潛水貫流泵裝置在揚州閘泵站中的應(yīng)用分析

葛恒軍， 袁海霞， 丁 平， 蔣東進， 楊 帆

(1.揚州市勘測設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 揚州 225007；2.揚州市水利工程建設(shè)中心， 江蘇 揚州 225001； 3.揚州大學(xué)， 江蘇 揚州 225009)

貫流泵以電機與齒輪箱的安裝布置位置不同主要被劃分為豎井式、軸伸式與潛水式，屬于低揚程臥式軸流泵，其進出水流道位于一條直線上，且結(jié)構(gòu)緊湊，水力損失少，效率高，常應(yīng)用于低洼地區(qū)的排澇及灌溉[1]。隨著城市建設(shè)的愈發(fā)完善，城市供水與防洪排澇的要求對泵站的建設(shè)提出了更高的要求，在此社會背景下，對低揚程泵站的研究顯得尤為重要。潛水貫流泵裝置利用潛水電泵的技術(shù)，其水泵轉(zhuǎn)輪、后導(dǎo)葉、齒輪箱、電機連為一體布置在流道中，相較于其他泵型，其具有水力性能好、效率高、流道水力損失小及土建結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[2]，因此在沿江濱湖地區(qū)的低揚程泵站中得到了較好的應(yīng)用，如廣東佛山的沙頭電排站、上海北橫涇泵站等工程。近年來國內(nèi)外的學(xué)者對潛水貫流泵裝置展開了不少的研究，如方桂林等[3]針對灌北、善南泵站設(shè)計揚程特低的特點，選用了潛水貫流泵裝置，針對該泵裝置，從水力性能、土建結(jié)構(gòu)、效率等方面進行了綜合分析，并在工程應(yīng)用當(dāng)中取得了理想的效果；楊帆等[4]分析了燈泡體段對雙向潛水貫流泵裝置正反向運行的影響；嚴繼松等[5]研究了雙向潛水貫流泵裝置的能量與振動特性；付強等[6]采用RNGk-ω湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)對無導(dǎo)葉、直導(dǎo)葉、彎導(dǎo)葉潛水式貫流泵進行了非定常數(shù)值計算，分析了不同工況下監(jiān)測點的壓力脈動分布規(guī)律；趙政等[7]分析了國內(nèi)外現(xiàn)有雙向功能泵組及泵站的結(jié)構(gòu)形式，進行了技術(shù)經(jīng)濟比選，同時針對上海市木瀆港泵閘工程的設(shè)計，提出了大型雙向潛水泵泵組選擇的原則及應(yīng)用趨勢。由上述可知，本領(lǐng)域的學(xué)者與相關(guān)的工程技術(shù)人員針對潛水貫流泵裝置取得的研究成果與工程技術(shù)經(jīng)驗在國內(nèi)外眾多低揚程泵站中均得到了成功的應(yīng)用，同時在應(yīng)用潛水貫流泵裝置的泵站運行管理方面也積累了豐富的經(jīng)驗。

本文以揚州閘泵站為研究對象，探討該泵站泵裝置的結(jié)構(gòu)選型，在滿足抽排、抽引雙向抽水的工程需求的基礎(chǔ)上，對單向潛水貫流泵裝置的電機前后置進行方案比選。

1 工程概況

古運河北有揚州閘與淮河連接，南邊有瓜洲閘與長江相連通，主要依靠水位差自流排澇，是整個揚州市主城區(qū)外圍防洪圈的主要排澇河道。揚州城區(qū)現(xiàn)有泵站67座，設(shè)計總抽排流量82.59 m3/s，城區(qū)排水入古運河能力基本上達到了10年一遇的標(biāo)準(zhǔn)，但汛期時長江及淮河的水位增高將導(dǎo)致古運河自排受阻，嚴重威脅揚州市整個主城區(qū)的防洪排澇安全。建設(shè)古運河外排泵站是解決汛期主城區(qū)澇水外排的關(guān)鍵工程。

揚州閘泵站位于原揚州閘北側(cè)節(jié)制閘位置處。原揚州閘未建泵站，主要依靠揚州北高南低的地形優(yōu)勢將澇水排入古運河后才能入江、入淮。在干旱及洪澇時期，水位的變化將導(dǎo)致古運河水位無法實現(xiàn)自引自流。所以新建揚州閘泵站進行排澇與引水顯得尤為重要，揚州閘泵站是主城區(qū)治理方案中關(guān)系全局的關(guān)鍵性工程，同時也是揚州市城市防洪建設(shè)的重中之重。經(jīng)過進一步的論證，揚州閘泵站的抽排設(shè)計流量為72 m3/s，抽引設(shè)計流量為29 m3/s，屬于大(Ⅱ)型特低揚程泵站，泵站特征揚程如表1所示。

表1 泵站特征揚程 單位：m

揚州閘泵站的主要任務(wù)是排除揚州市城區(qū)及周圍區(qū)域的澇水及匯水，控制古運河水位，提高城市防洪能力的重要民生工程。揚州閘泵站泵裝置的選型需要從技術(shù)、經(jīng)濟以及運行管理等方面進行綜合考慮，機組在滿足經(jīng)濟合理的同時需要保證高效率，且高效范圍寬；機組的運行要安全可靠，在國內(nèi)外成功運用并且取得了很好的技術(shù)經(jīng)驗；汛期來水大，需要機組調(diào)節(jié)靈活、操作方便，以應(yīng)對流量需求的變化；汽蝕性能好，減少機組在使用期間的檢修次數(shù)。

2 泵裝置結(jié)構(gòu)比選

揚州閘泵站具有運行揚程低、流量大、雙向抽水及年運行時間短等特點。揚州閘泵站以抽排為主，結(jié)合抽引，設(shè)計抽排流量72 m3/s，抽引流量為29 m3/s，抽排與抽引流量相差較大。本工程泵站抽排設(shè)計凈揚程為2.44 m，抽引的設(shè)計凈揚程僅為0.65 m，屬于特低揚程泵站[2]，宜采用裝置效率相對較高且開挖深度小、結(jié)構(gòu)簡單、便于管理的單雙向組合臥式裝置機組型式的貫流泵，雙向貫流泵使用時只要改變電機旋向，就可以實現(xiàn)雙向抽水，而無需把電泵拆卸掉頭。具有雙向功能的貫流泵裝置主要有燈泡式貫流泵裝置、豎井式貫流泵裝置、平面S形貫流泵裝置以及潛水貫流泵裝置4種裝置形式，此4種貫流泵裝置在實際工程中均得到了較好的應(yīng)用[2]，根據(jù)揚州閘泵站的運行特點，結(jié)合現(xiàn)有的地形條件及以往類似的工程經(jīng)驗，基于4種泵裝置的優(yōu)缺點及各自的應(yīng)用效果進行綜合比選。

(1)方案1：燈泡貫流泵裝置。該泵裝置中的水流方向基本上軸向通過流道，并軸對稱流過水泵的葉片，最符合水泵葉輪設(shè)計的基本假設(shè)條件，理論上這種結(jié)構(gòu)型式水力性能較佳，流道效率高，其裝置水力性能優(yōu)于立式機組，能降低泵站運行成本。但是，在低揚程或極低揚程情況下，燈泡貫流式泵裝置要獲得的中高揚程立式水泵裝置的效率，在目前的技術(shù)水平下仍難以實現(xiàn)。另外，由于燈泡貫流泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出水流道較短，對出水流道和后導(dǎo)葉體等水力元件較高的泵站，安裝維修不便。

(2)方案 2：豎井貫流泵裝置。豎井貫流式機組與燈泡貫流式相比，結(jié)構(gòu)簡單，造價較低。由于豎井開敞，通風(fēng)和防潮條件良好，運行和維護也較方便。水流從豎井的兩側(cè)引入水泵(前置)或排向出水側(cè)(后置)，水力性能介于燈泡貫流式和軸伸貫流式之間。豎井本身尺寸笨重、剛度大，受力及變形分析比較簡單，傳力路徑明確，不像燈泡貫流式機組那樣需要進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的模擬分析和模型試驗。該泵裝置造價低，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠且適用范圍廣，但效率一般，土建投資較大。

(3)方案3：軸伸貫流泵裝置。軸伸貫流式機組型式多種多樣，主水泵機組的主要部件經(jīng)常處于水面以上，對密封的要求比較低，檢查、維修和保養(yǎng)方便，拆卸時不必像立式泵那樣需要拆除電動機。單位面積上的荷載小，尤其適合于軟土地基。起重機的起吊荷載小，提升高度小，泵房結(jié)構(gòu)相對簡單。結(jié)構(gòu)上避免了燈泡貫流泵的一些缺點，易于運行管理和維護。但是由于其進出水流道沒有燈泡貫流泵順直，有彎管存在，從而增加了流道的水力損失，裝置效率稍遜于燈泡貫流泵。

(4)方案4：潛水貫流泵裝置。潛水貫流泵式機組的水泵轉(zhuǎn)輪、后導(dǎo)葉、齒輪箱、電機連為一體直接布置在流道中，機組段采用全金屬殼體，整體吊裝，安裝方便。電機、齒輪箱在水中，設(shè)備外殼利用流動的水流冷卻，潛水電機設(shè)有滲漏、過載、過流、溫度等檢測、保護裝置。潛水貫流式機組利用了潛水電泵的技術(shù)，保持了燈泡貫流泵水力性能好、效率高的特點，具有土建結(jié)構(gòu)簡單、機組結(jié)構(gòu)緊湊、流道水力損失小等優(yōu)點，但設(shè)備可靠性要求高，密封止水要求高。

燈泡式貫流泵結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對密封性要求較高，維修不方便，后期的運行維護成本高。若采用豎井貫流泵方案，由于豎井的空間狹小，電機和齒輪箱等被布置在狹小的豎井里面，會給安裝以及后期的檢修帶來很大的不便。軸伸貫流式包括平面軸伸貫流式和立面軸伸貫流式2種型式，分別采用平面S形流道和立面S形流道，電動機和齒輪箱布置在流道外側(cè)，水泵軸伸出流道外與電機、齒輪箱連接，具有結(jié)構(gòu)簡單，通風(fēng)防潮條件良好，運行維護方便，密封止水要求不高等優(yōu)點，但軸伸貫流式機組直徑不宜過大，否則會造成機組主軸太長，而且中間沒有任何支承，導(dǎo)致機組運行不穩(wěn)定。潛水貫流式泵站結(jié)構(gòu)緊湊，能降低土建的成本，并且現(xiàn)場安裝方便快速，產(chǎn)生的噪聲低，泵站內(nèi)無高溫，具有極高的可靠性，雖然潛水泵的檢修需要返廠處理，但是由于揚州閘泵站的年運行時間短，有充足的時間進行返廠檢修，故不影響揚州閘泵站的運行管理，因此推薦采用潛水貫流泵方案。

3 電機前后置方案的數(shù)值比選

揚州閘泵站共4臺機組，其中2臺采用單向潛水貫流泵裝置，2臺采用雙向潛水貫流泵裝置，電機的安置位置對單向潛水貫流泵裝置水力性能的影響較為明顯[8]，本文采用數(shù)值模擬方法對揚州閘泵站初設(shè)單向潛水貫流泵裝置的電機前后置進行方案比選。

3.1 流場計算區(qū)域

圖1為電機前置的單向潛水貫流泵裝置單線圖，圖2為電機后置的單向潛水貫流泵裝置單線圖。電機前后置潛水貫流泵裝置的三維湍流流動數(shù)值計算區(qū)域包括進水流道、葉輪、導(dǎo)葉、電機段、出水流道等 5個部分組成?；谀Ｐ捅醚b置進行CFD計算，采用PTC Creo和ANSYS ICEM軟件對進水流道和出水流道進行實體建模與網(wǎng)格剖分，通過角度值和雅克比行列式對網(wǎng)格質(zhì)量進行檢測，雅克比行列式值均大于0.4，滿足。采用ANSYS Turbogrid軟件對葉輪和導(dǎo)葉體建模與網(wǎng)格剖分，葉輪網(wǎng)格正交性角度在21°～161°之間，導(dǎo)葉網(wǎng)格正交性角度在37°～158°之間，滿足文獻[10]對網(wǎng)格的正交性角度要在15°～165°之間的要求。

圖1 單向潛水貫流泵裝置單線圖(電機前置)

圖2 單向潛水貫流泵裝置單線圖(電機后置)

3.2 控制方程及邊界條件

泵裝置內(nèi)部流動介質(zhì)為水，可簡化為不可壓縮的牛頓液體，采用的控制方程為雷諾平均N-S方程(RANS)，紊流模型采用SSTk-ω紊流模型。

為了更好地模擬泵裝置內(nèi)部流動，在進水流道前加一段延伸段，進口設(shè)置在延伸段的進口斷面，采用總壓進口條件，總壓設(shè)置為1 atm。同樣地，在出水流道后也增加一段延伸段，將計算流場的出口設(shè)置在出水流道后的延伸段的出口斷面，出口斷面采用質(zhì)量流量出流。紊流模型不適用于壁面邊界層內(nèi)的流動，所以對壁面需進行處理才能保證模擬的精度。泵裝置的進、出水流道、葉輪外殼及導(dǎo)葉體均設(shè)置為靜止壁面，應(yīng)用無滑移條件，近壁區(qū)采用可伸縮壁面函數(shù)。

3.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

圖3和圖4分別為電機前置的單向潛水貫流泵裝置三維流線圖及內(nèi)部斷面速度分布圖，電機前置的潛水貫流泵裝置的進水流道內(nèi)部流線平順，水流貼合壁面，入流狀態(tài)較好，而出水流道內(nèi)部出現(xiàn)了脫流區(qū)域，水流呈螺旋狀，在出水流道內(nèi)部斷面也存在相應(yīng)的低速區(qū)。采用文獻[10]中泵裝置能量性能的預(yù)測方法，電機前置的單向潛水貫流泵揚程為2.65 m，泵裝置效率為74.49%。

圖3 潛水貫流泵裝置內(nèi)部流線圖(電機前置)

圖4 潛水貫流泵裝置內(nèi)部速度云圖 (電機前置)

圖5和圖6分別為電機后置的單向潛水貫流泵裝置三維流線圖及內(nèi)部斷面速度分布圖，電機后置時，進出水流道內(nèi)部的流場較電機前置時得到了明顯的改善，流道內(nèi)部的脫流區(qū)域明顯減少。電機后置的單向潛水貫流泵在揚程2.69 m時，泵裝置效率為76.9%。綜上對比分析，電機后置的單向潛水貫流泵裝置性能明顯優(yōu)于電機前置方案，揚州閘泵站單向潛水貫流泵裝置選擇電機后置方案，并基于此后期將開展?jié)撍灹鞅醚b置結(jié)構(gòu)的水力優(yōu)化，以期進一步提升泵裝置的效率。

圖5 潛水貫流泵裝置內(nèi)部流線圖(電機后置)

圖6 潛水貫流泵裝置內(nèi)部速度云圖(電機后置)

4 結(jié) 論

(1)揚州閘泵站屬于大(Ⅱ)型特低揚程泵站，針對其揚程低、雙向運行的特點，在滿足泵站抽排、抽引的條件下，對比分析了4種貫流泵裝置，最終確定采用潛水貫流泵裝置結(jié)構(gòu)形式，其中2臺采用單向潛水貫流泵裝置，2臺采用雙向潛水貫流泵裝置。

(2)采用數(shù)值模擬方法分析了電機前后置對單向潛水貫流泵裝置水力性能的影響，電機后置的潛水貫流泵裝置性能明顯優(yōu)于電機前置方案。電機后置的單向潛水貫流泵裝置內(nèi)部的流態(tài)較好，比選結(jié)果可為同類型的泵站設(shè)計提供思路，后期將開展揚州閘泵站裝置結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作，以期進一步提升揚州閘泵站的泵裝置效率。