田 江，俞军锋，吴 强

(1.绍兴市引水工程管理中心，浙江 绍兴 312000；2.绍兴市水利水电勘测设计院，浙江 绍兴 312000)

大型低扬程泵站扬程低，高效区范围窄，受上下游水位变化的影响，运行性能下降较明显。同时自身流量大，水力性能易受流道结构的影响，设计不合理时泵装置的性能与泵段的性能相差甚远，并对工程投资、设备稳定性和运行成本等有较大的影响，特别是沿海平原地区受潮汐和降水量时空分布不均导致泵站扬程变化幅度较大，为选型带来一定的困难。为满足设计要求，大型低扬程泵站选型时可概括为：在设计扬程保流量、平均扬程高效率、最高扬程能运行、最低扬程无异常。[1]为保证泵站在最高、最低扬程工况下正常运行，需要对泵装置的结构形式进行对比分析，综合考虑能量特性、可靠性和运行稳定性。[2-3]

1 泵站基本情况

马山泵站工程是绍虞平原“六横五纵”防洪排涝工程布局的重要组成部分，位于马山大河与曹娥江交汇口右岸，与现状马山闸并排布置。工程任务是以防洪排涝为主，兼顾水环境改善，工程建成后将有效满足绍兴越城区东片的防洪排涝要求。马山泵站工程设计排涝流量为200 m3/s，4台单机流量50 m3/s机组，单机功率2 050 kW，主要由内河侧连接段、泵房、外江侧连接段、交通桥等建筑物组成，为Ⅰ等工程，大(1)型泵站，主要建筑物级别1级，次要建筑物级别3级，设计扬程1.70 m，最大扬程3.81 m，最小扬程0.40 m。

2 选型对比分析

2.1 卧式与立式泵装置结构对比

马山泵站为大型低扬程泵站，最大扬程与设计扬程之比达到了2.24，若泵站按常规设计工况选择虽然能够满足设计工况要求，但在最高扬程出现时不一定能保证装置的稳定运行。在初步设计阶段，充分考虑工程投资、技术成熟性、电力系统配套、运行维护便利性等因素，采用4台机组单机流量50 m3/s方案，并参考了大量低扬程泵站结构型式与性能特点[4-6]，分别选取了卧式竖井贯流泵装置和立式轴流泵装置两种不同结构形式。[4-7]初步设计的卧式竖井贯流泵与立式轴流泵装置结构(见图1)，相关特征尺寸(见表1)。

图1 两种泵装置立面布置图

表1 立式与卧式装置结构尺寸对比

注：前池设计水位为零点高度。

从结构尺寸上看，卧式泵装置虽然长度略大于立式泵装置，但立式泵装置因叶轮、导叶位于一条竖直直线上，进水流道位于叶轮下方，因而高度远高于卧式泵装置，故卧式泵装置结构紧凑，工程量较少。同时，立式装置因进水流道需要拐向90°弯，为了让水流在叶轮进口前调整均匀，需要充足的空间，一方面导致了进水侧的底板高程高度，进水池的开挖深度较大，相应的基坑支护施工难度也较大，另一方面叶轮中心的安装高度较高，汽蚀性能逊于卧式机组。在出水侧，立式装置可利用高度优势抬高出口高度，减小出水池的开挖深度，但为保证出水流道上缘在最低运行水位下实现淹没，出水侧的底板高度抬高有限。因此，从整体工程量上看，在大型低扬程泵站中，特别是本文中最高扬程不超过3.81 m的泵站中，卧式结构开挖量小，叶轮中心安装高度低，工程投资省，具有明显的优势。

从表1中数据也可直观的反应出，卧式装置结构长度、宽度和立式大体相当，高度方向则要小很多，卧式装置表现出了结构紧凑的特点，能较好地减少开挖深度，降低基坑处理难度，特别是软土地基上的泵站工程，从而缩短施工周期，节省工程投资。

2.2 不同装置进出水流道水力性能对比

通过查阅参考文献可得知：在流量为33.4 m3/s叶轮直径为3.3 m时，竖井进出水流道的水力损失分别为0.096 m和0.148 m；在流量为33.4 m3/s叶轮直径为3.15 m时，立式泵装置进出水流道的水力损失分别为0.121 m和0.359 m。[8-9]为了便于比较不同流量不同叶轮直径下的水力损失，进行了进出水流道水力损失换算的数据处理。

(1)

(2)

(3)

式中:下标1、2—分别表示换算前、换算后；

hf—水力损失，m；S—水力损失系数，s2/m5；

D—直径，m。

进出水流道水力损失换算成果整理(见表2)，设计流量为50 m3/s，卧式竖井贯流泵叶轮直径为4 m，立式轴流泵叶轮直径为3.75 m。

表2 进出水流道水力损失换算

从已有的初步设计资料数据换算到卧式和立式泵装置的水力损失分布可知，卧式装置流道的水力损失总体在没有90°转折的情况下水力损失要小于立式机组。竖井贯流泵装置进水流道比立式轴流泵装置的进水流道水力损失减少了25%，卧式机理的出水流道比立式机组的功损失减小近6%。可见，卧式竖井贯流泵装置结构相较立式轴流泵装置结构可以极大减小水力损失，让水流平稳流过流道，增加泵站运行效率和稳定性。

3 竖井贯流泵装置模型实验结果

3.1 泵装置性能曲线

在对比了卧式、立式不同结构后，选用竖井贯流泵装置作为马山泵站的结构形式，并委托中水北方勘测设计研究有限责任公司进行了模型测试，试验台效率综合允许不确定度优于±0.3%，随机不确定度在±0.1%以内，试验条件满足《水泵模型及装置模型试验验收规程》SL140—2006的要求。图2为泵装置模型试验现场照片，图3为马山泵站竖井贯流泵装置综合特性曲线。

图2 水泵装置模型试验照片

图3 马山泵站竖井贯流泵装置综合特性曲线

通过模型试验结果可知，最高效率点出现在设计扬程与最高扬程之间，虽然牺牲了设计工况下的性能，但保证了在不同的工况下泵站均能满足设计要求。同时由于结构形式合理，泵站性能较好，在1.7 m设计扬程下效率超过了71%，汽蚀余量小于5.5 m，最高效率点更是超过了80%，最高扬程满足设计要求仍有一定的余量。综合可知，选型时将最优工况点往高扬程侧偏移，采用竖井贯流泵装置可在较宽的范围内稳定高效运行，对比已有参考资料可知，在低扬程工况下的卧式泵装置结构性能显著优于立式。

3.2 不同转速下叶轮进口压力脉动特性

马山泵站运行扬程跨度较大，在低扬程运行工况下，抗空蚀能力将减弱，泵组振动和噪音也会相应增加，为保证其在不同的工况下均能稳定运行，采用了高压变频调节方式适应不同工况。不同转速下的外特性可用相似率换算外特性，而压力脉动特性尚有争论，故对于压力脉动做了单独测试，图4给出了不同转速下叶轮进口的压力脉动曲线。

图4 不同转速下叶轮进口的压力脉动分布

压力脉动在叶轮进口前的分布在相同转速下呈现出中间小两头大，随着转速的降低幅值整体减小。在扬程小于1.5 m时，测试转速中压力脉动随着转速的降低整体减小，表明实际运行扬程偏低时可通过调频降低转速的方法提高泵组运行的稳定性。

4 结语

对比了分析了马山泵站初步设计的不同方案，并将其中的竖井贯流泵装置进行了性能测试得到如下结论：

(1)在低扬程工况下卧式前置竖井贯流泵装置性能水力性能明显优于簸箕型进水流道的立式轴流泵装置；

(2)将最高效率点偏向高扬程工况可获得较宽的运行范围；

(3)不同转速下压力脉动测试结果表明通过变频调速可显著降低特低扬程下水力脉动，从而提高泵组运行稳定性。