长距离有压取水泵站水泵选型研究

范小娟，宋培培，夏玉宝

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550000）

在输水工程中，泵站属于重要的提水设备，合理的水泵设计将对整个工程调度、运行产生直接影响[1]；依据工程供水规模、输输管线布置确定泵站提水流量及泵站扬程；当泵站提水扬程变幅较大时，可采用机组变频运行、选取多组水泵叶轮等方式以满足工程的实际运行要求[2]。本文结合某工程泵站布置实例对水泵选型方案进行研究。

1 工程概况

某长距离有压输水工程从水库取水，经13.5km的有压取水线路至提水泵站，后接0.8km的泵站上水管至高位水池；泵站内设有水泵机组及自流管路及调流阀两套系统。当水库水位较高时，经泵站自流管路及阀门系统过水，通过阀门调节流量满足供水要求；当水库水位较低时，经泵站内水泵机组系统提水，满足供水要求。

2 泵站基础资料

2.1 泵站设计流量

工程年供水量为3450万立方米，主要向某城市水厂供水，泵站设计流量为3.0m3/s。

2.2 水库特征水位

最高运行水位 1145.0m设计运行水位 1145.0m最低运行水位 1120.0m

2.3 高位水池特征水位

设计运行水位 1135.0m

2.4 输水线路系统水头损失

表1 输水线路系统水头损失

2.5 机阀调度运行方式

当水库水位在1145.0～1138.5m范围内运行时，通过自流即可满足供水要求，此时泵站内的水泵机组处于停机状态，经自流调流阀过流通水；通过调节自流调流阀的开度，以满足水库不同水位时保证过流能力一定。

当水库水位在1138.5～1135.0m范围内运行时，自流流量不能满足供水要求，此时需关闭自流调流阀，经机组提水至高位水池；水泵出口设有工作调流阀，水泵及工作调流阀联动运行已保证机组安全稳定。

当水库水位在1135.0～1120.0m范围内运行时，由于水库水位均低于高位水池水位，需经机组提水至高位水池。

3 机组选型

3.1 机组基本参数

3.1.1 泵站特征扬程

依据水库特征水位、高位水池特征水位、输水线路系统水头损失确定泵站特征扬程。

表2 泵站特征扬程

3.1.2 水泵机型选择

水泵选型应遵循满足供水流量要求、设备运行安全可靠、生产制造不受限制、安装检修方便等原则[3]。根据工程供水要求的扬程和流要求量，泵站选则卧式单级双吸离心泵。

提水扬程范围为0～19.0m，泵站扬程变幅大，为满足供水流量要求及机组稳定运行，机组采用变频调速方式运行。对于变频运行水泵机组，变频宜从高扬程调至低扬程，以避免电机超频运行，所以水泵设计扬程即为最大扬程为19.0m。

3.1.3 泵站机组台数

工作泵台数需根据工程规模、建设内容等进行技术经济比较后确定，备用泵台数根据工程重要性、运行条件及年运行时间确定。在泵站选取水泵机组台数时，水泵台数越多，则泵站灵活性越高，调节性能越好，工程供水系统的可靠性越高，但工程投资越大；因此，泵站工作泵及备用泵台数的选择需综合考虑泵站建设投资费用、运行费用、设备制造水平及运输条件限制、水泵运行可靠性及灵活性等因素[4]

工程受水对象近期供水规模为20万吨/天，远期供水规模为25万吨/天；即近期输水流量为2.386m3/s，远期输水流量为2.983m3/s；结合水泵生产制造水平，考虑重要供水泵站工作泵台数多于3台时，宜设置2台备用泵；工作泵台数3台及3台以下时，宜设置1台备用泵；初选4用2备、3用1备两种方案进行比较。

表3 台数比较

综合比较设备投资、泵房尺寸、调度管理等因素，推荐投资较优的方案二，即3用1备方案。

3.1.4 水泵机组性能参数

泵站特征扬程为19～20m，扬程相对变幅达100%；常规变频机组扬程相对变幅仅达到30%，故设备厂家生产制造能力有限，水泵泵型难以适应工程水位变化，水泵选型受限。根据泵站扬程变幅情况，考虑将泵站扬程分段，设置不同扬程段的水泵机组（相当于采用水泵叶轮切割），或采用变频调速运行方式加水泵出口进行调流。若考虑泵站扬程分段，则需设置两套机组，厂房尺寸增加较大；本工程推荐选用变频调速运行方式加水泵出口设工作调流阀。

在确定水泵参数时，考虑泵站水泵的扬程变幅达到19m，机组采用变频运行方式，水泵稳定运行最低扬程尽可能接近泵站最低扬程，综合分析各制造厂的资料，宜采用Q-H变化较陡的曲线。

水泵稳定运行最低扬程为3.5m，则当水库水位位于1135.0～1138.5m时，泵站提水扬程均小于3.5m，此时需调节水泵出口调流阀开度，以此增大水泵扬程，保证机组稳定可靠运行。

3.2 水泵阀门选择

为保证单台机组检修时不影响其他机组正常运行，在每台水泵进出口各设置一台电动检修阀门，考虑机组运行时过流通道水流顺畅，进出水侧检修阀门均采用全通径的偏心半球阀。

泵站特征扬程变幅较大，考虑水泵扬程选型受限，水泵出口设置出口调流阀进行调节，增加水泵的实际运行扬程，满足实际的供水规模。

3.3 配套电动机选择

电动机结构类型分为同步电动机和异步电动机[5]，其中异步电动机分为鼠笼式异步电动机和绕线型异步电动机[6]。参考已建泵站设计经验，电动机选用绕线型异步电动机。

电动机配套功率需根据水泵特性曲线、机组并联运行特性曲线及装置曲线确定不同工况下机组工作点，并计算各工况点下的最大轴功率进行确定。本泵站大泵的最大轴功率为322kW，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280kW。

3.4 机组安装高程选择

水泵的安装高程应按水库为最低运行水位时，满足不同工况下水泵允许吸上真空高度Hs确定。水库最低运行水位1120.0m，经计算Hs为-0.8m；考虑水泵最小淹没深度，结合水工布置，水泵安装高程为1110.0m。水泵型式为单级双吸卧式离心泵，水泵进出水管中心线距水泵安装高程为550mm，水泵进出水管中心线高程为1109.45m。

3.5 辅助设备选择

为泵站检修方便、运行管理安全，配备有相应的辅助系统。

（1）主厂房起重机。为了满足安装及检修的需要，主厂房设电动双梁桥式起重机一台，起吊最重件为自流管路上的自流活塞阀，其重量为18.5t，选用的起重机型号为GD20/5t，起重机跨度为15.0m。

（2）技术供水系统。机组配套电动机选用绕线型异步电动机，电动机功率相对较小，采用强迫风冷，故不在单独设置技术供水系统。

（3）排水系统。排水系统包括厂房内部渗漏排水和机组检修排水两，本工程共用一个集水井，设置2台排水泵。机组检修时，2台工作；渗漏排水时，1台工作，1台备用。

（4）水力测量系统。机组段测量：每台水泵进/出水侧各设1支压力变送器、1支压力表，工作阀前/后各设1支压力变送器，工作阀后设1支压力表；监测各部位压力变化值；在泵站出口总管装设1套超声波流量计，监测泵站出口管道流量。全厂性测量：水库及高位水池各设置2套液位变送器。

（5）初启动充水系统。为了机组平稳启动，通过出口液控调流调压活塞阀结合变频电动机启动给水泵出口水管充水。

4 结语

本文针对某长距离有压取水工程的布置特点及供水要求，结合水泵、电动机、阀门等设备的发展水平及制造工艺能力，总结工程水泵机组及阀门选型原则和调度运行方案。

（1）机组台数及单泵流量的选择，需综合考虑供水要求、机组设备制造能力、工程布置及工程投资等因素。

（2）泵站扬程变幅较大且供水要求保证较高时，机组常需考虑变频运行方式；泵站扬程相对变幅超过30%且机组选型受限时，可设置不同扬程段的水泵机组，或采用变频调速运行方式加水泵出口进行调流。

（3）工程考虑自流及水泵机组提水两种工况，需确定各工况的边界条件，做好调度运行方案，满足工程供水要求。