山西省中部引黄工程水泵泵型优化研究

2013-10-26李明

太原理工大学学报 2013年1期

李明

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

水泵是供水工程系统中的“心脏”，是供水工程的主要动力提供设备，其结构、选项、效率、流量及扬程的确定非常重要，选项的合理与否及运行状况的好坏关系到整个系统的运行效率。因此目前供水工程实际运行效率偏低的主要原因是水泵选型不当、水泵扬程过大，无法在设计工况点运行。水泵选型与运行方式相矛盾，不同型号的水泵并行，特性曲线差异很大，运行效率低。笔者认为在新建扩建及改建的供水工程设计中，应当从节约能源、改善施工安装维修条件、降低成本、提高安全性可靠性等多项目标出发，选择系统综合效益最佳的泵型。为了达成此目的，需进行优良的水力和结构设计，恰当选用水泵材质以及高质量的加工制造，因此供水系统设计前的水泵选择论证非常重要。

1 水泵选择的基本原则［1］

水泵选型包括水泵类型、型号的选择和台数的确定。水泵是泵站中的主要设备，按照供水要求正常而高效地运转，是实现供水目标并获得最佳经济效益的关键所在。同时，水泵选型决定着配套动力机、辅助设备选型和泵站枢纽建筑物尺寸的确定。如果水泵选型不合理，不仅会使工程投资增加，且会造成水泵长期偏离高效区运行，使运行能耗增加，从而增加工程运行费用。因此，在泵站设计中，首先应合理地选择水泵；在此基础上选配适当的动力机和辅助设备；选择设计适宜的泵站枢纽建筑物尺寸与其配套，使整个泵站工程满足供水要求且在运行期间高效、节能、安全、经济。

水泵选型方面，传统的水泵选型计算多采用图解法进行，对各种运行条件进行多次作图和方案比较，作图过程麻烦，图解法精度甚差。进入20世纪90年代以后，随着科学的发展及新的数学计算方法的出现，有些学者开始探讨利用新的计算方法来进行水泵选型。孙敏、杨晓东在1995年第4期《给水排水》上发表了“整数规划在水泵选型中的应用”［2］，文中针对单泵单管联合运行泵站的特点，提出了以经济指标为目标函数，以满足供水流量为约束条件的整数规划选泵方法，该方法考虑了用水量的变化过程，并可用计算机进行计算。纪晓华等在2001年第4期《江苏农业研究》上发表了“水泵选型专家系统研究与开发”［3］，该系统在对水泵选型方法、判断准则、评价模型等分析研究的基础上，建立了泵产品样本和水力模型数据库，研制开发了水泵选型专家系统，但该系统主要应用于轴流泵，适用于流量大扬程低的地区［4］。

水泵选型的基本原则如下［5］：

1)充分满足灌排设计标准内各个灌溉（或排水)季节的流量和扬程的要求，并尽量使所选水泵在泵站设计扬程运行时的工作点，在其设计（额定)工况点附近，在泵站最高及最低扬程运行时的工作点（或经调节后的工作点)，在其高效区范围内。

2)选用性能良好，并与泵站扬程、流量变化相适应的泵型。首先，应在已定型系列产品中，选用效率高、吸水性能好、适用范围广的水泵。当有多种泵型可供选择时，应进行技术经济比较，择优采用。在系列产品不能满足要求时，可试制新产品，但必须进行模型和装置试验，通过技术鉴定后采用。在扬程变幅较大的泵站，宜选用Q-H曲线陡降的水泵；在流量变化较大的泵站，宜选用Q-H曲线平缓的水泵。

3)所选定水泵型号和台数使泵站建设的投资（设备费和土建投资的总和)最少。

4)便于运行调度、维修和管理。

5)对梯级提水泵站，水泵的型号和台数应满足上下级泵站的流量配合要求，尽量避免或减少因流量配合不当而导致的弃水。

6)在有必要的情况下，可以考虑变频、变径及变角的要求。

综上所述，水泵选型应严格遵守水泵的选型原则，根据泵站工程的性质，结合投资、能耗、效率和运行费用等，对水泵的类型、结构形式、台数等进行综合考虑，选出最佳方案。

2 山西省中部引黄工程特性

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要大型供水工程，本工程干线自天桥水电站库区取水，供水范围包括四市十六个县（市)，规划供水6.02亿 m3（生活0.11亿 m3、工业2.59亿 m3、农业3.32m3)，其中忻州供水区0.13亿m3，吕梁供水区4.28亿m3，临汾供水区1.42亿m3，晋中供水区0.18亿m3。该工程包括取水工程和输水工程，推荐方案由天桥水电站库区左岸塔式进水口取水，设计取水流量23.55m3／s，设计最低取水水位830.0m，最高取水水位834.0m。

该泵站取水自天桥电站库区，根据库区水年含沙量情况，汛期7、8月及3月份库区冲沙时含沙量较大。在保证供水量的前提下，确定在库水含沙量大于5kg／m3时泵站不取水。取水方式是在左岸边新建取水建筑物，经过引水洞进泵站前池，经泵加压至出水池。

该工程可研设计阶段推荐采用一级提水方案，推荐泵型为卧式双吸双级中开离心泵。单机设计流量2.95m3／s，设计扬程198m，配套电机功率8000 kW，8台工作，2台备用，总装机容量80000kW。

该工程的特征如下：

1)流量大、单机设计流量2.95m3／s；扬程高，设计扬程198m。国内外属于大流量高扬程供水工程。

2)距离长，泵站压力出水管道全长2008m，采用单管布置，单管管径3.6m；钢管长394m，PCCP管长1614m。泵站压力出水管末端设出水池，后接供水工程总干线输水隧洞，输水总干线长200.22km。

3)泥沙含量高，逐日最大含沙量为34.5kg／m3。

4)泵的选型要求较高，第一不能有汽蚀现象，第二防止磨损，第三保证较高的效率。

本研究基于国内外目前的水泵生产水平，进行该供水系统水泵选型的技术研究。

3 山西省中部引黄工程水泵选择

3.1 水泵泵型选择

考虑到泵站抽送水含沙量，为了减少对水泵的磨蚀，提高水泵的使用寿命，根据转轮泥沙磨损试验结果，转轮出口线速度与转轮磨损量成三次方关系。根据沿黄提灌泵站运行经验，并结合近年来以投入运行的山西省夹马口北扩泵站（单机Q＝2.3m3／s，H＝156m双吸双级卧式中开泵)、北赵提水泵站（单机Q＝2.6m3／s，H＝180m双吸双级卧式中开泵)和万家寨引黄工程总干一、二级泵站（单机Q＝6.45m3／s，H＝140m 单吸单级立式离心泵)机组运行实例，笔者建议中部引黄工程泵站采用一级扬水方案是可行的，水泵采用多级泵方案。单级扬程控制在100m，叶轮出口线速度控制在45m／s内比较合适。因此，中部引黄工程卧式、立式水泵方案均选用两级叶轮方案。

目前，根据国内外水泵生产技术水平，该工程主要有两种泵型式可选用：一种是卧式多级泵，一种是立式多级泵。卧式多级泵有两级和三级两种泵型；立式多级泵目前国内没有，国际上有两级和四级。

3.2 中部引黄工程水泵特性参数研究

国内水泵生产企业推荐的主要是卧式泵方案，国外企业推荐的是大流量立式泵方案。卧式泵及立式泵方案特性参数见下表1。

表1 中部引黄工程水泵特性参数

卧式及立式泵结构如图1、2所示。

图1 卧式双级双吸泵结构

图2 立式双级单吸泵结构

3.3 中部引黄工程水泵结构研究

两种泵型结构，有以下几个不同特点，对比如表2所示。

3.4 单机流量的确定及工况点参数

水泵单机流量的确定，根据本工程泵站运行方式要求，原则上应该是单机流量尽可能大，机组台数少，厂房占地平面小，减小开挖量，尤其是地下深挖方厂房，投资降低。在大量咨询国内外水泵生产厂家，卧式水泵的泵体和泵盖均为整体铸造。如果单机流量在3.0m3／s左右，水泵泵体的轴向长度约为6.3m，径向长度约为3.0m，整体重约48t。如果单机流量在4.0m3／s左右，水泵泵体的轴向长度将达7.2m，径向长度约为4.2m，整体重约70t，造成整体运输时属于超重超长超宽物品，沿线的隧洞桥梁将满足不了运输要求，造成运输困难。立式泵根据万家寨引黄工程实例，单台泵可达到6.45m3／s。根据工程的运行方式及提水量要求，确定泵站的水泵单机流量为：卧式泵方案采用双吸双级泵，单机流量2.95m3／s，八工两备。立式泵方案采用单吸双级泵，单机流量6m3／s，四工两备。卧式及立式泵方案水泵工作点计算结果见表3所示。

表3 水泵工作点计算结果

3.5 综合经济比较

水泵的经济性也是水泵选择中必须考虑的关键因素之一，两种泵型的经济性对比如表4所示。

4 综合分析及结论

从以上各技术参数和经济指标看，两种泵型各有优缺点。卧式泵是台数多，效率低，年耗电量大，占地面积较大，水泵、电动机及配套辅助设备在同一层布置，设备较多，运行时将产生很大的噪音，对运行人员的身心健康造成很大的损害。卧式泵目前我省已运行同类型泵很多台，生产有一定的经验，国产卧式泵具有价格低优势。卧式泵还具结构简单，检修维护方便的特点，配件价格低的优势。立式泵目前国内还不能生产，需要进口或是合资企业生产，纯进口价格太高，利用国外技术，在国内合资企业生产，这样价格可大幅降低，但还是比国内卧式泵总造价要高很多。立式泵主要优点是占地面积小，泵效率高，年耗电量小，分层布置噪音小的特点，但是立式泵结构较复杂，检修维护工作量大，配件价格将高于卧式泵。