雙向一體化閘門(mén)泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鐘 興，夏雪蓮

（中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 引言

珠江三角洲是廣東省內(nèi)面積最大的平原,區(qū)域內(nèi)水系、河網(wǎng)較多,且相互連通。暴雨時(shí)由于受到外河（江）水位的頂托,內(nèi)河洪水不能順利的排出,常出現(xiàn)水浸的現(xiàn)象。又由于地形較平緩,城市內(nèi)河道的水動(dòng)力不足,容易出現(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象。目前珠江三角洲河道沿線興建了許多泵站和水閘來(lái)達(dá)到水體交換的目的。但大部分都是采用傳統(tǒng)的泵站水閘分離式方案,該方案具有工程占地較多、投資較高等缺點(diǎn)。本文針對(duì)珠三角地區(qū)內(nèi)河涌水動(dòng)力不足、土地征用困難的情況,設(shè)計(jì)出一種雙向一體化閘門(mén)泵的水利設(shè)備,來(lái)達(dá)到水體交換的目的。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)剖析

閘門(mén)作為水工構(gòu)筑物的一項(xiàng)重要設(shè)備,可通過(guò)其調(diào)節(jié)孔口的開(kāi)度,達(dá)到調(diào)節(jié)上下游水位和流量的目的,以獲得防洪、灌溉、引水發(fā)電、通航等效益[1]。雙向全貫流潛水電泵采用潛水電機(jī)、行星齒輪傳動(dòng)技術(shù),葉輪采用“S”形葉片技術(shù)實(shí)現(xiàn)反向抽水,適用于揚(yáng)程較小的泵站,其最大的特點(diǎn)是土建結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)電設(shè)備投資少、流道效率高[2]。由于全貫流泵的水泵和電機(jī)為整體結(jié)構(gòu)[3],擁有高度的集成性和密封性,后期運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)管理人員工作量較小,檢修時(shí)只需要運(yùn)用啟閉設(shè)備將水泵整體返廠維修即可。從技術(shù)成熟角度分析,全貫流泵多應(yīng)用于低揚(yáng)程、大流量的泵站中[4]。

潛水閘門(mén)泵是將潛水電泵和閘門(mén)有效結(jié)合起來(lái)[5],水泵出口設(shè)置拍門(mén)裝置,這種單向的閘門(mén)泵設(shè)備只具備擋水和正向排澇的功能,無(wú)法進(jìn)行反向引水。因此,設(shè)計(jì)出一款具備擋水、引水和排水等多功能為一體的閘門(mén)泵設(shè)備,是當(dāng)下平原地區(qū)城市內(nèi)環(huán)境河道整治亟需解決的難題。

3 設(shè)計(jì)方案探討

3.1 方案設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)的分離式泵閘布置方案的泵室和閘室分開(kāi),通過(guò)水閘和泵站配合調(diào)度滿足擋水、引水、排澇的需求。該方案工程占地面積多、土建部分的投資大、機(jī)電室設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備數(shù)量較多、運(yùn)行期間工作量和后期設(shè)備維護(hù)的工作量大。

單向全貫流閘門(mén)泵布置方案是將單向全貫流潛水電泵安裝在閘門(mén)上,具體布置見(jiàn)圖1。為滿足排澇和引水的功能,則需要將閘門(mén)泵整體吊至檢修平臺(tái)后整體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向180°,設(shè)計(jì)上需要考慮閘門(mén)頂部增加電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置[6],從而增加閘門(mén)啟閉平臺(tái)高程,旋轉(zhuǎn)時(shí)需要的操作空間較大,閘門(mén)頂部只能采用單吊點(diǎn)型式,對(duì)于潛孔式閘門(mén)和寬高比大于1的露頂式閘門(mén)均不適用,且運(yùn)行操作繁瑣,后期運(yùn)行管理復(fù)雜。

圖1 單向全貫流閘門(mén)泵

在傳統(tǒng)的分離式泵閘布置方案、單向全貫流閘門(mén)泵布置方案的基礎(chǔ)上,通過(guò)方案布置優(yōu)化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方法,設(shè)計(jì)出一種雙向一體化閘門(mén)泵的水利設(shè)備,即在閘門(mén)上安裝雙向全貫流潛水電泵,并在閘門(mén)面板側(cè)安裝閘閥或拍門(mén)斷流,具體布置見(jiàn)圖2。與傳統(tǒng)的分離式泵閘布置方案相比,可減少內(nèi)外河側(cè)工作閘門(mén)的布置,斷流設(shè)備可以采用閘閥,可以最大程度的減少機(jī)電設(shè)備數(shù)量,縮短閘室長(zhǎng)度,減少土建投資；與單向全貫流閘門(mén)泵布置方案相比,可滿足在不必啟閉閘門(mén)的情況下即可實(shí)現(xiàn)水泵的正、反轉(zhuǎn),達(dá)到正向排澇和反向引水的目的。當(dāng)然,這種布置方式也有一定的局限性,為避免水泵停機(jī)時(shí)反轉(zhuǎn),一體化泵閘水泵一般僅在平水狀況下開(kāi)機(jī)運(yùn)行,且要求在水泵停機(jī)時(shí),閘閥應(yīng)在保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行的前提下,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完全關(guān)閉。

圖2 雙向全貫流閘門(mén)泵

3.2 雙向一體化閘門(mén)泵設(shè)計(jì)

雙向一體化閘門(mén)泵設(shè)計(jì)時(shí)要求將雙向全貫流潛水電泵和閘門(mén)有效整合為一個(gè)整體,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從以下方面綜合考慮。

（1）水泵選型

根據(jù)區(qū)域規(guī)劃要求和水文計(jì)算結(jié)果,確定泵站設(shè)計(jì)排澇流量、設(shè)計(jì)揚(yáng)程和最大揚(yáng)程等特征參數(shù),咨詢國(guó)內(nèi)有資質(zhì)、有能力的設(shè)備制造廠家,根據(jù)水泵性能曲線,選取合適的水泵型號(hào)。所選水泵的流量、揚(yáng)程等均應(yīng)能滿足工程建設(shè)的要求,再?gòu)男阅芮€分析,水泵在最高揚(yáng)程和最低揚(yáng)程下,機(jī)組應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行,設(shè)計(jì)揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)排水流量應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)要求,且應(yīng)在高效區(qū)運(yùn)行[8]。

（2）門(mén)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)的閘門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般推薦采用容許應(yīng)力法進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算[7],建議采用計(jì)算機(jī)三維有限元軟件對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析,尤其是與水泵連接部位進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析,因?yàn)樗眠\(yùn)行時(shí)的振動(dòng)較大,連接處較為薄弱?？刹捎肂IM三維軟件進(jìn)行建模,便于后期圖紙修改及泵閘重心調(diào)整,通過(guò)參數(shù)化和模塊化的設(shè)計(jì),與水工、建筑、結(jié)構(gòu)以及電氣專(zhuān)業(yè)之間進(jìn)行碰撞檢查,實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)間數(shù)據(jù)的共享和協(xié)同設(shè)計(jì)。考慮到河道的水質(zhì)情況,對(duì)于閘門(mén)止水螺栓、墊板、止軸板等易損件,可以采用不銹鋼材質(zhì),避免后期維護(hù)時(shí)無(wú)法拆卸及更換。泵閘一般建議按靜水啟閉考慮,前后水頭差不宜過(guò)大,避免啟閉時(shí)整體晃動(dòng)較大對(duì)水泵與閘門(mén)連接處造成不利影響,為減小啟閉力,建議行走支承采用簡(jiǎn)支輪,側(cè)向限位采用側(cè)輪?？刹捎肞型橡皮和L型橡皮組合的止水型式或雙P型橡皮止水型式,實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的雙向止水,閘門(mén)面板開(kāi)孔直徑與水泵進(jìn)口直徑相互配合。在閘門(mén)面板側(cè)安裝手電兩用不銹鋼閘閥裝置,閘門(mén)與閘閥之間設(shè)橡膠密封圈,實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)后截?cái)嗨鳌楸阌谕ｋ姴僮鏖l閥閉門(mén),閘門(mén)頂部可設(shè)置操作平臺(tái)和不銹鋼欄桿。

（3）水泵與閘門(mén)連接設(shè)計(jì)

為便于以后閘門(mén)和水泵的拆卸及檢修,閘門(mén)和水泵之間宜采用可拆卸的連接方式,即在閘門(mén)梁格側(cè)焊接法蘭盤(pán),水泵與閘門(mén)梁格法蘭盤(pán)之間采用螺栓連接,在法蘭盤(pán)與閘門(mén)面板之間,靠水泵外側(cè)焊接鋼管,閘門(mén)水泵之間設(shè)橡膠密封圈,所有連接件均采用不銹鋼材質(zhì)。閘門(mén)與水泵整體吊點(diǎn)中心計(jì)算,且閘門(mén)制作完成后,須與水泵組裝成整體進(jìn)行試吊找重心,若重心有偏離,還需對(duì)閘門(mén)進(jìn)行配重。

（4）啟閉機(jī)選取

一體化泵閘啟閉時(shí)內(nèi)外河水頭差較小,一般按靜水啟閉考慮,根據(jù)啟閉力計(jì)算結(jié)果,并留有一定富余,選用標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的啟閉機(jī)。根據(jù)相關(guān)的已建成并投入運(yùn)行的單向閘門(mén)泵工程來(lái)看,閘門(mén)、水泵以及斷流設(shè)備組裝后重心會(huì)有調(diào)整,現(xiàn)場(chǎng)可能需要對(duì)閘門(mén)進(jìn)行配重,閘門(mén)實(shí)際吊點(diǎn)中心與啟閉平臺(tái)吊物孔中心偏差較大,導(dǎo)致啟閉機(jī)鋼絲繩與吊物孔邊緣混凝土摩擦,因此在設(shè)計(jì)啟閉平臺(tái)吊物孔時(shí),建議吊物孔沿水流方向的尺寸可根據(jù)需要適當(dāng)加大,便于閘門(mén)泵安裝時(shí)進(jìn)行微調(diào)。

（5）電氣設(shè)備及布置

閘門(mén)泵控制柜及自動(dòng)化監(jiān)控屏布置在一體化泵閘上部啟閉室內(nèi),泵閘設(shè)視頻圖像監(jiān)視系統(tǒng),在啟閉室、內(nèi)河側(cè)、外河側(cè)均有設(shè)置監(jiān)視攝像機(jī),在內(nèi)外河側(cè)均設(shè)置液位計(jì),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)外河側(cè)的水位變化情況,可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制或遠(yuǎn)程控制水泵機(jī)組運(yùn)行,并上傳實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)至云平臺(tái),使用戶和設(shè)備廠家實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3 運(yùn)行調(diào)度方式

雙向一體化閘門(mén)泵在設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足以下運(yùn)行條件：

（1）自排工況：當(dāng)內(nèi)河側(cè)水位高于外河側(cè)水位時(shí),運(yùn)用啟閉設(shè)備將閘門(mén)泵設(shè)備提升至檢修平臺(tái)保持鎖定,水從內(nèi)河側(cè)流入外河。

（2）擋水工況：當(dāng)外河側(cè)水位高于內(nèi)河側(cè)水位時(shí),運(yùn)用啟閉設(shè)備將閘門(mén)泵設(shè)備解鎖,并落下關(guān)閉閘孔,切斷水流通道。

（3）改善水環(huán)境：由于區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)縱橫交錯(cuò),內(nèi)外河水位長(zhǎng)期齊平,水體整體流動(dòng)性較差,為改善水環(huán)境,閘門(mén)泵應(yīng)能滿足正向排水和反向引水的功能。

4 工程應(yīng)用案例

珠三角某水浸黑點(diǎn)治理工程,地處珠江三角洲西南部。該地區(qū)河涌存在淤積嚴(yán)重、違章建筑物擠占河道、跨河建筑物縮窄河道,導(dǎo)致河涌過(guò)流斷面縮小,過(guò)流能力降低；且中心城區(qū)主要河涌在枯水期時(shí)水量較少,部分河段存在露底、干涸的現(xiàn)象；部分河涌水質(zhì)屬于劣V類(lèi),水環(huán)境效果較差。為提高河涌水動(dòng)力,改善水環(huán)境,在水浸黑點(diǎn)河涌河口附近新建12 處雙向一體化泵閘。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010）中有關(guān)規(guī)定,計(jì)算沿程水頭損失和局部水頭損失,水頭損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各泵閘的水頭損失計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,閘孔形式不同時(shí)各泵閘的水頭損失值計(jì)算結(jié)果差異很小,故僅計(jì)算單孔4 m泵閘反向運(yùn)行時(shí)的水頭損失。以單孔4 m泵閘正、反向排水的水頭損失計(jì)算各泵閘正向設(shè)計(jì)、最高及反向最高運(yùn)行工況下的工況點(diǎn),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各泵閘正向設(shè)計(jì)、最高及反向最高運(yùn)行工況下的工況點(diǎn)計(jì)算結(jié)果表

水泵均選用800 QGWZS-125J型潛水貫流電泵（雙向排水）,單泵設(shè)計(jì)流量2.2 m3/s,單機(jī)功率75 kW,設(shè)計(jì)揚(yáng)程1.30 m,最高揚(yáng)程3.10 m,額定轉(zhuǎn)速490 r/min,葉片+1°安裝。水泵在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況,效率66%,最高揚(yáng)程工況,效率達(dá)75.1%,葉片+1°安裝角情況下最高揚(yáng)程工況單泵流量為2.10 m3/s,最高揚(yáng)程仍在水泵性能曲線高效范圍內(nèi),能夠穩(wěn)定運(yùn)行。泵站正、反向運(yùn)行工況下性能曲線見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 泵站正向運(yùn)行工況下性能曲線圖

圖4 泵站反向運(yùn)行工況下性能曲線圖

該工程使用平面滾輪鋼閘門(mén)與雙向全貫流潛水電泵組成雙向一體化閘門(mén)泵的型式,與傳統(tǒng)的安裝方案相比,可減少內(nèi)外河側(cè)工作閘門(mén)的布置,斷流設(shè)備可以采用閘閥,可以最大程度的減少機(jī)電設(shè)備數(shù)量,縮小工程征地范圍,縮短閘室長(zhǎng)度,減少土建投資。工程建成后有效提高河涌水動(dòng)力,對(duì)當(dāng)?shù)厮h(huán)境的改善有一定的促進(jìn)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

雙向一體化閘門(mén)泵能在一定程度上解決河涌水動(dòng)力不足、工程征地困難、投資有限等問(wèn)題,可為沿海平原地區(qū)水環(huán)境治理的同類(lèi)工程提供參考。