中小型電排站排水泵站設(shè)計選型探討

莊 馨

（江西省卓泓水利建設(shè)有限公司,江西 南昌 330000）

近年來,南昌市紅谷灘新區(qū)作為南昌市城市近年發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域,城市化進(jìn)展迅速,沙井片區(qū)區(qū)域內(nèi)設(shè)有市委市政府及相關(guān)下屬行政單位、大量的新興高檔住宅區(qū)、企事業(yè)辦公大樓及配套生活設(shè)施,區(qū)域重要性不言而喻。近幾年,城區(qū)內(nèi)澇頻發(fā)、水體污染,造成明顯經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞和社會影響,如何提高紅谷灘新區(qū)的排澇能力、改善水系水環(huán)境、保障區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)設(shè)施的安全,增強(qiáng)烏沙河的景觀價值,體現(xiàn)城市個性與魅力,是一項(xiàng)重要課題。本文以衛(wèi)東電排站項(xiàng)目為切入點(diǎn),重點(diǎn)通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較,科學(xué)合理選擇電排站的泵站設(shè)計、設(shè)備選型。

1 現(xiàn)狀情況

南昌市沙井治澇區(qū)位于贛江左岸的昌北城區(qū),屬紅谷灘新區(qū)中的沙井治澇區(qū)。沙井治澇區(qū)地處烏沙河右岸與贛江左岸之間的臺階地,地勢平坦低洼,主要依靠沿江大堤和豐和聯(lián)圩保護(hù)。沿江大堤為Ⅰ級堤防,設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為防御贛江100 年一遇洪水。豐和聯(lián)圩堤防,設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)分別為Ⅱ級堤防、50 年一遇洪水。

根據(jù)《南昌市城市防洪規(guī)劃報告（修編）》《江西省南昌市昌北城區(qū)烏沙河綜合整治工程可行性研究報告》以及市政建設(shè)雨水排放情況,豐和電排站主要承擔(dān)排水面積范圍為：東起豐和大道,西至豐和聯(lián)圩,南起南昌大橋引線,北至廬山南大道,另有部分紅谷灘中心區(qū)一路、二路周邊面積匯入本區(qū)域,總匯水面積為7.95 km2（扣除豐和立交直接排入贛江部分面積）。

現(xiàn)狀豐和電排站由老站和新站兩站組成,老站裝機(jī)規(guī)模930（6×155）kW,排水能力為7.36 m3/s。新站于2014年建成,裝機(jī)規(guī)模1000（4×250）kW,設(shè)計排澇流量9.58 m3/s。沙井治澇區(qū)現(xiàn)有總排澇流量16.94 m3/s,總裝機(jī)規(guī)模為1930 kW。治澇區(qū)內(nèi)設(shè)置有100 畝（0.0667 km2）的澇水調(diào)蓄區(qū),起調(diào)水位為16.50 m,最高蓄澇水位17.50 m,調(diào)蓄水深為1.0 m；相應(yīng)的調(diào)蓄容積為6.67 萬 m3。

經(jīng)過2014 年豐和電排站擴(kuò)機(jī)后,區(qū)內(nèi)治澇能力得到大的提高,但在近年的運(yùn)行中,暴雨期間仍存在路面與低洼處積水的問題,尤其是豐和立交與衛(wèi)東立交等低洼處積水嚴(yán)重,澇漬問題時有發(fā)生,現(xiàn)有治澇裝機(jī)規(guī)模不能滿足區(qū)域排澇需要,影響當(dāng)?shù)厝藗兩钌a(chǎn)與正常出行。經(jīng)分析,仍常常出現(xiàn)澇漬問題的原因主要有：①區(qū)域蓄澇率小,即調(diào)蓄容積所占比例小。區(qū)域內(nèi)設(shè)置的調(diào)蓄區(qū)僅100 畝,調(diào)蓄容積為6.67萬 m3。蓄澇率僅為0.977萬 m3/km2,與昌南城區(qū)比較,蓄澇率偏小較多,昌南城區(qū)的青山湖、象湖、艾溪湖等區(qū)域的治澇率均在4.5萬m3/km2～10 萬 m3/km2之間。在南昌市城市治澇設(shè)計中,一般采用平均排除法確定設(shè)計排澇流量,從該方法的定義與排澇過程比較可知,當(dāng)設(shè)計排水歷時內(nèi)的來水大于排澇能力時,該部分水量將滯留區(qū)域內(nèi),而當(dāng)區(qū)域內(nèi)調(diào)蓄容積較小時,不可避免的在低洼區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生澇漬現(xiàn)象。②匯水面積變化：在原設(shè)計中,南斯友好路上的兩座立交（衛(wèi)東立交、昌九高速路立交）以南面積和昌九高速西北側(cè)的紅谷十二庭部分面積未考慮進(jìn)來。根據(jù)市政排水規(guī)劃安排,該部分面積來水將匯入沙井治澇區(qū),因此,區(qū)域內(nèi)匯水面積從原來的6.83 km2增大到7.95 km2,增加1.12 km2。

沙井治澇區(qū)是昌北中心城區(qū)的核心區(qū),防洪治澇要求高,現(xiàn)有豐和電排站裝機(jī)規(guī)模已不能滿足該區(qū)域的治澇要求。為確保沙井治澇區(qū)的排水、排澇安全,盡快實(shí)施豐和電排站的擴(kuò)建,滿足城市發(fā)展要求是十分必要的。

2 工程規(guī)模

根據(jù)排水規(guī)劃及相關(guān)資料計算,沙井治澇區(qū)總排澇流量為40.4 m3/s,現(xiàn)有豐和新、老電排站設(shè)計排澇能力16.94 m3/s,需新增排澇能力23.46 m3/s,本次擴(kuò)建的衛(wèi)東電排站排澇流量比之前增加了6.52 m3/s。

3 主要設(shè)計參數(shù)

衛(wèi)東電排站是一座以電排與自排相結(jié)合的排澇泵站,根據(jù)有關(guān)專業(yè)提供的資料,電排站的主要設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 電排站主要設(shè)計參數(shù)表

3.1 水泵選擇

本泵站水泵運(yùn)行揚(yáng)程在9.0 m以下,具有較大的排澇流量,宜選擇立式與潛水軸流泵。經(jīng)初步比較分析,適合本站的泵型有：立式軸流泵的型號分為1200ZLB-85型、1400ZLB-70型；潛水軸流泵的型號分為1400QZB-70型、1200QZB-85型、1600 QZB-70型。為確定最佳方案,需對技術(shù)、經(jīng)濟(jì)進(jìn)行對比,有不同方案的各項(xiàng)指標(biāo)見表2。

從表2中可以看出：

表2 衛(wèi)東電排站（擴(kuò)建）各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽表

（1）泵型比較

立式軸流泵與潛水軸流泵是比較常見的泵型,見表中方案一、方案二、方案三。

方案一、方案二均為立式軸流泵方案,只是臺數(shù)分別為6臺和4臺,從綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來看方案二優(yōu)于方案一。

以技術(shù)為視角,以本身特點(diǎn)出發(fā),方案三與方案二比較,采用方案三的潛水泵方案是機(jī)電一體化產(chǎn)品,不僅技術(shù)方更加先進(jìn),還具有緊湊的結(jié)構(gòu)與較低的噪聲,流道中布置電機(jī),在水體作用下將電機(jī)熱量帶走,具有良好的冷卻效果。同時,機(jī)組預(yù)埋件少,安裝簡單,可縮短安裝工期；運(yùn)行維護(hù)工作量小,設(shè)備控制相應(yīng)簡單,水泵電機(jī)層布置在地面以下,不設(shè)地面廠房,有利節(jié)省土建投資。且建設(shè)方現(xiàn)有前湖電排站、雙港電排站、新豐和電排站均為潛水軸流泵,管理及維修更有經(jīng)驗(yàn)。

方案三與其方案二相比,從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā),能有效節(jié)省投資45.38萬元,相比于方案二能節(jié)省26.85 萬元。

通過方案對比,發(fā)現(xiàn)方案三優(yōu)勢更加明顯,具有較低的成本、技術(shù)優(yōu)勢顯著,所以采取潛水軸流泵方案。

（2）臺數(shù)比較

在選定潛水軸流泵方案三泵型的基礎(chǔ)上對裝機(jī)臺數(shù)進(jìn)行比較,由于目前國內(nèi)已投入運(yùn)行的潛水軸流泵最大口徑只能做到1600 mm,因此選用3、4、6 臺方案進(jìn)行比較,見表中方案三、方案四、方案五。

從綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā),方案三與方案四進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)雖然方案三比方案四增加土建投資23.66 萬元,但節(jié)省機(jī)電投資78.4萬元,總投資節(jié)省54.74萬元。另外,《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB 50265-2010）要求主泵臺數(shù)宜為3～9臺,方案四臺數(shù)偏多。

從綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā),方案三與方案五相比,雖然方案三比方案五增加土建投資20.7 萬元,但節(jié)省機(jī)電投資109.6萬元,總投資節(jié)省88.9 萬元。但從水泵的生產(chǎn)和使用情況看, 方案三的泵型運(yùn)行使用較多,而方案五的泵型直徑和功率都較大,目前有生產(chǎn)能力的廠家和用戶均較少。

綜上所述,方案三比其它方案優(yōu)越,故本階段衛(wèi)東電排站推薦采用方案三,即4臺1400QZB-70型潛水軸流泵,配套異步電機(jī)型號為YQGN630/16P。1400QZB-70型潛水軸流泵性能曲線見圖1。

圖1 1400QZB-70型潛水軸流泵性能曲線

3.2 水泵安裝形式、水泵安裝高程及進(jìn)水流道型式的選擇

對于水泵口徑1.2 m以上的軸流潛水安裝形式宜采用混凝土井筒結(jié)構(gòu),混凝土井筒式結(jié)構(gòu)與鋼制井筒式結(jié)構(gòu)相比,具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、機(jī)組運(yùn)行震動及噪音小等優(yōu)點(diǎn)。本階段推薦采用混凝土井筒結(jié)構(gòu)。

泵站最低運(yùn)行水位內(nèi)水位、葉輪中心線淹沒水深分別為15.00 m、1.5 m,確定葉輪中心高程13.50 m。葉輪中心至喇叭口高差為0.8 m,喇叭口懸空高1.2 m,考慮0.1 m富余,確定泵房底板高程為11.40 m,同理確定,出口處拍門中心高程18.40 m。根據(jù)1400QZB-70型潛水軸流泵的需求,后接1.6 m×1.8 m雙節(jié)浮箱式拍門,具體布置、詳細(xì)尺寸、高程等情況詳見附圖。

對于水泵流道選擇來說,一般根據(jù)名義排出口徑的大小來選擇流道進(jìn)口或喇叭口進(jìn)水。一般來講,名義出水口大于1200 mm以上機(jī)組適宜流道進(jìn)水口,流道進(jìn)水與喇叭口進(jìn)行相比,具有改善水力性能,提高機(jī)組效率和減少泵組間距等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)水流道一般可采用肘型和簸箕型兩種型式,這兩種流道的水力性能相當(dāng),但簸箕型流道高度比肘型流道低,可抬高底板高程,減少了開挖工程量,節(jié)省土建投資。本階段推薦采用簸箕型流道。

3.3 機(jī)組暫態(tài)分析

本泵站采用壓力水箱加箱涵出水,水泵停機(jī)時,為了防止大量水體倒灌引起水泵長時間反轉(zhuǎn),采取了在水泵出水管出口處設(shè)1.6m×1.8m雙節(jié)浮箱式拍門的措施。另外,為了改善泵組起停特性,在拍門前管路最高處設(shè)置DN250 的進(jìn)排氣管。

綜上所述,衛(wèi)東電排站所需1400QZB-70 型潛水軸流泵與YQGN630/16P型異步電動機(jī)均為4 臺,配套功率630 kW；采用鋼筋砼井筒式結(jié)構(gòu),進(jìn)水流道為簸箕型流道。

水泵及配套電機(jī)的主要性能參數(shù)見表3。

表3 水泵及配套電機(jī)的主要性能參數(shù)

3.4 輔助機(jī)械設(shè)備

根據(jù)有關(guān)廠家提供的設(shè)備重量和設(shè)備布置要求,泵房臨時租用汽車起重機(jī),起吊重量為25 t,起升高度為12 m,該起重機(jī)同時用于起吊控制閘門和水泵。為了防止停泵后水體大量倒流,在水泵出水管口處設(shè)有一個1.6 m×1.8 m雙節(jié)浮箱式拍門。根據(jù)泵組運(yùn)行、檢修需要,設(shè)2 臺80QW60-13-4型潛水排澇泵。為了保持控制閘門槽的清潔,擬選用一臺KQL65-165（Ⅰ）A型管道泵作為閘門槽沖淤供水加壓用,水源取自外河。為了有效地控制和監(jiān)視機(jī)組啟停,在前池和外河、攔污柵前后設(shè)置一定數(shù)量的水位測量設(shè)備,為了監(jiān)測機(jī)組流量,擬配2套YLX-03 型水泵流量效率監(jiān)測儀。水力機(jī)械主要設(shè)備和材料見表4。

表4 水力機(jī)械主要設(shè)備和材料清單表

3.5 水力機(jī)械設(shè)備布置

衛(wèi)東電排站排澇時1400QZB-70型潛水軸流、容量為630 kW的YQGN630/16P型異步電動機(jī)均為4臺。機(jī)組布置采用每2 臺機(jī)組為一單元共用一個壓力水箱和一個出水涵管,2 臺相鄰機(jī)組之間的中心間距為4.5 m,泵房寬為19.9 m,考慮到設(shè)備布置,交通等要求,其中機(jī)組中心至進(jìn)水側(cè)4.6 m,至出水池內(nèi)側(cè)4.6 m。泵房的詳細(xì)尺寸和高程詳見有關(guān)圖紙。

4 結(jié)語

中小型排水泵站水泵選型要滿足泵站設(shè)計流量和設(shè)計揚(yáng)程的要求,同時需要在整個揚(yáng)程范圍內(nèi)機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行,并且有較高的平均效率,本文以衛(wèi)東電排站項(xiàng)目為例,從泵站選擇、機(jī)組數(shù)量、安裝方式等方面,結(jié)合后期運(yùn)行管理和工程造價等多個方面綜合對比分析,對促進(jìn)市政電排站的建設(shè),實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展具有一定的借鑒性。