浮体式泵站在应急引水工程中的应用

舒立华，庞 正，隋 昕，吴可清，胡秀华，王春堂

（1.山东省调水工程运行维护中心博兴管理站，山东 博兴 256500；2.山东省调水工程运行维护中心胶州管理站，山东胶州 266300；3.山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271000；4.泰安市水利局，山东 泰安 271000）

2014年以来，全国多省份降雨量稀少，山东段黄河汛期黄河沿岸灌溉引水困难，引黄济青工程也迫在眉睫，其中打渔张引黄闸引水流量仅为设计流量的30%左右。 连续多年的黄河冲砂， 导致黄河底冲刷下切，引黄闸闸前水位同比下降，渠首引黄闸处黄河水位偏低 （打渔张前黄河水位不足10.5m），自流引水流量偏少（胶东调水进水闸引水流量不足10m3/s）。启动渠首打渔张泵站建设至少2年工期，远水已不解近渴，靠自流引水无法改变缺水现状。 为了解决沿黄地区抗旱应急引水需求，急需方便快捷的工程措施。

张志民等［1］论述了国内、外移动泵站技术及产品的发展现状， 分析不同型式的移动泵站产品的特点及应用前景。 非洲某地［2］灌溉工程通过浮船泵站机动灵活的特点，来解决旱季灌溉问题。 杨龙等［3］人设计制作了组合浮箱式移动泵站， 该形式移动泵站能满足排涝抢险过程中的一些特殊需求， 可取代部分固定泵站。 岳俊丽［4］在人民胜利渠渠首实现了浮船式泵站技术上可行，解决了当时应急引水困难。李淑芹、王宁［5］在高青引黄灌区的移动泵站设计和应用证明了移动泵站可因地制宜地与固定泵站结合可最大化地发挥泵站灌溉的效益。 杨龙等［6］校核了组合浮箱式移动泵站的稳定性， 阐述了组合浮箱式移动泵站的性能， 提出该形式移动泵站的应用。 H.M.Zhang，L.X.Zhang［7］使用OpenFOAM代码，对潜水式轴向流中导叶上的磨损进行了数值研究。 林志国等［8］分析了两种不同工况下轴流泵叶轮叶片和导叶表面的压力及速度分布情况， 揭示了叶片和导叶的流态及表面压力在流场中的分布规律。 王婷婷，Juan Pablo Valdés等［9-10］采用CFD技术对潜水泵进行了分析和优化。

通过分析，决定进行新型浮体泵站——模块式箱型浮体组合泵站开发研究，同时为扩大研究成果的使用范围，模块式箱型浮体组合泵站不但要满足抽引黄河水要求，同时还应满足抗旱、排涝等应急工程及水库、河道、渠道、塘坝等取水工程，要求安装、运输、组装、拆卸等满足灵活、快捷、方便等功能。

1 水泵型式的确定及技术措施

1.1 浮体式泵站设计指标

为应对渠首引水困难局面和异常严峻的缺水形势，为此安装了28台水泵的浮体式移动泵船式的临时泵站。 根据青岛及工程沿线缺水情况，从黄河的引水流量为25m/s以上才满足用水需求。 经推算研究决定，安装移动泵站2个组合，现有浮体有2个组合，分高扬程模块式浮体组合和低扬程模块式浮体组合， 组合1为14台1.16m/s扬程3m的700QZ-130的水泵， 组合2为14台1.0m/s扬程5m的600QZ-70型水泵。

这两种水泵都是采用钢制井筒式安装形式，井筒与浮体式移动泵站通过法兰连接， 水泵出水管采用DN700的钢丝骨架橡胶管和钢管。 泵船与围堰之间设浮箱拖股橡胶管，浮箱尺寸为7m×2.8m×0.84m，4个浮箱单排连接成一体支撑出水管。1.16m3/s扬程3m水泵安装在4.2m×4m×1.8m浮体上， 两台1.0m3/s扬程5m水泵安装在7m×4m×1.5m浮体上。 总装机功率2170kW（14×75kW+14×80kW），设计总流量30.24m3/s（14×1.0+14×1.16）。总装机容量2170kW。并可根据用水流量大小需求，合理组合，以满足使用要求。

表1 模块式箱型浮体组合泵站参数

1.2 采取的技术措施

1.2.1 防泥沙磨蚀措施

为解决水泵叶轮汽蚀和泥沙磨损这一难题，研究选用汽蚀性能优良的水力模型， 加大叶轮入口直径，降低叶片表面流速，有限防止水泵发生汽蚀。 另外，导叶体、叶轮外壳等水力部件选择耐磨性能优良的材质；设置电缆护套，既保护电缆，又能压紧电泵，防止电泵反转和晃动，增加机组稳定性。

1.2.2 主轴及密封技术措施

为满足防泥沙要求，对主轴、轴承及密封等进行专项研究。 水泵主轴与电机轴采用同一根轴，材质为不锈钢2Cr13； 轴承选用进口SKF优质轴承；泵轴配备串联式双重独立的机械密封系统；电缆出线位置在井筒法兰与盖板之间， 采用橡胶密封块密封，方便水泵机组的安装和拆卸，且能保证电缆出线处不渗漏。

1.2.3 整机防转措施

潜水泵采用自动耦合安装， 为防止启动时电泵转动引起电缆扭断， 可在水泵导叶体下部设置机械式防转装置，避免泵在水下运转启动时的转动现象，杜绝电缆线扭坏现象，使潜水电泵运行可靠。

2 模块式箱型浮体技术研究

2.1 箱型浮体的CFD技术分析

本工程采用潜水轴流泵，轴流泵对喇叭口进水流态要求严格，不良的进水流态会导致水泵性能显著下降，严重情况下可能导致机组振动，浮箱倾翻。为保证浮体泵站的安全稳定，浮体设计既要考虑浮力、水推力、管道及水体重量、配重等，还要考虑水泵淹没深度、喇叭口高度等要求，为保证浮体周围和水泵进水喇叭口处流态良好，应使喇叭口四周来水量基本相等， 本研究利用CFD技术进行流场分析来确定箱体尺寸和机组间距。 流场分析结果如图1～图5。

图1 箱型浮体的3D模型图

图2 箱型浮体的CFD技术分析图

图3 CFD技术分析图主视图

图4 CFD技术分析图俯视图

图5 CFD技术分析图左视图

2.2 箱型浮体尺寸确定

根据CFD技术分析结果， 机组间距应不小于2.5倍的喇叭口直径。据此，确定高扬程水泵浮体尺寸为6.0m ×4.0m，浮体高度1.5m，吃水深度1.2m，每节浮体安装2台流量1m3/s扬程5m的水泵机组， 机组间距2.5m；低扬程水泵浮体尺寸为4.0 m×4.0m，浮体高度1.8m，吃水深度1.4m，每节浮体安装1台流量1.6m3/s扬程3m的水泵机组。

2.3 管道支撑浮箱设计

（1）高扬程泵站管道支撑浮箱采用钢结构焊接件，浮箱尺寸为6m×2.8m×0.8m，每节浮箱支撑3～4根管道。 浮箱之间采用螺栓连接。

（2）低扬程泵站管道支撑浮箱尺寸为4m×3.2m×1.0m，每节浮箱支撑2根管道。 浮箱之间采用螺栓连接。

3 泵站组合方案确定

3.1 模块式箱型浮体组合型式确定

模块式箱型浮体组合泵站由潜水轴流泵和浮体组成，浮体尺寸根据潜水泵的尺寸、重量、运行中的水推力等因素确定，每个浮体安装1～2台水泵机组，浮体的吃水深度满足水泵淹没深度要求，水泵喇叭口不宜伸出浮体外，以防安装、运输中的碰撞。

图6 组合安装示意图

浮体的组装不能少于两排， 浮体之间相连接，周围通过固定桩和绳索固定，以增加浮体泵站的稳定性。

图7 组合安装示意图

3.2 高扬程模块式箱型浮体组合泵站

高扬程模块式箱型浮体组合泵站的每只浮体安装2台水泵机组，7个浮体分2排错位连接成1个移动泵站，共14台潜水泵，总装机容量1050kW。 浮体通过固定桩和绳锁等固定， 水泵出水管由DN700的钢丝骨架橡胶管和钢管组成，出水管翻过围堰后自由出流。浮体泵站和围堰之间管道通过浮箱托浮，4个浮箱连接成一体，出水管固定在浮箱上。

3.3 低扬程模块式箱型浮体组合泵站

低扬程模块式箱型浮体组合泵站的每只浮体安装1台水泵机组，16个浮体分2排错位连接成1个浮体泵站，共16台潜水泵，总装机容量1200kW。 浮体通过固定桩和绳锁等固定， 水泵出水管由DN900的钢丝骨架橡胶管和钢管组成， 出水管翻过围堰后自由出流。 浮体泵站和围堰之间管道通过浮箱托浮，8个浮箱连接成一体，出水管固定在浮箱上。

4 成果的社会效益和推广应用

4.1 浮体式泵站取得的社会效益

在引黄济青渠首打渔张泵站处成功组装了两排共16个浮体的临时引黄泵站，安装水泵机组22台。其中，组装4m×4m×1.8m浮体10只，安装流量1.6m3/s水泵机组10台； 组装6m×4m×1.5m浮体6只， 安装流量1.0m3/s水泵机组12台。 泵站总流量达28m3/s，总装机功率1650kW。

引黄济青渠首打渔张泵站模块式箱型浮体组合泵站的成功安装运行，每月可向棘洪滩水库抽送5000多万m3的黄河水，比自流引水提高了近2000万m3的供水能力，使工程具备在保证青岛用水前提下，可以兼顾向潍坊等地调水。

模块式箱型浮体组合泵站在向青岛市供水工程中发挥了重要作用， 确保了青岛市工农业生产和居民生活用水，社会效益和经济效益显著。

4.2 浮体式泵站的推广应用

（1）浮体重心低稳定性好。浮体式移动泵站采用潜水轴流泵，降低了浮体重心，使得浮体泵站比传统浮体泵站的稳定性好。

（2）安装、运输、组装快捷方便。浮体按模块化设计，运输、组装灵活方便，泵站组装时间短，可为紧急调水工程赢得宝贵时间。

（3）工程规模适应性强。 根据各工程引水流量要求，选用不同数量模块组装，适应各种工程规模要求。

（4）水位变幅适应性强。 该工程通过高、低扬程浮体模块的组合， 满足泵站前池水位涨落变化对水泵扬程的要求。

（5）泵站结构紧凑、运行灵活可靠。 通过数值分析确定最优浮体尺寸， 模块化组装泵站不仅节省工程场地，而且增加了泵站的整体稳定性，泵站结构紧凑，运行灵活、可靠。

5 结语

（1）模块化浮体式移动泵站具有运输方便、组装快捷、安装轻便、运行灵活等特点，和流量大、扬程范围宽、运行稳定可靠的供水能力。 可广泛应用于抗旱、排涝、引黄等应急工程，以及水库、河道、渠道、塘坝等取水工程和其他领域，发挥更大的社会效益。

（2）现有浮体式移动泵站技术作为固定泵站的一种补充、应急抗旱措施，在沿江提水泵站中值得大力推广。 依据浮体式移动泵站引水工程的成功经验，迁移浮体式移动泵站改为固定泵站，泵站移址后又能满足调水运行，在泵站建成前发挥应急引水作用。