三河口泵站的水泵选型分析与选择

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(1.陕西省水利电力勘测设计研究院， 陕西 西安 710001; 2.陕西省泾阳县自来水公司， 陕西 泾阳 713700)

1 工程概况及特点

引汉济渭工程是陕西省内重大的跨流域调水工程，工程地跨黄河、长江两大流域，整个调水工程由三大部分组成，即黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽和秦岭输水洞工程。工程首部黄金峡水利枢纽位于汉江上游陕西洋县境内，尾部秦岭输水洞出口位于西安市周至县黑河一级支流黄池沟内。三河口水利枢纽是引汉济渭的重要水源之一，也是整个工程中具有较大水量调节能力的核心项目。枢纽位于工程的中间位置，是整个工程的调蓄中枢。主要包括大坝、坝后泵站、电站和连接洞等组成，其运行方式为：当黄金峡泵站抽水量大于引水工程需水量时，多余水量经三河口泵站抽入三河口水库调蓄；当黄金峡泵站抽水量小于引水工程需水量时，由三河口水库补足。

工程难点为了满足引汉济渭工程调水任务、实现设计水平年调水系统供水保证率95%、供水度的要求，依据水文规划专业调节计算成果，确定三河口泵站抽水流量为18 m3/s，三河口水库水位变幅高达85 m，扬程范围为从死水位558 m至正常蓄水位643 m，通过对国内外多个泵站厂家的咨询了解，及查阅了大量的水泵样本，没有那个水泵能够适应这样宽水头变幅，只能通过优化水泵曲线，通过变频措施等在满足最高上水位的条件下延长水泵适应范围，最大程度节省损失。

2 水泵方案选择

2.1 水泵台数确定

水泵数量的多少，关系到泵站工程的投资和运行管理，也关系到泵站运行的保证性和适应性。在设备容量一定的情况下，一般机组台数越少，投资亦越省；通常机电设备容量越大，泵及配套动力机效率越高，机组越少，需要的人员及维修费用越少；台数越多，越容易适应不同时期不同流量的要求，灵活性较高。结合泵站的运行经验和本工程的实际情况，认为本工程采用 3～4台机组较合适，在兼顾排水保证性和适应性的同时，使得投资较省，运行人员较少。

根据调节计算给出的泵站54年长系列旬抽水过程线，经统计分析得出的泵站不同流量区间运行比率，泵站运行概率仅为15.02%，运行几率很小，有84.98%几率不运行，机电设备的检修维护时间很充裕，设计不考虑设置备用机组。

2.1.1 3台方案 泵站设计流量为18.0 m3/s，站下设计水位546.33 m，站下最低运行水位544.15 m，站上设计水位639.49 m，站上最低运行水位620.18 m，站上最高运行水位642.26 m，设计净扬程93.16 m，设计扬程97.70 m。泵站共安装3台卧式单级双吸离心水泵电动机组，单台机组设计流量6.0 m3/s，配套电机功率8.5 MW，泵站总装机功率25.5 MW。3台常规机组性能曲线详见图1，工作点参数见表1。

图1 3台机组设计工况特征曲线

运行台数123流量Q(m3/s)6.14012.18318.000扬程H(m)96.7097.1097.70效率η(%)89.5989.4789.30 N轴功率(kW)7019.247002.176953.90

泵站采用侧向单机单管进水，进水管直径2.2 m；侧向母管出水的布置型式:进水池长30.4 m，宽22 m，主厂房尺寸62.82×22.40×31.40 m(长×宽×高)。厂内安装3台卧式水泵机组，采取一列式布置，机组中心间距13.28 m，机组安装高程537.46 m。再沿拱坝背坡面垂直坝轴线在620.18 m高程穿过坝体将水送入库内。

2.1.2 4台方案 泵站设计流量为18.0 m3/s，设计净扬程94.07 m，设计扬程97.30 m。泵站共安装4台卧式单级双吸离心水泵电动机组，单台机组设计流量4.5 m3/s，配套电机功率7.1 MW，泵站总装机功率28.4 MW。4台常规机组性能曲线详见图2，工作点参数见表2。

图2 4台机组设计工况特征曲线

运行台数1234流量Q(m3/s)4.639.2113.7018.00扬程H(m)96.6796.8097.0697.30效率η(%)87.2987.1586.8886.64N轴功率(kW)5439.385426.135413.095363.47

泵站进水池与电站尾水池呈“L”型布置，进水池长57.80 m，宽10.00 m，泵站采用单机单管侧向进水，侧向母管出水型式。主厂房尺寸70.14×21.40×30.20 m(长×宽×高)。厂内共安装4台卧式水泵机组，采取一列式布置，机组中心间距12.70 m，机组安装高程537.73 m。

2.1.3 台数确定 考虑到三河口水库具有较大的调蓄库容，且多年平均运行时间有限，对泵站抽水灵活性要求不高，且多台数方案运行管理不便，管理费用略高，维护成本高，两者土建、机电及金结部分工程投资基本相当，经综合比较，推荐3台方案。

表3 泵站台数比较表

2.2 泵型选择

水泵的类型一般是根据地区和泵站的性质来选择，该泵站单机设计流量6.0 m3/s，设计净扬程97.70 m，水泵机组流量较大。根据水泵的流量、扬程等基本工作参数，可选泵型的结构有卧式单级双吸泵、立式单级单吸泵。为了适应泵站上水位大幅度的变化，水泵的流量扬程曲线需要尽可能的陡一些，以实现同流量变幅的情况下扬程变幅最大，通过对国内外多个泵站厂家的咨询了解，及查阅了大量的水泵样本，现有的水泵样本中没有符合要求的水泵型号和规格，需要厂家研制新泵。现对就有的美国ITT、奥地利安德里兹、日本日立、浙江利欧、上海凯泉、上海东方等国内外著名水泵厂家提供的卧式单级双吸泵和立式单级单吸泵的曲线及参数分析，具有以下特性。

(1)水泵性能曲线均满足设计工况要求，相比较卧式水泵机组性能曲线比立式机组要陡一些，相对适应水位变幅能力强。但两种机组均不能满足水库水位变幅，只能通过优化水泵曲线，通过变频措施等在满足最高上水位的条件下延长水泵适应范围，最大程度节省损失。

(2)立式机组要求的进口淹没深度较深平均在10 m左右，而卧式机组进口淹没深度相对较浅平均在5 m左右。

(3)卧式水泵设计工况点效率均在90%～95%，水泵转速大多在428.6 r/min～500 r/min。

2.2.1 卧式双速机组方案 泵站共安装3台卧式单级双吸离心水泵及3台双速电动机组，单台机组设计流量6.0 m3/s，电机转速 500/428.6 r/min，配套电机功率8.5 MW/6.0 MW，泵站总装机功率25.5 MW。3台双速机组性能曲线详见图3，工作点参数见表4。

此项措施可以使泵站出水管高程由原设计的620.18 m降低40 m至580.18 m高程 ，基本解决了宽水头变幅水泵难于适应的问题，不仅可节省40 m DN3200出水管道投资，而且每年由此可节约428 700度电量。

2.2.2 立式机组方案 泵站共安装3台立式单级单吸离心水泵电动机组，单台机组设计流量6.0 m3/s，配套电机功率8.0 MW，泵站总装机功率24.0 MW。泵站采用单机单管侧向进水，侧向母管出水型式。主厂房尺寸42.68×16.40×34.05 m(长×宽×高)。厂内共安装3台立式水泵机组，采取一列式布置，机组中心间距9.00 m，机组安装高程533.50 m。出水母管平行泵站厂房轴线布置在电气副厂房下，出副厂房后右转90°由泵站进水池(电站尾水池)和电站安装间基础下部穿过至拱坝脚，再沿拱坝背坡面垂直坝轴线在626.00 m高程穿过坝体将水送入库内。

卧式、立式机组方案比较。

根据工程投资估算，卧式双速机组方案土建、机电及金结部分工程投资15 150.06万元，卧式常规机组方案土建、机电及金结部分工程投资15 105.06万元，立式机组方案土建、机电及金结部分工程投资15 093.84万元。卧式机组比立式机组方案多投资11.22万元，两者投资基本相当。

卧式双速机组入库出水管中心高程580.18 mm，卧式常规机组入库出水管中心高程620.18 mm，立式机组入库出水管中心高程626.00 mm。经初步计算，卧式双速机组比卧式常规机组和立式机组年节电约分别为43万度和82万度，每度电按0.51元计，每年节省电费分别为21.93万元和41.82万元。

图3 三河口双速机组设计扬程工况特征曲线

运行台数转速500 r/min工作点参数123转速428 r/min工作点参数123流量Q(m3/s)6.1312.1318.006.0612.0518.00扬程H(m)96.1496.7097.7056.1857.0057.70效率η(%)88.9289.0289.2081.9682.4282.81 N轴功率(kW)7022.796980.46962.004423.534435.84449.21

表5 卧式、立式不同结构类型水泵优缺点比较表

综合上述比较，卧式机组维护检修方便，且节省电费，因此本阶段初步推荐卧式单级双吸泵方案。

3 结 语

总之，合理选择水泵机组型号对泵站安全高效运行及工程投资有重要影响，因此在初设阶段，进行机组选型分析及论证工作是非常必要的。通过各机型特征参数的比较与研究，最终选定3台卧式单级双吸离心水泵为本工程的首选方案，对解决类似泵站机组选型设计具有一定的参考价值。

参考文献：

[1] 周景华，郭正组．陕西省引汉济渭工程初步设计报告[R]．西安：陕西省水利电力勘测设计研究院,2011.