寿县肖严湖排灌站涵水泵选型设计

姚婷婷

（安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司,安徽 合肥 230088）

0 引言

现如今排涝与灌溉相结合的泵站愈来愈多[1],排涝与灌溉结合的泵站中,水力机械设备的选择需要考虑的因素复杂,常见的泵站中排涝与灌溉机组分开设置,但由于不同工况下流量、扬程不同,对应的泵型大小不同,因此泵站结构复杂,各高程参差不齐,土建施工难度大[2],且排涝与灌溉机组的装机功率亦不相同,因此电气设备投资较大。所以,在针对排灌结合的泵站中,水泵选型尤为重要,通过合理的泵型选择[3],将排涝与灌溉工况相结合,即要求水泵拥有较宽广的高效区；同时满足排涝与灌溉的水位变幅大的要求,即要求水泵高程布置合理,水泵具有稳定的机组结构[4]。潜水泵技术愈来愈成熟,国内已广泛运用于大、中型泵站,将潜水泵与排灌泵站结合,可有效解决复杂工况的问题。本文以寿县肖严湖排灌站涵工程为例,对其水泵选型及设计方案进行分析探讨。

1 工程概况

肖严湖排灌站涵工程位于寿县西北部,西临淠河,北滨淮河,东抵淠东干渠及正阳分干渠,南以杨西分干渠为界,流域面积344 km2,耕地26.74万亩,分属寿县7乡（镇）及正阳关农场。本工程拟对原正阳涵拆除后原址重建自排、抽排、自引补给等多功能一体站涵,汛期自肖严湖排内涝入淮河,灌溉季节自淮河补水至肖严湖。

2 水泵选型设计重难点

（1）涉及工况复杂。肖严湖排灌站涵工程要求具有自排、抽排、自流引水和抽灌补水功能,完善正南洼防洪排涝体系建设,同时增加旱时引淮河水补给肖严湖功能,补充灌溉水源。

（2）水位变幅大。肖严湖排灌站特征水位变幅大,要求水泵具有较广的高效率区及在较大扬程变幅范围内运行稳定。

（3）机组布置结构复杂。肖严湖排灌站排涝与灌溉工况不同,泵房需错层布置。

3 水泵方案比选

3.1 水泵型式的选择

泵站抽排净扬程范围为0～5.6 m～7.4 m,设计流量为35 m3/s,提水灌溉扬程范围为2.1 m～3.0 m,设计流量为5 m3/s,属于低扬程大流量泵站,适宜选用的泵型为轴流泵。轴流泵有潜水轴流泵和常规轴流泵等型式。

性能方面,这二种泵的性能参数基本相同。潜水轴流泵结构紧凑,安装、拆卸时整体起吊,在自重的作用下,其密封圈与座环自耦合压紧,与常规轴流泵相比,安装方便。另外,由于潜水电泵封闭在水下运行,电机靠水流冷却,因此无需油、水等辅助系统,因此,泵房内辅助设备少,运行操作简便,且运行时不会产生高温,水面以上运转噪声也相对较小。同时,由于本站进水池最高水位与最低运行水位差值较大,若采用立式轴流泵方案,会造成其轴系较长,特别是对于排涝兼灌溉机组,由于其流道底板高程相对更低,水泵层与电机层之间的高差达9 m,如此长的轴系对机组稳定运行可能产生一定程度的影响,而采用潜水泵方案则可以很好地避开轴系过长的问题。

投资方面,类似本站规模的潜水泵主机组价格与普通立式泵主机组价格基本相当（比较见表1）。潜水轴流泵封闭在井筒或流道内,结构紧凑,其上部结构土建投资略省,潜水轴流泵方案总投资也相应略小。

运行管理方面,潜水泵解体大修一般直接返厂进行,其对运行管理单位自身的安装检修方面的人力资源及技术力量要求大大降低。结合本工程运行管理单位的具体情况,更适宜采用潜水泵方案。

综上所述,本站推荐采用潜水轴流泵方案,机组安装布置见图1。

图1 1400QZ6.0-7潜水轴流泵装置布置图

3.2 模型的选择

通过对能代表目前国内技术水平的轴流泵水力模型（如水利部《南水北调工程水泵模型同台测试》水力模型、江苏大学、扬州大学等高校科研机构后续研制并经天津同台测试水力模型等）进行初步比选后[5],选择相对适合本站扬程范围及性能较好TJ04-ZL-19水泵模型,且该模型在国内泵站中有成功的实例,模型曲线见图2。

图2 1400QZ6.0-7潜水轴流泵工作性能曲线

3.3 台数的选择

本站设计排涝流量为35 m3/s、灌溉流量5 m3/s,是一座以排涝为主的泵站。灌溉工况扬程较排涝工况扬程低,灌溉机组可以由排涝机组兼用[6],考虑到与灌溉流量的匹配,以设置6机组较为合适,从而单泵流控制在6 m3/s,可以较好地兼顾灌溉工况流量；另一种方案,排涝机组与灌溉机组分别设置,初拟4台排涝机组,2台灌溉机组（一用一备）,即4大2小方案。其中泵装置水力损失计算按《泵站工程》—“水泵、泵装置特性预测”中的方法计算得本站单位水力损失系数分别为ΔH=0.034116Q2、ΔH=0.0015827Q2。方案比较见表2。

表2 泵型方案比较表

由表2及图2可知,两方案所选泵型其扬程及流量均能够满足规划设计参数要求,两方案的排涝设计工况点效率基本相当,方案一的灌溉工况效率略低于方案二。方案一为6台同型号机组,泵房内设备布置相对整齐,相同的机组其部件具有互换性,更利于运行维护管理。方案二为4大2小型号不同的机组,4台大机组直径为1600 mm,2台小机组直径为1400 mm,同时,方案二的排涝、灌溉机组均为单一功能,方案二的总装机功率明显较方案一大,其总投资也较方案一大。

综上所述,本站推荐方案一,即装机6台1400 QZ6.0-7潜水轴流泵。

3.4 配套电机的选择

配套电动机功率的选配原则以在全扬程范围内出现的最大轴功率作为配套电机的功率选择标准,在各扬程工况下,排涝机组中最高扬程时的轴功率534 kW为最大轴功率,根据规范,电机动力备用系数按（1.05～1.2）计算,参照潜水电机产品系列,选用额定功率为630 kW、额定电压为10 kV的潜水电机作为本站主电机。所选电机可以满足各种工况正常工作的要求。

3.5 进出水流道型式及断流方式

（1）进、出水流道

泵站进水流道有开敞式和封闭式两种型式。开敞式进水流道结构简单,主要用于转轮直径较小的泵站。本站转轮直径1200 mm,采用开敞式进水流道。

为便于安装维护,本站潜水泵采用的钢制井筒式安装,其出水流道即相应地采用结构简单的直管式出水流道。

（2）断流方式

直管式出水流道泵站的断流方式有拍门、快速闸门等型式。

拍门结构简单,开关方便,水力损失小；快速闸门的显著优点是闸门可以全开,阻力损失小,但闸门的开关很难与主机的开停同步,本站单机流量较小,适合采用拍门断流方式。

3.6 水泵安装高程的确定

①根据叶轮淹没要求计算

由模型性能曲线提供的模型汽蚀余量换算成真机的NPSHr,考虑汽蚀安全余量,确定许用汽蚀余量［NPSH］。建议汽蚀安全余量系数K的范围为1.1～1.4,并满足有1 m的余量。由此,［NPSH］=k·NPSHr,且［NPSH］≥NPSHr+1 m。本站按1.15安全系数进行修正。

吸上高度H允许按下式计算：

最不利工况为最高扬程工况。最高扬程下［NPSH］=1.15 NPSHr=1.15×10.21=11.74 m,则原型泵的H允许=-1.9 m。

对于其中4台排涝机组,最高扬程工况对应的进水池水位为最低运行水位19 m,经计算,水泵叶轮中心高程17.1 m,考虑一定的安全余量以及水泵出水流道淹没深度的要求,叶轮中心高程取值为17 m；对于其中2台排涝兼灌溉机组,最高扬程工况对应的进水池水位为最低运行水位16.5 m,经计算,水泵叶轮中心高程14.6 m,考虑一定的安全余量以及水泵出水流道淹没深度的要求,叶轮中心高程取值为14.5 m。

②根据拍门淹没要求计算（按淹没拍门出水口上缘300 mm计算）：

上述两方法中较小者取整,则排涝机组叶轮中心高程取值为17.0 m,灌溉机组叶轮中心高程取值为13.9 m。

3.7 主机设备布置

6台机组呈“一”字型排列,泵房为干式泵房,潜水轴流泵和电机封闭在井筒内,经DN1400伸缩节、DN1400直管、混凝土扩散管和1400×2200侧翻拍门出水。

水泵采用分池进水,进水室净宽4.5 m,机组间距为5.3 m,安装场长度取7 m,厂房总长度为41.6 m。水泵层出水侧净宽度4 m,进水侧净宽3.5 m。对于4台排涝机组,根据出水流道、叶轮中心最小淹没深度要求,计算拍门中心高程为20.8 m,水泵层高程为19.3 m,由吸水口悬空高度和泵外形尺寸要求,确定进水池底板高程为15.10 m；对于2台排涝兼灌溉机组,根据出水流道、叶轮中心最小淹没深度要求,计算拍门中心高程为18.50 m,水泵层高程为16.80 m,由吸水口悬空高度和泵外形尺寸要求,确定进水池底板高程为12.0 m。由进水池最高水位24.0 m,与水工专业共同商定后确定电机层高程为24.50 m,根据潜水泵结构尺寸,两台排涝兼灌溉机组的电机层高程为22.0 m。根据机组设备起吊高度及厂房的通风散热的要求,确定起重机轨顶高程为32.50 m。

4 结语

本文针对抽排、提水灌溉和自排等多功能结合的泵站中水泵选型进行了优化设计,通过模型换算,选择了适合肖严湖排灌站且具有较广高效率区的TJ04-ZL-19水泵模型；针对泵型和台数进行了多方案比选,分析了各方案的优缺点,综合考虑水泵性能、投资和运行管理等方面,最终优选了6台1400QZ6.0-7型潜水轴流泵方案；并根据排涝与灌溉的不同特征水位,优化了水泵布置,采用大小机组结合,并错层布置的方案。肖严湖排灌站水泵选型过程论证全面、完整,设计科学、可靠,该研究可为自排、抽排、自流引水和抽灌补水多功能一体站涵工程水泵选型提供参考。