芜湖市荆方泵站水泵选型方案比选

周明政

（芜湖市水务局，安徽 芜湖241000）

1 工程背景

根据《芜湖市水网区（中片）防洪排涝综合治理规划》， 安徽省芜湖市水网区排涝体系同现状相比，将作重大调整， 即逐步废除排水区内原有排入荆山河、竹港河的城南圩小荆山、韦庄、黑沙湖、上河口、光荣、竹丝港站、三连圩西滩、万胜站、埭南圩俞家、北斗、南沟、合胜等12座一排泵站，改由在荆山河汇入青弋江口和竹港河汇入青弋江分洪道口集中建2座大型排涝站直接外排。

新城南圩荆山河排水区， 是以荆山河下段及竹港河为主排涝沟，将原城南圩的竹丝港、黑沙湖、小荆山、光荣排区、原埭南北圩的俞家排区、原三连圩的西滩排区合并而成， 荆山河排水区总排水面积73.69km2。规划拟在荆山河汇入青弋江口及竹港河汇入青弋江分洪道口各建一个排涝站。 荆方泵站位于荆山河与青弋江交汇处， 工程初步设计时设计单位经过对排区设计洪水流量复核计算， 并征求芜湖市水务局意见，最终确定荆方泵站工程规模为：设计排水流量50m3/s。 荆方泵站工程主要包括站身、穿堤涵洞、清污机桥、上下游引河及堤防等。

本文通过对芜湖市荆方泵站工程的水泵选型方案进行比选研究， 从机组性能指标和结构可靠性方面进行系统分析， 选取最为经济合理的水泵选型方案进行设计施工，提高工程的经济性和合理性。

2 水力机械设计参数

荆方泵站位于芜湖市镜湖区卜家店附近， 青弋江与荆山河交汇口以南约600m， 是芜湖市水网中片圩区防洪排涝的骨干项目之一， 泵站的设计流量为50m3/s，泵站的运行水位组合及特征扬程如表1。

表1 芜湖市荆方泵站设计水位组合表

3 荆方泵站选型原则与模型

3.1 泵型选择原则

荆方泵站为排涝泵站，对社会效益要求较高。根据荆方泵站的设计参数和工程特点，离心泵、潜水泵等泵型不适合本泵站的使用要求［1-4］，本工程初步设计阶段以立式机组结构型式进行设计。

目前常用的立式机组主要有立式轴流泵和立式混流泵两种， 荆方泵站的运行扬程范围介于轴流泵和混流泵的运行范围之间， 因此在该范围内可供选择的水力模型有轴流式模型和混流式模型。 对于轴流式水力模型， 国内外不同的科研单位和高等院校都有成熟的研究成果， 而且许多模型都已经在工程中得到成功应用［5-7］。 与轴流泵比较，导叶式混流泵的水力模型相对要少一些， 从20世纪90年代初期开始，为适应南水北调东线工程中、高扬程段泵站建设的需要， 国内的一些科研单位和高等院校开展了富有成效的研究， 但对于水力模型的积累比轴流泵水力模型还有不足［9-11］。

从综合角度考虑， 两种方案的土建结构基本上不存在差异；两方案的布置型式基本一致，机组性能指标相差不大；在结构可靠性方面两方案基本相同；考虑到轴流泵机组叶轮及导叶体部件的结构型式更适合于本泵站的水泵梁布置， 因此设计单位推荐采用立式轴流泵方案作为设计方案。

3.2 水力模型

针对水泵水力模型， 近年来为了南水北调泵站工程的机组选型， 在天津曾进行过数个批次的水泵模型的同台测试工作。 根据荆方泵站的先关水力条件及参数， 选用TJ05-ZL-01号水力模型进行初步设计，从该模型性能参数来看，适用于本泵站。 在设备招标阶段安排在扬州大学测试中心进行了装置模型的对比试验，进一步优选水力模型，通过性能比较最后选择TJ04-ZL-03号水力模型， 并根据模型试验的结果对主机组参数进行最终的确定。

4 荆方泵站选型方案性能比较

4.1 方案比选

根据荆方泵站的工程特点， 工程初步设计阶段采用两种不同的装机台数及站身方案进行比选，比选的两种方案分别为：方案一，装机4台套，单机设计流量为12.5m3/s；方案二，装机6台套，单机设计流量为8.5m3/s。

4.1.1 方案一机组主要性能参数

本方案装机4台套，主机组采用水泵叶轮直径为2000mm、转速为214.3rpm的原型参数。根据类似工程的模型试验结果及数据，预估原型装置的性能，主机组性能曲线如图1，各运行工况下的主要性能技术参数如表2。 结合泵站扬程和流量的要求，在设计工况角下可能出现的最大轴功率为1296kW，考虑储备系数1.1， 配套功率应超过1426kW， 需配套功率为1470kW的28极立式同步电动机。

图1 原型装置性能曲线

表2 原型泵在各运行工况下的主要性能参数

4.1.2 方案二机组主要性能参数

本方案装机6台套， 单机设计流量为8.5m3/s，主机组拟采用水泵叶轮直径为1700mm、转速为250rpm的原型参数。根据类似工程的模型试验结果及数据，预估原型装置的性能，主机组性能曲线如图2，各运行工况下的主要性能技术参数如表3。结合泵站扬程和流量的要求， 在设计工况角下可能出现的最大功率为895kW， 考虑储备系数1.1， 配套功率应超过985kW。

图2 原型装置性能曲线图

表3 原型泵在各运行工况下的主要性能参数

4.1.3 综合比选

从上述两种装机方案的性能参数来看， 均能满足泵站运行要求。由于本泵站为排涝工程，不设置备用机组，方案一的4台机组台数较少，则当某台机组故障时流量损失较大，运行调度不灵活；且方案二采用堤后式结构，对防洪大堤及堤顶道路影响较小，故根据荆方泵站的工程特点，本站采用方案二安装6台套机组。

4.2 推荐方案设计参数

结合泵站扬程和流量的要求， 主水泵与主电机直联，招标设计阶段结合装置模型试验成果，进一步复核配套电机功率。 水泵允许气蚀余量［NPSH］＝7.5m，水力损失为0.15m，工程所在地的大气压力以10.13m水柱计算， 水泵叶轮中心的最高理论安装高程可为2.54m。 最终确定主水泵叶轮中心的安装高程确定为▽-0.5m。

荆方泵站扬程变化范围较大， 最低扬程与设计扬程相差很大，如水泵叶片一直在设计工况角度运行，当出现最低运行扬程时，单机流量将达到11.5m3/s以上，超过设计流量35%，此时装置水损为设计工况的1.8倍，由于流速过大，机组运行振动将大大增加，不利于设备的稳定运行， 为保证泵站机组安全稳定运行以及流量调节的灵活性， 工程采用叶片全调节方式。根据荆方泵站的工程特点，主机组采用平直管出水流道，水泵出水经90°弯管后接入混凝土直管式流道，流道出口接入压力箱涵，采用拍门断流，压力箱涵过堤后出口设置闸门断流。

5 结语

本文通过对芜湖市荆方泵站工程的水泵选型方案进行比选研究， 首先阐述了泵站的选型原则以及对水力模型的适用性进行探讨， 之后从泵站机组性能指标和结构可靠性方面进行系统分析， 最终选择装机6台套，单机设计流量为8.5m3/s的方案进行设计施工，该方案采用堤后式结构，对防洪大堤及堤顶道路影响较小，同时给出了推荐方案的主要结构形式，即荆方泵站采用立式轴流泵机组， 按出水形式和支撑方式确定采用整体金属弯管式， 该形式的结构特点是：无水泵顶盖，金属弯管后接出口伸缩节，泵体采用泵座支脚支撑， 适用于水泵尺寸相对较小的泵站。