長(zhǎng)距離高揚(yáng)程泵站水泵選型問題的探討

鄭 欣

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

引言

水泵選型是泵站工程中的主要工作內(nèi)容，尤其是對(duì)于長(zhǎng)距離高揚(yáng)程泵站來說，能否合理地完成水泵選型，不僅能夠決定泵站的供水能力能否滿足要求，而且能夠在很大程度上影響泵站的運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行成本、設(shè)備利用率以及工程投資。

1 水泵選型原則

常規(guī)泵站在進(jìn)行水泵選型時(shí)主要需要遵循以下原則：應(yīng)該根據(jù)泵站不同時(shí)期的供水要求、設(shè)計(jì)揚(yáng)程、設(shè)計(jì)流量選擇能夠滿足相關(guān)要求的水泵，并且水泵選型還應(yīng)該滿足便于管理維護(hù)、施工簡(jiǎn)單的要求；在平均揚(yáng)程的狀態(tài)下，應(yīng)該保證能夠高效運(yùn)行水泵；而在所有運(yùn)行揚(yáng)程內(nèi)，應(yīng)該保證穩(wěn)定、安全的運(yùn)行水泵；在取水水源擁有較多的泥沙時(shí)，應(yīng)該采取合理的抗磨性措施保護(hù)水泵；水泵選型對(duì)象的模型試驗(yàn)資料必須準(zhǔn)確、全面，在對(duì)國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品進(jìn)行引進(jìn)的過程中，同樣應(yīng)該保證相關(guān)論證足夠充分[1]。

在長(zhǎng)距離高揚(yáng)程泵站中，因?yàn)槠浯嬖谳^大的管線起伏、較長(zhǎng)的供水線路、較大的管路供水壓力以及較高的泵站揚(yáng)程，所以在水泵選型過程中還需要對(duì)以下幾方面的問題進(jìn)行充分考慮：首先，水泵選型對(duì)象應(yīng)該能夠使多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行要求得到滿足，并且在所有運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)都應(yīng)該保證單泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。其次，在梯級(jí)泵站中，應(yīng)該與上下級(jí)泵站間流量搭配要求相結(jié)合，對(duì)水泵的臺(tái)數(shù)和型號(hào)進(jìn)行合理選擇。最后，應(yīng)該保證所有水泵屬于相同型號(hào)。當(dāng)在水泵選型中可選擇的泵型較多時(shí)，應(yīng)該綜合考慮各種泵型的可靠性、安全性、運(yùn)行費(fèi)用和工程成本等因素，實(shí)現(xiàn)水泵選型的最優(yōu)化。在擁有相同條件時(shí)，應(yīng)該以臥式離心泵作為優(yōu)先選擇對(duì)象。

2 水泵選型步驟

1）與泵站上下游水位特征相結(jié)合，完成泵站上、下游設(shè)計(jì)水位的明確，然后在已知條件的基礎(chǔ)上對(duì)泵站總揚(yáng)程進(jìn)行合理預(yù)估。

2）綜合考慮泵站的性質(zhì)、揚(yáng)程范圍、流量等方面的因素，完成水泵類型的初選，也就是結(jié)合水泵性能表或水泵綜合型譜，以滿足設(shè)計(jì)揚(yáng)程要求為標(biāo)準(zhǔn)，制定幾種擁有不同流量的水泵選型方案。

3）與泵站設(shè)計(jì)流量相結(jié)合，明確泵站需要的水泵臺(tái)數(shù)。

4）以初步確定的水泵臺(tái)數(shù)和型號(hào)為基礎(chǔ)，利用供水流量過程線驗(yàn)證水泵選型方案能否使工程所需的流量變化過程要求得到滿足；并且詳細(xì)地論證各種選型方案的經(jīng)濟(jì)性能和技術(shù)性能。

5）與選擇的水泵臺(tái)數(shù)和型號(hào)相結(jié)合，明確泵房的布置尺寸和形式，同時(shí)完成布置方案和管路直徑的確定。完成管路損失的計(jì)算，并對(duì)安裝水泵的高程進(jìn)行明確，在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下計(jì)算效率、流量等參數(shù)。在最高、最低揚(yáng)程下對(duì)效率、流量等參數(shù)進(jìn)行復(fù)核[2]。

3 水泵選型應(yīng)注意的問題

在選擇水泵類型方面。水泵主要分為三種類型，分別為軸流泵、混流泵以及離心泵。其中，軸流泵擁有流量大、揚(yáng)程低的特點(diǎn)，所以在擁有15 m以內(nèi)揚(yáng)程要求的泵站中較為適用。而離心泵屬于能夠適應(yīng)大揚(yáng)程變化，并且擁有較寬高效區(qū)范圍的水泵，所以在泵站擁有25 m以上的揚(yáng)程時(shí)，正常情況下都會(huì)使用離心泵。與前兩者相比，混流泵在揚(yáng)程和流量方面中規(guī)中矩，在泵站擁有6～25 m揚(yáng)程時(shí)較為適用。

在選擇水泵臺(tái)數(shù)方面。在相同的泵站設(shè)計(jì)流量下，擁有越多的水泵臺(tái)數(shù)就擁有越大的流量要求適應(yīng)性，當(dāng)有故障在水泵機(jī)組產(chǎn)生時(shí)，就能夠在更小程度上影響運(yùn)行。擁有越少的水泵臺(tái)數(shù)，就擁有越大的單機(jī)容量，越高的機(jī)電設(shè)備效率，能夠有效地降低管理和維修的難度[3]。

在選擇水泵結(jié)構(gòu)形式方面。現(xiàn)階段，在泵站中主要存在三種水泵結(jié)構(gòu)形式，分別為斜式、立式以及臥式。正常情況下，與立式泵相比，臥式泵明顯擁有更低的安裝精度要求，同時(shí)后續(xù)的維修工作也非常方便，在水源水位差異較小的泵站較為適用。立式水泵只需要較小的泵房尺寸，大多情況下水泵葉輪都處于水下位置，能夠直接啟動(dòng)，同時(shí)會(huì)在上層安裝電動(dòng)機(jī)，擁有非常好的通風(fēng)防潮效果，但是同時(shí)也具有非常高的安裝精度要求，決定其擁有較大的檢修難度，所以，在水源水位差異較大的泵站較為適用。斜式水泵綜合了其它兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，在擁有較低揚(yáng)程、較小水源水位差異的泵站中較為適用。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

該泵站的擁有2.4 m3/s設(shè)計(jì)灌溉流量，其水位特性如表1所示，灌溉流量和揚(yáng)程如表2所示。各凈揚(yáng)程工況下?lián)p失的灌溉系統(tǒng)水利和凈揚(yáng)程的和為水泵選型需要滿足的揚(yáng)程要求，所以水泵選型需要滿足表2中的揚(yáng)程需求。

表1 泵站水位特征 m

表2 泵站灌溉流量和揚(yáng)程

該泵站需要利用6 km的地下輸水管道完成抽水，并且需要向主干渠運(yùn)送水。管道進(jìn)出水口擁有36.1 m的水位落差，滿足長(zhǎng)距離高揚(yáng)程的工況條件，在很大程度上增加了水泵選型的難度。

4.2 水泵選型

4.2.1 選擇水泵臺(tái)數(shù)

正常情況下，當(dāng)泵站擁有4 m3/s以內(nèi)的流量時(shí)，可以安裝水泵2臺(tái)，當(dāng)擁有4 m3/s以上的流量時(shí)，選擇的水泵應(yīng)該在3臺(tái)以上。對(duì)于灌溉和給水泵站來說，當(dāng)其擁有1 m3/s以內(nèi)的流量時(shí)，可以使用水泵2臺(tái)，當(dāng)在1 m3/s以上時(shí)，可以使用水泵3臺(tái)以上。針對(duì)梯級(jí)泵站，還可以與實(shí)際需求相結(jié)合，選配調(diào)節(jié)流量的泵組1～3臺(tái)，從而保證不同的流量變化得到有效適應(yīng)。另外，還應(yīng)該綜合考慮各個(gè)泵站的實(shí)際情況，確定其是否需要完成備用機(jī)組的配備。對(duì)于較為重要且需要較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的泵站，應(yīng)該完成備用機(jī)組的配備。而對(duì)于只存在較短運(yùn)行時(shí)間的泵站，在檢修和維護(hù)要求能夠滿足的情況下，可以不進(jìn)行備用機(jī)組的設(shè)置。

該泵站的主要目的就是灌溉某縣3.4萬畝農(nóng)田。泵站擁有2.4 m3/s的設(shè)計(jì)流量，由于水泵擁有相同型號(hào)時(shí)運(yùn)行能夠更加有效、安全，且方面檢修、維護(hù)以及安裝，所以在水泵組合方案中水泵選擇相同型號(hào)。

與泵站的實(shí)際情況相結(jié)合，泵站不應(yīng)選擇過多的水泵臺(tái)數(shù)，進(jìn)行初步預(yù)算，若是裝4臺(tái)及以上水泵，因?yàn)檫x擇較大尺寸的泵型，不但會(huì)提升廠房建設(shè)成本，還會(huì)降低機(jī)電設(shè)備的效率，但泵站也應(yīng)該保證2臺(tái)以上的水泵。灌溉是該泵站的主要作用，存在較短的灌溉時(shí)間，所以，與泵站設(shè)計(jì)規(guī)定規(guī)范相結(jié)合，可以不進(jìn)行備用泵的設(shè)置，所以在選擇方案時(shí)只必選裝置2臺(tái)和3臺(tái)的方案，比較泵型為中開泵。具體比選結(jié)果如下：第一，在技術(shù)方面，兩種方案擁有相近的水泵效率，若是選擇裝置3臺(tái)水泵，電動(dòng)機(jī)會(huì)擁有相對(duì)較大的總裝機(jī)容量，但是差異較小；其只具有較小的設(shè)備重量和單機(jī)容量。通過比較分析可知，裝配3臺(tái)水泵能夠更加靈活的運(yùn)行，可以使用小流量開機(jī)的方式應(yīng)對(duì)灌區(qū)需水量較小的情況，只需要較小的耗電量。第二，在工程成本方面，裝置2臺(tái)水泵需要的控制設(shè)備少了一套，只需要較小的廠房布置尺寸，裝置3臺(tái)水泵雖然需要更多控制設(shè)備和土建施工，但是其卻擁有較少的總投資。詳情見表3。

表3 水泵臺(tái)數(shù)比較

通過比較上述各方案，對(duì)泵站運(yùn)行管理、維修等因素進(jìn)行考慮，與灌區(qū)用水需求相結(jié)合，初步擬定選用3臺(tái)水泵的方案。

4.2.2 選擇水泵形式

與上文中選擇水泵類型方面的介紹內(nèi)容相結(jié)合，該泵站需要達(dá)到31.8～36.1 m的凈揚(yáng)程范圍，經(jīng)過計(jì)算需要水泵擁有39.17～43.47 m的總揚(yáng)程范圍，對(duì)于混流泵和軸流泵來說要求較高，而離心泵擁有較高的揚(yáng)程適應(yīng)能力，能夠使該站的揚(yáng)程范圍要求得到較好的滿足。該站擁有2.4 m3/s的設(shè)計(jì)流量，與相關(guān)的泵站設(shè)計(jì)規(guī)范和灌區(qū)實(shí)際情況相結(jié)合，不需要進(jìn)行備用泵設(shè)置，使該站水泵選型的特點(diǎn)得到進(jìn)一步凸顯，如高水泵揚(yáng)程、長(zhǎng)距離管道輸水、大單機(jī)流量。

通過上述分析，初步擬定選擇機(jī)型為單級(jí)雙吸式離心泵，這種水泵的優(yōu)勢(shì)是擁有平穩(wěn)的水流壓力、高揚(yáng)程大。該泵的泵體和泵蓋之間為水平中開式連接縫，所以也叫做中開泵。在后續(xù)檢修的過程中無需進(jìn)行管路和電動(dòng)機(jī)的拆卸，只要將泵蓋打開就可以完成操作。所以方便操作，易于維修，擁有較低的遠(yuǎn)距離和自動(dòng)化操作難度。這種水泵能夠直接連接汽輪機(jī)或者電機(jī)，擁有緊湊簡(jiǎn)單的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，相比于其他水泵類型，其擁有運(yùn)行成本低、效率高、檢修方便、運(yùn)行周期長(zhǎng)的特點(diǎn)。

4.2.3 校核水泵工況點(diǎn)

校核水泵工作點(diǎn)，目的是明確不同揚(yáng)程下水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)，檢查水泵運(yùn)行的高效區(qū)范圍，確定其是否能夠使設(shè)計(jì)要求得到滿足。在分析水泵工作點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該充分考慮以下內(nèi)容：在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下，水泵的流量能否使設(shè)計(jì)要求得到滿足，水泵應(yīng)該在高效區(qū)存在工作點(diǎn)；在最高和最低揚(yáng)程下，軸流泵和離心泵在應(yīng)該注意是否有汽蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，考慮其是否會(huì)影響動(dòng)力機(jī)負(fù)荷[4]。

在最高揚(yáng)程和設(shè)計(jì)揚(yáng)程下，水泵擁有9504 m3/h流量，能夠使設(shè)計(jì)要求得到滿足，并且水泵工作點(diǎn)擁有超過80%的效率，屬于高效率區(qū)。在最低揚(yáng)程下，水泵運(yùn)行擁有5.3 m的吸出高度，560 kW的電動(dòng)機(jī)功率，能夠使泵站的各項(xiàng)需求得到滿足。最終該泵站選定了SLOW500-710C型號(hào)的單級(jí)雙吸臥式離心泵3臺(tái)。

5 結(jié)語

相關(guān)人員必須結(jié)合工程實(shí)際情況開展長(zhǎng)距離高揚(yáng)程泵站水泵選型工作，與各種工況相結(jié)合合理進(jìn)行臺(tái)數(shù)以及泵型的選擇，不但能夠提升泵站選型配套的合理化，還能夠使泵站裝置效率得到提升。