观景口泵站水泵选型设计分析

高普新 张丽敏

1 工程简介

观景口水利枢纽工程是重庆市重点水源工程之一，位于巴南区五布河干流上。工程任务是以城市供水为主，同时兼顾小城镇及农村人畜饮水、农业灌溉。在观景口水库至供水用户之间设提水泵站，泵站布置在花生基。从水库通过压力输水隧洞总管引水，在泵站前叉成支管进入泵组，经水泵加压后，大泵及小泵出水支管各汇成一根出水总管至出水池。泵站年运行时间为5 006 h。

2 泵站基本条件

2.1 泵站设计流量

观景口水库输水工程线路设计流量为4.76 m3/s，加大流量5.76 m3/s，最小流量2.30 m3/s。设计流量包括茶园新区城镇供水流量3.32 m3/s，灌溉及人畜供水流量1.26 m3/s，小城镇供水流量0.18 m3/s。初期运行设计流量为0.5 m3/s。

2.2 水库水位

2.3 出水池水位

2.4 进、出水系统水头损失

泵站进、出水系统的水头损失见表1。

表1 泵站进、出水系统的水头损失 m

2.5 水库调度

供水规模（正常蓄水位281 m）/（m3· s-1）5.76

供水规模（设计水位270 m至 5.76

正常蓄水位281 m）/（m3·s-1）

死水位254 m至设计水位270 m，水库在 3.1

降低供水区运行，供水流量减少

供水规模（死水位254 m）（m3·s-1）

3 水泵选型

3.1 水泵基本参数

3.1.1 水泵运行扬程

首先根据水库水位、出水池水位及水头损失，确定水泵几何扬程及运行扬程，见表2。

表2 几何扬程及运行扬程 m

3.1.2 水泵设计流量

根据水库调度运行方式确定水泵的设计流量。在设计水位270 m时，泵站设计供水流量应满足加大供水流量5.76 m3/s要求；在死水位254 m时，泵站最小供水流量为3.1 m3/s。初期运行设计流量为0.5 m3/s。

3.2 水泵型式的选择

根据泵站的单泵流量和扬程范围，可选择的泵型主要有两种：立式单级双吸离心泵、卧式单级双吸离心泵。初估水泵口径在500～600 mm及800～900 mm，如采用立式布置，水泵电动泵组结构相对复杂，厂房布置容易造成空间利用率不高。目前，国内厂家生产的同口径范围内的水泵以卧式安装最为常见，生产和制造经验丰富，同时又可降低厂房高度，安装检修方便，故选定卧式单级双吸离心泵。

3.3 水泵运行方式的确定

观景口泵站水泵扬程范围为18.83～48.46 m，变幅达到29.63 m。由于在扬程变化范围内，还需要满足工程确定的供水流量的要求，离心泵本身不具备此调节能力，需要采用相应的工程措施。常用的工程措施有：（1）水泵串联运行。采用2台套水泵串联运行，但2台套水泵都长期稳定工作在高效率区，难度非常大，而且调度不灵活、运行管理不方便、检修维护工作量大、土建投资大、可靠运行安全性低，不适合向重要城市供水的输水工程。（2）水泵出口装造压阀门。水泵按高扬程选型，当扬程较低时，通过阀门造压，水泵也能稳定地工作在高效率区。但本工程水源水库为年调节水库，在高水位运行的概率达到87.18%，这种方案不能利用水库的水位变化，达到节能设计目的。（3）水泵采用变频调速的方案运行。这种方案通过变频器，改变电动机转速，调整水泵工作点，使之能够适应泵站扬程和流量的变化。这种方案流量调节方便、运行安全可靠、控制简单灵活，在许多供水工程中都有成功应用的经验，相应机电设备的设计、制造、运行技术非常成熟。综上分析，水泵采用“一对一”变频降速调速的运行方式。

3.4 台数选择

泵站在台数选择时，首先满足规范要求，其次主要考虑供水流量与水泵台数的匹配、水泵的制造水平、工程投资等。本泵站主要为茶园新区城镇供水，供水规模是以2030年设计水平年城镇的规划发展规模进行确定，供水方案采用水泵加压，然后无压输水至各用水点。这就存在在供水工程建成初期，泵站供水能力远远大于需水用户用水量，加上中间无有调蓄能力的水库，造成单台水泵频繁启停、运行工况差、效率水平低，大部分水泵长期闲置的状况。参考已建成类似供水工程实际运行工况，同时结合工程的具体情况，推算泵站运行初期设计流量，提出大、小泵方案，进行水泵台数匹配，使之更好更灵活地适应工程实际运行工况。

3.4.1 初期运行水泵（小泵）台数选择

根据多方分析，推算泵站运行初期设计流量0.5 m3/s，设置1台NSC500-400-590型离心泵。考虑到泵站初期运行时，基本为城镇生活供水，为保证供水可靠性，同时设置备用泵1台。因此，初期运行水泵共设置2台，1台工作，1台备用。

3.4.2 设计水平年运行水泵（大泵）台数选择

根据工程整体布置，泵站水泵采用并联运行。在工作泵同时工作时，满足设计扬程下加大设计流量5.26 m3/s及最高扬程3.1 m3/s设计流量要求，备用泵仅作为检修、事故备用。根据规范规定，同时结合制造厂家资料，并联运行水泵台数最好限制在4台以内，但水泵台数也不宜太少，否则运行调度灵活性会下降。综合考虑，工作泵台数暂按3台及4台进行比选。备用泵：3台及4台工作泵均设置1台备用泵。根据确定的工作泵台数进行技术经济比较，详见表3。

表3 4台及5台泵组方案比较表

4台泵方案（3台工作泵）与5台泵方案（4台工作泵）比较，两个方案均能满足泵站供水功能要求，工作泵台数满足供水流量和扬程变化，备用泵台数满足检修事故备用。5台泵方案单泵流量偏小，运行时调度较灵活，但配套总功率偏大，厂房土建及机电设备投资都相对较高。4台泵方案单泵流量相对较大，但配套总功率小，投资较小，经济指标相差明显。因此，设计水平年运行水泵（大泵）选定4台泵组方案。

综上所述，泵站装机按四大两小配置，共6台水泵。大泵4台，3台工作，1台备用；小泵2台，1台工作，1台备用。

3.5 推荐泵组性能参数

在确定水泵参数时，主要考虑：（1）泵站水泵的扬程变幅达到29.63 m，采用水泵变频运行，改变工作点，满足此变化要求。根据1959—2013年水库供水月均水位过程，648个月平均水库水位进行分析，泵站扬程在18.83～31.45 m范围内出现的频率为87.18%，所以，在选定水泵参数时，此区域应处在水泵高效率区内；（2）根据水库调度要求，在死水位254 m时，供水流量达到3.1 m3/s，用此工况校核大泵供水能力；（3）综合分析各制造厂的资料。

考虑以上因素，对水泵真机参数指标进行预测。水泵真机预测参数见表4。大泵并联变频运行曲线图如图1所示。

表4 水泵真机预测性能参数表

图1 大泵并联变频运行曲线图

3.6 水泵配套功率确定

水泵配套功率要根据水泵特性曲线、工程实际运行范围，计算有可能出现的最大轴功率进行确定。本泵站大泵的最大轴功率为1 013 kW，考虑一定的安全系数，结合电动机型号参数资料，推荐电动机功率为1 200 kW。同理，小泵电动机功率为400 kW。电动机功率与水泵工作点的效率、工作范围有很大关系，在招标选定水泵参数后，应进一步详细核算水泵配套功率。

3.7 水泵安装高程

水泵的安装高程应按水泵运行所需要的最大吸上高度Hs确定。经计算Hs为-2.24 m，为保证水泵安全稳定运行所需要的最小淹没深度，采用水库最低运行水位252 m计算，得出水泵安装高程为249.76 m，结合水工布置考虑一定裕量，确定水泵叶轮中心安装高程为249.5 m，Hs=-2.5 m。水泵进出水管水平中心线在叶轮中心线下大约750 mm，结合厂房和管路系统布置，进、出水管水平中心线高程取248.00 m。

小泵的气蚀余量小于大泵，安装高程可以相应提高。但为便于安装布置及运行管理，小泵与大泵统一进水管高程，因此，小泵的进、出水管高程为248.00 m。

3.8 水泵进、出口阀门

为保证泵站的安全运行和检修维护，在每台水泵的进水管上设置1道阀门，在出水管上设置2道阀门。进水管上的阀门为检修阀门，其型式为电动偏心半球阀。出水管上第一道阀门为工作阀门，阀门型式为液压控制缓闭式蝶阀，主要用于水泵闭阀造压启动、泵组正常停机和泵组突然事故失电水锤防护。第二道阀为泵组及液控缓闭蝶阀的检修阀门，当工作阀门拒动，它可以一段关闭，防止事故扩大，型式为液动操作偏心半球阀。

4 辅助设备系统

（1）主厂房起吊设备。根据起吊设备重量，选用1台16/3.2 t单小车桥式起重机。跨度14 m，起吊高度15 m。

（2）技术供水系统。泵组冷却供水系统采用自流供水方案。压力钢管取水，经滤水器过滤后，向各台泵组供水，经过各冷却器后的水排至水泵进水检修阀前。

（3）排水系统。排水系统包括厂内渗漏排水和泵组检修排水两部分，共用集水井和排水泵。选用3台潜水排水泵，正常情况下，2台工作，1台备用。

（4）水力测量系统。水力测量系统分全厂性测量和泵组段测量两部分。

（5）初扬水充水系统。为满足泵站在出水系统无水的情况下，初次起动泵组需要，设置初扬水水泵2台套。

5 结语

（1）现在供水工程蓬勃发展，多数都通过水泵加压提水。在水泵选型时，要充分了解水泵的工作条件，工程需求和特点，多与制造厂家沟通，最终确定适合工程的水泵参数。

（2）对于泵站扬程变化大，要求供水流量稳定的泵站，多数情况下会选用变频水泵。在变频水泵参数的选择过程中，首先要分析确定水泵经常工作的扬程和流量范围，确保水泵工作点范围在变频后的高效区内。

（3）水泵制造水平日新月异，要更多的搜集国内外先进水泵参数，选择出更节能、更高效的水泵。