王铁力 ，刘 斌 ，苏叶平 ，李 超 ，杨 帆

（1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2. 扬州大学，江苏 扬州 225009）

1 工程概况

通吕运河水利枢纽工程泵站位于通吕运河下游入江口门处，泵站距长江口约2.2 km，泵站开挖高程:-3.00 ～ -10.45 m，工程总投资38 886.73万元，土方工程总投资1 549.00万元。泵站主要任务是在自流引江不能满足区域用水需求时，利用泵站引水，以满足供水区的用水需要，同时兼顾南通城区水环境和航道用水，以增加城区水源及水体的流动性，维持内河通航所需水位，改善区域水生态环境。泵站设计流量为100 m3/s，其运行水位组合及特征扬程见表1。

表1 泵站运行水位组合表 m

2 泵装置的多方案比选

水泵的选择和使用必须以泵站的流量和扬程为参考，立式泵的高度因其进水流道为双层布置而较其他形式的泵更大，此外又需满足文献[1]中对出水流道淹没深度的要求，所以必须加大开挖深度，土建投资也会相应增加。通吕河泵站的设计净扬程为1.73 m，属于特低扬程泵站，立式泵装置应用于设计扬程低于3.00 m泵站时泵站效率较低，运行管理费用偏高，该泵站的设计不考虑采用立式泵装置结构。

现有的研究成果表明，对于特低扬程泵站，宜采用开挖深度较小，操作简单，运行管理方便，投资费用低且运行效率高的卧式机组泵型[2-5]。根据本泵站的特点，拟选取竖井贯流泵装置、斜15°轴伸贯流泵装置和灯泡贯流泵装置3种不同结构型式的泵装置进行技术和经济2方面的比选。

（1）方案1:竖井贯流泵装置。该泵装置是当前广泛应用于特低扬程泵站的装置型式，机组的齿轮箱和电动机都放置于钢筋混凝土结构的竖井内，且与泵机相连。泵装置的流道结构形式较简单，采用前置竖井流道的装置机组的运行效率较高，泵装置整体结构简单，管理运行方便，开挖深度不大，投资费用相对较省。

（2）方案2:斜15°轴伸贯流泵装置。该斜式轴伸贯流泵装置不同于立式轴流泵装置和卧式贯流泵装置的结构型式，但其兼有二者的优点。具有投资少，安装检修容易，且水力性能较好，采用斜式贯流泵的泵站可依据不同扬程选择不同的倾角，小倾角的斜式轴流泵适用于特低扬程的泵站。根据本泵站的特征扬程可选择15°轴伸贯流泵装置。

近年来，斜式轴伸贯流泵装置开始被广泛应用于中小型泵站工程中，发展时间相对较短，且斜式轴流泵的水导轴承受力情况更加复杂，国内的斜式轴流泵在水导轴承的运用上或多或少都出现过问题。水导轴承常出现偏心磨损，使用寿命短等问题，水泵运行有明显振动，齿轮箱噪音也相对较大。

（3）方案3:灯泡贯流泵装置。该灯泡贯流泵是一种泵身前段或者后端放置一个类似灯泡的装置，它具有流道顺直，水力损失小，泵装置效率高，适合低扬程大流量的泵站使用。作为机组外壳的灯泡体淹没在水下运行，因此对密封、冷却及通风等均有近乎苛刻的要求，为了保证有较高的水力效率，灯泡体的尺寸也受到严格的限制，必须满足一定要求的灯泡比。对于低扬程泵站，由于水泵转速低，电机尺寸相对较大，灯泡比小了电机布置不下，灯泡比大了装置效率会降低，故设计安装具有一定难度。

3种方案设计工况下的装置效率均大于60.00%，满足GB 50625 — 2010《泵站设计规范》对设计扬程低于3.00 m泵站的装置效率要求。从3种方案现有的装置模型试验效率看，轴伸贯流泵方案装置效率略低，竖井贯流泵方案与灯泡贯流泵方案装置效率基本接近。从3种方案的检修情况看，灯泡贯流泵电动机位于灯泡体内，机组检修较为复杂。从实际应用情况分析，3种泵装置型式均存在安全可靠性问题，但影响泵站运行程度不同:①斜轴泵受力情况复杂，国内已建的运行时间较长的泵站均出现较多的轴承故障现象，短期内轴承故障仍将影响该泵型的应用。轴承故障点在明处，事前可预警，事后便于检修，处置时间短。通吕河泵站需长期运用，且依据通吕河泵站设计的可靠性要求，该泵型不宜应用于该工程。②竖井贯流泵装置的机电设备均设置于狭小的竖井内，安装检修略有不便，设备的散热条件较其他2个泵装置方案略差，但可通过一些有效的技术措施来改善散热条件。③灯泡贯流泵的电动机位于灯泡体内，对密封、冷却和通风的要求高，同时灯泡体的结构尺寸和强度设计要求也高，国内厂家技术还不够成熟，南水北调已建成的灯泡贯流泵站都采用和国外厂家合作的方式进行，机组设计和主要部件的制造均由国外厂家完成，成本较高。

鉴于斜式轴流泵受力复杂，易发生故障，安全可靠性低，故排除此方案，对灯泡贯流泵装置设计方案和竖井贯流泵装置进行综合比选。在这2种方案中，灯泡贯流泵装置的机组运行可靠，水力性能较优，运行噪声小，但机组的结构设计复杂，国内的生产厂家较少，结构主要部件需采用进口产品，安装和维修也具有一定难度，设备价格高昂，相比需增加投资2 800.00万元。而竖井贯流泵装置虽然设备噪声较大，但是机组的技术成熟、运行可靠，设备的生产周期短，生产厂家较多，对于设备的选择，运行安全可靠、检修维护方便是运行管理比较的重点。在这方面，竖井贯流泵较好，结合该工程的工期紧、施工周期短的特点，推荐采用竖井贯流泵装置。

3 水力模型的选用

近年来，竖井贯流泵装置被广泛应用于特低扬程大流量泵站工程中，当前适合于特低扬程的泵装置的水力模型主要有扬州大学的ZM25水力模型和江苏大学的TJ04 - ZL - 07号水力模型，2种水力模型均在竖井贯流泵站工程有成功运用的实例[6]，如:ZM25水力模型在河海大学试验台所做的九圩港泵站装置模型试验结果见图1，在扬州大学试验台所做的白茆塘泵站装置模型试验结果见图2，TJ04 - ZL - 07号水力模型在扬州大学试验台所做的海河口泵站装置模型试验成果见图3，在天津中水北方试验台所做的姚江西排引水泵站装置模型试验成果见图4。为此，采用类似泵站工程的泵装置模型试验结果进行水力模型的优选，并给出合适的水泵叶轮直径和转速。

图1 九圩港泵站模型装置性能曲线图

图2 白茆塘泵站模型装置性能曲线图

图3 海河口泵站模型装置性能曲线图

图4 姚江西排引水泵站模型装置性能曲线图

4 水泵直径和转速的确定

初步选用海河口泵站TJ04 - ZL - 07号水力模型装置性能曲线进行换算，换算后的真机叶轮直径3.30 m，转速108.0 r/min，该原型泵机组综合特性曲线见图5，选用九圩港泵站ZM25号水力模型装置性能曲线进行换算，换算后的真机叶轮直径为3.30 m，转速110.0 r/min，其原型泵机组综合特性曲线见图6。

图5 TJ04 - ZL - 07号水力模型原型综合特性曲线图

图6 ZM25号水力模型原型综合特性曲线图

特征扬程下不同水力模型的真机性能参数见表2。

从图5、6和表2可知:2种水力模型的效率和流量比较接近，但TJ04 - ZL - 07号水力模型的汽蚀性能相对较好，故暂优选TJ04 - ZL - 07号水力模型，下阶段将通过设备招标最终确定水泵叶轮直径和转速。

表2 不同水力模型的真机性能参数表

根据表2中性能参数，在设计扬程下水泵轴功率为:

在最大扬程下水泵轴功率为:

主电动机的容量应按水泵运行可能出现的最大轴功率选配，并留有一定的储备，储备系数宜为1.10 ～ 1.05，齿轮减速箱效率取98.00%，则电动机功率为:N = 1.1×1 339/0.98 =1 503 kW。因此选用配套电机功率1 600 kW的8极异步电机，电机额定转速为743.0 r/min，齿轮箱传动比为i ≈ 6.88。

5 通吕运河贯流泵站泵装置性能预测

5.1 模型贯流泵装置性能预测

采用商业CFD软件Fluent进行数值模拟，该模型泵装置在+2°叶片安放角下，转速1 173.0 r/min时，最高装置效率为74.50%，在泵装置设计总扬程1.98 m时（设计净扬程1.73 m），模型泵装置流量为0.295 m3/s，效率为71.70 %；在装置最高总扬程3.67 m工况时（最高净扬程3.42 m），流量为0.223 m3/s，效率为64.60 %。性能预测见图7。

5.2 原型贯流泵装置性能预测

图7 模型贯流泵装置性能预测图

表3为根据通吕运河贯流泵站模型贯流泵装置数值计算结果表，根据相似律对原型贯流泵装置在特征扬程下的性能预测，原型贯流泵装置在+2°叶片安放角下，转速110.0 r/min时，对应于装置设计总扬程1.98 m工况，流量为33.560 m3/s，满足单机流量33.330 m3/s的设计要求，对应的装置效率为71.70%；在装置最大总扬程3.67 m工况下，对应的流量为25.370 m3/s。装置效率为64.60%。

表3 通吕运河贯流泵站原型贯流泵装置性能预测表

6 结 论

根据通吕河水利枢纽泵站扬程低、流量小的特点，选择竖井贯流泵装置、斜15°轴伸贯流泵装置和灯泡贯流泵装置3种常用的泵型作为泵站机组类型选择的基础，根据泵站运行时间、安全可靠性等方面进行综合分析比较，排除斜15°轴伸泵方案，经经济技术分析，灯泡贯流泵造价高昂，综合考虑选择采用竖井贯流泵装置作为泵站的机组型式。通过对已建高效竖井贯流泵装置机组的综合性能曲线比对，优选TJ04 - ZL - 07号水力模型，并以此确定水泵的叶轮直径为3.30 m，转速为108.0 r/min。在叶片安放角+2°，设计扬程1.98 m时，泵装置流量为33.56 m3/s，满足单机流量33.33 m3/s的设计要求，对应的装置效率为71.70%。

通吕河泵站的泵装置方案比选、水力模型的选择及机组技术参数的分析方法可为类似泵站的初步设计提供参考。