某排灌站泵装置选型研究

郝美玲

(辽宁泽龙水利实业有限责任公司，辽宁 新民 110300)

1 工程背景

南河沿排灌站是盘锦市大洼区农业的重点水源骨干工程，该工程始建于1966年，1968年竣工运行，承担大洼区2.33万hm2水田灌溉和100.6km2排涝任务。南河沿排灌站建站以来，为大洼区农业和经济发展做出了巨大贡献。由于近50年的超负荷运行，加上1975年大地震的影响，泵站一直处于超期服役，带病运行状态，存在着严重的安全隐患，难以保障农业生产的需要。基于此，盘锦市积极筹措资金实施南河沿排灌站重建工程，工程总投资概算8222万元，设计总装机容量7000kW，过水流量为56m3/s，工程完工后，可有效提高大洼区水源提水能力，为农业与经济发展提供更有利的水利保障。设计重建的南河沿排灌站属于大(2)型水利工程，泵站等主要水工建筑物为1级，采用的是结构复杂、规模较大的直接挡水块基型干式泵房，其结构型式的影响因素较多，因此做好泵站装置的选型和设计工作十分重要[1]。

2 泵型比选研究

南河沿排灌站泵站的设计流量为56m3/s，扬程为0.5～4.2m，属于典型的低扬程、大流量泵站。目前，可以选择的泵型主要包括立式轴流泵、竖井贯流泵、斜式轴流泵、潜水贯流泵等[2]，对上述泵型的特征进行分析，结果见表1。

表1 不同泵型的主要特点

由于南河沿排灌站属于典型的低扬程、大流量泵站，结合上表的分析结果，比较适用的无疑是斜式轴流泵和竖井贯流泵2种泵型。因此，对上述2种泵型在技术和经济方面进行进一步的对比，以确定最佳泵型。

为了保证泵型比选的顺利进行，保持4台主泵数量不变，单泵的设计流量为15m3/s。对于斜式轴流泵，选择4台斜式轴流泵，同时配备高压永磁同步电机，直接传动方式；对于竖井贯流泵，选择竖井管流泵，配备异步电机和齿轮箱。上述2种方案的具体参数见表2。

表2 2种泵型方案主要参数

从2种泵型方案的对比来看，斜式轴流方案的高效区范围相对较宽，各种扬程工况均可以稳定运行，具有良好的汽蚀性能，运行安全稳定，便于检修。同时，该方案的泵站主体结构相对比较简单，具有较小的开挖深度，施工难度小，建设投资标准相对较低；竖井管流泵方案的泵装置效率相对较低，同时需要将电机安装在竖井内，不利于通风和散热，同时运行期间的日常维护不方便，难度相对较大[3]。此外，该方案的泵房主体结构比较简单，施工开挖的深度较浅，但是由于存在竖井结构，因此需要较大的流道净宽，因此泵房的整体尺寸相对较大，建设投资水平相对较高。根据以上分析，在泵站的泵型选择方面推荐斜井轴流泵方案。

3 主机泵台数优选

根据工程设计，南河沿排灌站的设计流量为56m3/s。在确定泵站泵型的基础上，进一步优选确定泵站机组的台数就显得尤为重要[4]。结合泵站的设计资料和我国已有的泵站建筑工程经验，如果泵站机组的台数较少，则占地面积相对较小，施工难度相对较低，比较适用于场地条件限制较大的场地和区域[5]。另一方面，泵站的土建规模相对较小，便于建成运行期间的维护。但是，如果泵站机组的数量较少，其缺点也是十分明显的，主要是会影响到泵站调度的灵活性，如果某台机组出现故障停机，就会对泵站的运行造成十分严重的影响[6]。此外，由于机组的数量较小，因此单机功率相对较大，在水泵电机启动过程中会对供电设备造成较大的影响。显然，如果泵站机组数量较多，上述优势和劣势就会转换。由此可见，泵站主泵的数量确定需要综合考虑各方面因素的影响，进行技术和经济方面的综合分析确定。此次研究中结合南河沿排灌站的实际和相关工程经验，选择3、4、5台3种泵站主泵数量方案进行对比分析，结果见表3。

表3 不同主泵机组台数方案对比

从表中的数据来看，设置3、4、5台泵站主泵数量的水轮机转轮直径分别为2450、2200、1850mm。从当前的工程技术水平来看，其设计和制造均不存在技术方面的问题。当然，主泵、附属设备以及配套的电气工程设备的价格会随着主泵数量的增加而增加。据估算，设置3台主泵的投资水平最低，其次是4台主泵，设置5台主泵的工程投资水平最高。但是，设置3台和4台主泵的投资水平相差不大。因此，从工程的经济性视角来看，设置3台和4台主泵的方案为较优方案。

从泵站运行调度方面来看，最佳方案为5台主泵方案，4台主泵方案次之，3台主泵方案最差；从运行期间的维护管理视角来看，4台主泵方案的机组大小适中，台数相对而言也比较适中，泵站整体的检修维护工作量较3台主泵方案和5台主泵方案都小。此外，由于南河沿排灌站没有设计备用泵，考虑到泵站在农忙和汛期期间承担比较繁重的灌溉和排涝任务，因此主泵的台数也不宜过少。综合上述分析，推荐泵站采用4台主泵的设计方案。

4 水力模型及原型机组性能比选

根据泵站的扬程设计和流量的具体要求，经过对比和筛选，最终选择同台测试成果的TJ04-ZL- 06、TJ04-ZL- 07和TJ04-ZL- 23等3个不同的水力模型，结合相关工程经验进行换算[7]。在换算过程中，通过保持扬程不变的方式加大流量选择合适的水泵，各机组在泵站要求的最小流量、设计流量以及最大流量下的主要性能参数计算结果见表4[8]。从表中的计算结果可以看出，TJ04-ZL- 06、TJ04-ZL- 07和TJ04-ZL- 23等3个不同的水力模型均可以满足泵站的运行要求。从3个模型的对比来看，以TJ04-ZL- 23水力模型换算获取的原型泵在泵站的设计工况以及最大流量运行工况下可以获得相对较高的效率，同时高效区的范围相对较宽。因此，采用该水力模型时水泵无论是最大扬程还是最小扬程下运行，均可以获得比较稳定的运行效果。从最大汽蚀余量的试验结果来看，最优的是TJ04-ZL- 06，但是3个模型均可以取得良好的汽蚀性能，且相差不大。综合上述分析，南河沿排灌站泵站主泵选取TJ04-ZL- 23水力模型，其原型泵的叶轮直径为2200mm，转速为169r/min。

表4 不同水力模型计算结果表

5 结语

大型低扬程泵站在平原地区的水利工程建设领域具有十分广泛的应用，其设计和选型具有十分重要的理论意义和工程应用价值。此次研究结合相关理论和南河沿排灌站的实际情况，对泵站的泵型、主泵台数、主泵的水利模型进行了比选研究，并获得了合适的泵装置模式，对泵站的设计和施工建设具有重要的支持作用和借鉴价值。当然，此次研究所获的结论仅由工程实践经验和理论分析获取，其工程应用效果如何还有待实践检验的进一步论证。