基于参数化的水泵选型研究及其工况点校核分析

2022-01-26张海龙张春龙钱少璇

水利技术监督 2022年1期

张海龙，苗凯，张春龙，钱少璇

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京 210000；2.盱眙县山洪水库管理所，江苏盱眙 211700；3.盱眙县水务局，江苏盱眙 211700)

1 工程概况

东灌区一级站坐落于盱眙县观音寺镇永久村，自1959年建成后运行至今已有60余年，该站通过分级提水引洪泽湖水用于东灌区补水灌溉，灌区共涉及马坝、黄花塘、观音寺等3个镇，辐射面广，社会经济效益大。级站总提水流量14.9m3/s，现有19台套水泵机组，总装机容量4205kW，分为南站(包括高扬程泵站和低扬程泵站)、西站和东站3个站房。南站高扬程机组提水流量9.6m3/s，装机容量3025kW；低扬程机组提水流量4.5m3/s，装机容量960kW。西站提水流量0.4m3/s，装机容量110kW。东站提水流量0.4m3/s，装机容量110kW。现拟对原址进行拆除并新建，新建泵站为堤后式布置，设计流量为14.9m3/s，站房位置布置依然按照原有站房布置为准，不改变站房布置情况。

2 参数化设计

大型水电站是国家实现资源优化配置、防汛抗旱的利民工程，水泵选择是泵站初步设计的重要环节。现阶段国内已有研究标明目前设计方主要以CAD等为主要工具来绘制特性曲线，从而实现水泵型号优选，该方法在技术上具有成熟、稳定的特点，但是在效率和精度上依然有较大提升空间[1-5]。在现有软件上实行定制和修改，实现现有软件功能多样化是水泵科学选型的有效途径，文章试从二次开发切入，设计出一套普适性的泵型选择程序，希望为广大从业者提供指导和参考[6]。

2.1 软件介绍

Auto CAD是Autodesk(欧特克)公司开发的具有设计、计算和分析为一体的计算机辅助设计软件，由于其强大的功能和各专业间的通用性，使得它成为了水利工程设计开发最基本的软件[7]。现阶段对Auto CAD实行二次开发的语言工具主要有Autodesk Lisp、VB、VC++等。Visual Basic是Microsoft公司开发的一种通用的基于对象的程序设计语言，文章以Auto CAD2008为现有软件，以Visual Basic 6.0对其进行二次开发设计。

2.2 关键性技术路线

此次设计主要采用“分而治之”的方法，将问题的规模一次次分解到可以解决的层次，接着通过提取数据，绘制综合特性曲线来达到型号选择的目标。参数化程序设计的主要技术路线如图1所示。

图1 参数化程序设计主要思路

2.3 关键性代码

首先通过Visual Basic6.0与Auto CAD2008建立关联，实现两者之间接口成功对接，接着将CAD中的实体“点、线、面”定义为VB变量，申明变量对应的绘图操作后即可实现代码绘图。图2和图3分别是VB与CAD进行关联和变量定义的关键代码。

图2 CAD与VB关联代码

图3 部分变量定义

2.4 自动推荐的实现

泵站水机选型的关键步骤是需要确定轮转的直径和转速，该程序合理运用水利机械相似定律，通过模拟计算得到轮转和直径的推荐值。原理如下：

(1)

式中，Qy—原型泵装置的流量；Np、Dp—原型泵装置同台测试值；Qm—模型泵的流量；Dm—模型泵直径；Nm—模型泵转速。根据《水泵设计规范》，东灌区一级站水泵选型的主要原则为：

(1)所选水泵需要满足泵站各种工况和泵站的设计流量与设计扬程需要。

(2)所选水泵能够满足在平均扬程时高效运行，这样能够保证水泵在长期运行中都能达到效率最高化。此外，还应满足在最高和最低扬程下水泵安全运行。

(3)优选经过权威认定和行业普遍认可的水泵系列产品。

(4)水泵的能量损失要小。

(5)土建、安装和设备需遵循造价低，好施工的原则。

(6)便于维修和管理，运行费用省。

3 水泵选型分析

现以南站高扬程泵站为例说明如何选择高效且准确的水泵型号。根据渠道推算结果，一级站南站(高扬程)设计流量为9.60m3/s，设计净扬程为19.50m。在程序首页输入“流量”与“扬程”后点击“自动推荐”，程序就会根据已载入的数据库提供几个符合用户要求的水力模型，同时还会提供“绘制综合性能曲线”的功能[8]。

3.1 机组和水泵方案的提出

根据《泵站设计规范》9.1.2规定“主泵的台数应根据工程规模及建设内容进行经济比较后确定”。本站现状高扬程有9台泵，根据工程实际情况，结合盱眙近年新建类似泵站，本站初步拟定选用5台机组和9台机组2个方案进行方案比选[9-10]。

一级站南站(高扬程)设计流量为9.60m3/s，设计净扬程为19.50m，属大流量、高扬程泵站，适宜选用单级双吸离心泵。单级双吸离心泵具有结构对称，运行性能好，水泵及电机均位于泵房内，操作简洁且管理检修方便等优点。

按照该一级站运行的特点和要求，考虑经济和技术条件后，初步确定以下2种方案：

方案1：水泵选用5台800S-32型双吸卧式离心泵，水泵单机流量为1.92m3/s，叶轮直径为680mm，配套电机转速730，单机功率630kW，必需气蚀余量为7.0m。

方案2：水泵选用9台600S-32型双吸卧式离心泵，水泵单机流量为1.07m3/s，叶轮直径为540mm，配套电机转速970，单机功率350kW，必需气蚀余量为7.5m。初选2种水泵工作性能参数见表1。

表1 两种水泵工作性能参数表

3.2 两种方案比选分析

在程序首页输入流量和扬程信息后程序自动推荐的两种方案水泵性能曲线分别如图4—5所示。

图4 800S-32型离心泵工作性能曲线

根据拟定的设计方案，现从水泵水力特性、汽蚀性装机容量和投资等7方面综合评估2种方案的优劣性，并以表格形式(见表2)比较两者的差别。

表2 水泵选型方案对比表

(1)从水泵水力性能考虑，方案1和方案2达到运行工况点时的流量和扬程均能满足本站的要求，但方案2的水泵效率略高于方案1，方案2较优。

图5 600S-32型离心泵工作性能曲线

(2)从水泵气蚀性能考虑，方案1必需气蚀余量为7.0m，小于方案2，气蚀性能较优。

(3)从整个泵站的装机容量考虑，方案2装机总功率高于方案1。

(4)从泵站的土建考虑，方案2机组台数较多，泵房长度较大，方案2机组安装高度低于方案1，泵房挖深较大。

(5)从投资方面，两种方案电机均采用异步电机，方案1总造价(水泵+电机)低于方案2。

(6)从运行管理方面考虑，方案1为5台水泵，机组台数适中，方便管理和维护；方案2为9太水泵，机组台数相对较多，管理难度大。

(7)从工程运行调度方面考虑，方案2单机流量较小，更有利于调控泵站总流量。

观察表2，2种方案均能满足泵站流量扬程要求，但方案1无论是从“工程投资”还是“工程运行成本”以及“水泵气蚀性能”均优于方案2，从泵站施工影响、水泵安全、工程长远运营费用等方面综合考虑，本站选用方案1，即5台800S-32型双吸卧式离心泵机组。

4 水泵工况点校核

根据上述方案比选结果对选定的800S-32型双吸卧式离心泵机组进行水泵工况点的校核，以检验运行工况点的参数是否满足要求。水泵进、出水管路的水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失，计算公式如下：

党内政治生活是按照一定的规则来进行的，明确党内政治生活应遵从的规则是严肃党内政治生活的前提。为使党内政治生活看有参照、做有依据，习近平同志指明了严肃党内政治生活的重点内容。

h损=SQ2

(2)

S=S沿+S局

(3)

式中，S沿—管路沿程阻力系数，s2/m5；S局—管路局部阻力系数，s2/m5。

4.1 局部损失计算

(4)

式中，ξ—局部阻力参数；d—管路局部阻力处直径，m。

查资料并计算，可得到各过流部件的局部阻力参数，见表3。由表3可得：南站S局=0.41s2/m5。

表3 过流部件的局部阻力参数表

4.2 沿程损失计算

(5)

式中，n—管内壁糙率，本站中进、出水均采用钢管，查资料得n=0.012；L—进、出水管路总长度；D—管路直径，按照《泵站设计规范》中对离心泵进、出水管路流速的要求，选择进水管道D=1.1m，出水管道D=1.0m；具体沿程损失参数见表4。查表并带入公式计算可得南站S沿=0.061s2/m5。

表4 沿程损失参数表

4.3 水泵工况点校核

h损=SQ2=(0.41+0.061)Q2=0.471Q2

(6)

设计工况点水泵扬程：

H=H设+h损=19.50+0.471Q2

(7)

最高工况点水泵扬程：

H=H最高+h损=21.0+0.471Q2

(8)

最低工况点水泵扬程：

H=H最低+h损=17.50+0.471Q2

(9)

根据以上各式，可以计算得到水泵装置的需要流量—扬程曲线各点参数，整理参数后将各点绘制到坐标系中形成需要扬程曲线，再将需要扬程曲线与水泵流量扬程曲线组合，组合后水泵性能曲线与扬程曲线的交点即工况点[11]。具体如图6所示。观察图6可见，水泵在设计扬程工况及最大扬程工况下工作点落在水泵高效区范围内；水泵在灌溉设计扬程下运行时，Q>Q单，满足灌溉要求。