淺析多泥沙低揚(yáng)程大變幅的水泵機(jī)組選型及抗泥沙磨蝕措施

唐林鈞

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550081）

1 概述

目前,隨著我國南水北調(diào)和黃河沿線水利工程的建設(shè),促進(jìn)了水泵技術(shù)快速發(fā)展,但泥沙含量較高的取水泵站尤其是黃河沿線水利工程,水泵仍面臨著泥沙磨蝕的難題。對(duì)于多泥沙河流的取水泵站,在運(yùn)行過程中水泵磨蝕嚴(yán)重,檢修頻繁,大大增加了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。在設(shè)計(jì)階段,需重點(diǎn)考慮水泵的防泥沙磨蝕措施,優(yōu)化水泵選型,并從節(jié)能的角度合理選擇水泵的運(yùn)行方式,提高水泵的使用壽命。

某供水工程位于寧夏回族自治區(qū),主要為城市及農(nóng)村供水。旨在改善城鄉(xiāng)飲用水水質(zhì),用安全可靠的新水源替換現(xiàn)有供水水源,為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展及群眾生活生產(chǎn)用水提供水安全保障。

2 基本設(shè)計(jì)條件

本工程的主要任務(wù)是供水。泵站直接從河流中取水,泵站輸水管道末端接入凈水廠前池,采用兩根管徑為DN900 的鋼管（球墨鑄鐵管）,單根管線長度12.4 km 接入新建的凈水廠前池。在水廠經(jīng)凈化處理后向城市及農(nóng)村供水。

泵站水泵機(jī)組共4 臺(tái),采用直線單排布置,副廠房集中于一端的布置方式。泵站按照近,遠(yuǎn)期相結(jié)合的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),一期工程安裝三臺(tái)水泵,并給遠(yuǎn)期預(yù)留一臺(tái)水泵位置。泵房主要由進(jìn)水間、主泵房及安裝間、副廠房、出水壓力管道等建筑物組成。

規(guī)劃水平年2025 年,泵站設(shè)計(jì)年取水量為2428 萬m3；規(guī)劃水平年2035 年,泵站設(shè)計(jì)年取水量3405 萬m3；泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)水平年2025 年的設(shè)計(jì)引用流量為1.029 m3/s,泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)水平年2035 年的設(shè)計(jì)引用流量為1.43 m3/s。多年平均懸移質(zhì)含沙量為4.02 kg/m3,年運(yùn)行小時(shí)數(shù)約 6555 h。上游河流及出水池特征水位參數(shù)見表1。

表1 上游河流及出水池特征水位

根據(jù)計(jì)算,泵站在最高凈揚(yáng)程、設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程、最低凈揚(yáng)程下的輸水管道水力損失（含泵站內(nèi)各閥門及管道水力損失）分別為22 m、23.6 m、10.5 m。綜合考慮泵站近期和遠(yuǎn)期的設(shè)計(jì)流量,結(jié)合泵站確定泵站最高揚(yáng)程為42.0 m、設(shè)計(jì)揚(yáng)程為41.0 m、最低揚(yáng)程為23.4 m。

3 水泵選型

3.1 水泵臺(tái)數(shù)的選擇

根據(jù)工程布置以及一、二期供水規(guī)模,供水工程的取水泵采用并聯(lián)運(yùn)行。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010）,結(jié)合水泵選型參數(shù),并聯(lián)運(yùn)行的水泵不宜超過4 臺(tái),但水泵臺(tái)數(shù)也不宜太少,否則運(yùn)行調(diào)度靈活性降低。本工程屬于重要供水泵站,若設(shè)置4 臺(tái)工作泵,則需設(shè)置2 臺(tái)備用泵[1],投資高,明顯不經(jīng)濟(jì)。因此,工作泵臺(tái)數(shù)宜按2 臺(tái)、3 臺(tái)進(jìn)行比選,備用泵設(shè)置1 臺(tái)。根據(jù)遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)的流量來選擇水泵臺(tái)數(shù)及型號(hào),結(jié)合泵站的供水性質(zhì)及后期運(yùn)行期的維護(hù)并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后,泵站裝設(shè)4 臺(tái)水泵,其中3 臺(tái)工作,1 臺(tái)備用,單泵額定流量為0.477 m3/s。

根據(jù)以上原則,本階段擬定兩種機(jī)組臺(tái)數(shù)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,方案對(duì)比見表2。

表2 水泵臺(tái)數(shù)比選

本泵站水泵必需汽蝕余量和水泵安裝高程不制約水泵臺(tái)數(shù)的選擇。方案一3 臺(tái)水泵方案單泵流量相對(duì)于方案二流量大一些,運(yùn)行調(diào)度不夠靈活。方案二4 臺(tái)水泵方案單泵流量較小,運(yùn)行調(diào)度靈活,更有利于滿足近期和遠(yuǎn)期的供水流量需求,廠房土建和機(jī)電設(shè)備投資比方案一略高,但相差不大。綜合考慮以上因素,本階段基本選定方案二作為推薦方案,即泵站安裝4 臺(tái)水泵,其中3 臺(tái)工作,1 臺(tái)備用。

3.2 水泵型號(hào)的選擇

根據(jù)本供水工程的特征揚(yáng)程,結(jié)合工程布置條件、水泵結(jié)構(gòu)型式和適用流量范圍,可供選擇的水泵型式為單級(jí)雙吸臥式離心泵和單級(jí)雙吸立式離心泵。單級(jí)雙吸臥式離心泵和單級(jí)雙吸立式離心泵均為單層布置方式。單級(jí)雙吸臥式離心泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,機(jī)組安裝檢修及后期運(yùn)行維護(hù)方便,工程投資較少。目前,國內(nèi)同規(guī)模的水泵以臥式安裝最為常見,生產(chǎn)和制造經(jīng)驗(yàn)豐富。因此,本供水工程采用單級(jí)雙吸臥式離心泵。

經(jīng)咨詢水泵生產(chǎn)廠家及查詢相關(guān)資料,不同廠家的水泵機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)比較見表3。

從表3 可以看出,A 型、B 型和C 型三種泵型均能滿足本泵站供水需求。A 型水泵的效率較B、C 型水泵高,但轉(zhuǎn)速高,最大必需汽蝕余量大,配套電機(jī)功率低,但考慮到本工程取水位置的多年平均懸移質(zhì)含沙量較高,宜選擇低一檔的轉(zhuǎn)速。C 型水泵的效率為81%,針對(duì)于本供水工程轉(zhuǎn)速適宜,最大必需汽蝕余量小,但配套電機(jī)功率較A、B 型水泵高。B型水泵的效率雖稍低,但轉(zhuǎn)速適宜,最大必需汽蝕余量小,對(duì)多泥沙取水泵站更有利,且配套電機(jī)功率低。因此,本階段初步選定單級(jí)雙吸臥式離心泵B 型作為代表泵型,配套電機(jī)功率為280 kW,總裝機(jī)功率為1120 kW。

3.3 水泵運(yùn)行方式

水泵運(yùn)行方式主要分為工頻運(yùn)行及變頻運(yùn)行。工頻運(yùn)行就是在電網(wǎng)頻率（我國一般為50 Hz）下運(yùn)行,無論水泵在何種工況下運(yùn)行,其實(shí)際轉(zhuǎn)速接近電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。變頻運(yùn)行是指通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵出口信號(hào),變頻器根據(jù)反饋的信號(hào)使電網(wǎng)頻率的交流電變成連續(xù)可調(diào)的交流電,從而通過聯(lián)軸器改變水泵的轉(zhuǎn)速[2]。

變頻調(diào)節(jié)方式是通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而改變水泵特性,確保水泵在小流量低揚(yáng)程下能夠穩(wěn)定運(yùn)行,改善水泵空化性能的方式[3-4]。變頻水泵機(jī)組雖投資大,但更能適應(yīng)水泵的多種工況,通過改變轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)流量與揚(yáng)程的匹配,減少揚(yáng)程浪費(fèi),從而達(dá)到節(jié)能的目的[5-6]。還可以減少水泵機(jī)組在運(yùn)行過程中因工況變化而引起的振動(dòng)和噪音,有利于水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本供水工程處于平原地帶,地勢(shì)平穩(wěn),由于供水管線長,水力損失占水泵揚(yáng)程的大部分,最大揚(yáng)程與最小揚(yáng)程比為42.0/23.4=1.79,在運(yùn)行過程中揚(yáng)程變幅較大,且一、二期流量變化大。經(jīng)咨詢相關(guān)廠家,工頻運(yùn)行無法實(shí)現(xiàn),因此,采用“一對(duì)一”的變頻調(diào)速運(yùn)行方式,4 臺(tái)水泵機(jī)組均需采用變頻機(jī)組以盡可能滿足較大的揚(yáng)程變幅以及一、二期的流量變化。

3.4 水泵安裝高程

在選型過程中,水泵的安裝高程關(guān)乎到泵組的空化空蝕以及開挖深度。因此,在確定安裝高程時(shí),需要兼顧水泵機(jī)組的運(yùn)行條件和工程投資,尤其是對(duì)于多泥沙河流,水泵運(yùn)行條件差,過流部件受到泥沙長期沖刷,易產(chǎn)生汽蝕[7]。有關(guān)研究表明,對(duì)于汽蝕余量會(huì)因水泵運(yùn)行條件的不同而有差異,對(duì)于在清水河流中汽蝕余量小,而在多泥沙河流中,汽蝕余量大一些。在水泵前期設(shè)計(jì)選型中,應(yīng)高度重視安裝高程的合理選取。

水泵安裝高程是指水泵的基準(zhǔn)面高程。本工程水泵型式為臥式離心泵,基準(zhǔn)面為通過水泵軸線平面[8]。水泵安裝高程按（1）式計(jì)算：

式中：H允吸為水泵的安裝高程,m；為大氣壓力,m·H2O；為汽化壓力,m·H2O；[NPSH]為許用汽蝕余量,m,其中[NPSH]=k×NPSH,k為安全系數(shù)；h為進(jìn)水管的損失,m。

由（1）式可知,安裝高程的取值與大氣壓力、汽化壓力、進(jìn)水管的損失以及許用的汽蝕余量有關(guān)。其中,大氣壓力、汽化壓力與泵站所處的地理位置相關(guān),一旦站址確定,相關(guān)的壓力值也就確定了。而進(jìn)水管的損失與進(jìn)水管的管徑、流速、長度有關(guān),根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010）,合理選擇進(jìn)水管的流速及管徑。

許用汽蝕余量與水泵生產(chǎn)廠家的制造水平相關(guān),并結(jié)合取水泵站水源的不同水質(zhì),合理取值。對(duì)于取水水源為清水或者水質(zhì)較好的中小型水泵,汽蝕安全裕量為0.3 m。根據(jù)《水泵及水泵站》中針對(duì)大型多泥沙水源泵站采?。?.1～1.3）NPSH。工程實(shí)踐證明,在外部條件和進(jìn)水池允許的前提下,離心泵進(jìn)水宜選擇自流的方式引至水泵進(jìn)口,可以一定程度上減少水泵的磨損,即進(jìn)水池的最低水位高于水泵的安裝高程[9-10]。

水泵安裝高程應(yīng)按水泵運(yùn)行所需要的最大吸上高度H允吸確定,取決于河流最低運(yùn)行水位和水泵許用汽蝕余量。河流最低運(yùn)行水位為1110.4 m,結(jié)合水泵的參數(shù)水平,根據(jù)廠家樣本水泵必需汽蝕余量的推薦值,由于本供水工程在多泥沙河水源中取水,考慮一定的汽蝕安全裕量（安全系數(shù)取1.3）,則取水泵各種工況下水泵許用汽蝕余量的控制值為5.6 m,并考慮泵站海拔高度、進(jìn)水系統(tǒng)水力損失等因素,以此來計(jì)算水泵安裝高程[4]。根據(jù)工程布置,采用自流至水泵引水方式,更能滿足水泵汽蝕要求。

3.5 抗泥沙磨蝕措施

本泵站直接從黃河取水,河流多年平均含沙量較高,且汛期多年平均含沙量達(dá)4.02 kg/m3。含沙量大不利于水泵機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,水泵機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行將會(huì)對(duì)過流部件的表面產(chǎn)生侵蝕、磨損、擦傷等危害,降低生產(chǎn)效率,增加維修成本。為了減輕泥沙對(duì)水泵磨蝕危害,可以從水泵的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速、過流表面保護(hù)等方面采取防護(hù)措施[11]。

（1）水泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于多泥沙河流的取水泵站,對(duì)過流部件進(jìn)行優(yōu)化,提高蝸殼、葉輪等部件的鍛造加工質(zhì)量,確保過流表面光滑；密封環(huán)設(shè)計(jì)成耐磨型材質(zhì),提高抗泥沙磨蝕性能,減少密封處的間隙[12]。根據(jù)泵站的揚(yáng)程及流量,采用中開式結(jié)構(gòu),更有利于水泵的檢修維護(hù),更換核心過流部件。泵體材質(zhì)可選用性價(jià)比較高的鑄鋼,核心部件也可選用不銹鋼以減少水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的泥沙磨損；減少水泵結(jié)構(gòu)間隙,泵體的空腔部位填充樹脂等,增強(qiáng)泵體內(nèi)部的密封效果,延長使用壽命。

（2）選擇合適的轉(zhuǎn)速

對(duì)于多泥沙河流的取水泵站,在水泵選型時(shí)應(yīng)考慮轉(zhuǎn)速的影響。轉(zhuǎn)速越高,相對(duì)流速越大,在運(yùn)行過程中水泵的過流部件受到的磨蝕也就越大。因此,在滿足工程要求的前提下,選擇低一檔或者合適的轉(zhuǎn)速有利于減少過流部件的磨蝕[13]。同時(shí),對(duì)于揚(yáng)程變幅較大的水泵,可以采用變頻運(yùn)行的方式來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速,以減小葉輪出口線速度,降低對(duì)葉輪的磨損。

（3）采用抗磨蝕涂層和材質(zhì)

在葉輪、密封環(huán)等過流部位進(jìn)行噴涂耐磨蝕材料,減少由于在含沙量較大的水質(zhì)中長期運(yùn)行而產(chǎn)生的泥沙磨損。泵體選用硬度大,抗磨蝕性能好的材質(zhì),大大減少運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用,提高水泵使用壽命[14]。水泵廠家在生產(chǎn)制造時(shí),應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)要求,嚴(yán)格控制鑄件質(zhì)量,提高過流表面的光滑度,減少泥沙與過流部件的摩擦力。

4 結(jié)語

對(duì)于泥沙含量大的取水泵站,水泵泥沙磨蝕是比較常見的問題。本工程揚(yáng)程變幅大,泥沙含量高,在水泵選型上從運(yùn)行方式、安裝高程以及防泥沙磨蝕等幾個(gè)方面出發(fā),根據(jù)工程特點(diǎn)及基本設(shè)計(jì)條件,合理選擇水泵型式及相關(guān)參數(shù),優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用性能更高的抗泥沙磨蝕材料和材質(zhì)以降低泥沙對(duì)水泵運(yùn)行性能的影響,提高水泵的使用壽命。