 一級泵站水泵電機功率計算表

由表4計算結(jié)果，并結(jié)合水泵工作點推求的單泵軸功率可知，最大軸功率即水泵在單泵運行時的軸功率滿足水泵運行需要，并留有不小于5%的富裕度，滿足規(guī)范要求，故所選電機是合適的，水泵泵型選擇和電機選全滿足設(shè)計要求。

4.3 泵站裝置效率預(yù)測

本泵站的抽水裝置主要由動力機、水泵、管路、出水池組成。泵站裝置效率按下式計算：

η裝=η泵η動η傳η管

式中：η裝為泵站裝置效率，%；η泵為運行工況下水泵運行效率，%；η動為電動機的效率，取95%；η傳為傳動裝置效率，直接傳動，取值1；η管為進、出水管路效率，η管=H凈/H總，%。

三座泵站水泵裝置效率預(yù)測結(jié)果見表5。

表5 水泵裝置效率預(yù)測

上述計算結(jié)果顯示，各級泵站的裝置效率達(dá)到規(guī)范要求的70%以上。根據(jù)實際情況結(jié)合國家規(guī)范要求，在招標(biāo)時，應(yīng)提高水泵效率要求，選擇高效率的水泵，三級泵站的裝置效率符合規(guī)范要求。

4.4 水泵安裝高程

根據(jù)本階段獲得的廠家資料，并參照泵站工程的經(jīng)驗，安全余量系數(shù)k=1.1～1.5，本階段取1.5；設(shè)計揚程下必需NPSH為4.2 m，一級泵站取水口處金沙江水位變幅為1398 m～1421 m，初步選定為浮船取水方式，船體可隨江面水位變化升降，安裝高程相應(yīng)變化；結(jié)合浮船泵站總體結(jié)構(gòu)布置設(shè)計并留有裕量后，本階段初步確定水泵安裝高程[9-10]高于水位1 m。二、三級泵站水泵安裝高度公式計算(本文不做計算)。

5 結(jié)語

1)根據(jù)本工程情況，并聯(lián)工況下，水泵流量能夠滿足提水要求，匹配較好，在水位變幅范圍內(nèi)三種工況下均能滿足設(shè)計流量要求，且均在高效區(qū)運行，但是從計算結(jié)果和廠家的水泵特性曲線可以看出，水泵性能參數(shù)還可進一步優(yōu)化。

2)水泵在單泵運行時的軸功率滿足水泵運行需要，并留有不小于5%的富裕度，滿足規(guī)范要求，水泵泵型選擇和電機選全滿足設(shè)計要求。

3)各級泵站的裝置效率達(dá)到規(guī)范要求的70%以上。根據(jù)實際情況結(jié)合國家規(guī)范要求，在招標(biāo)時，應(yīng)提高水泵效率要求，選擇高效率的水泵，三級泵站的裝置效率符合規(guī)范要求。