杭州三堡排涝工程水泵选型分析

蔡宏伟,潘利国

(1.杭州市钱江新城建设管理委员会,浙江 杭州 310016;2.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

扩大杭嘉湖南排杭州三堡排涝工程属 “扩大杭嘉湖南排工程”组成项目,是水利部 《关于加强太湖流域2001—2010年防洪建设若干意见》推荐的规划工程之一,工程等别为I等,设计排涝流量200 m3/s,概算投资约11亿元[1]。

排涝工程位于杭州市钱江新城核心区以及京杭运河与钱塘江交汇处,特殊的地理位置和功能要求,决定了其是一项具有低扬程、大流量、运行安全可靠性和环境要求高等特点的大型泵站枢纽工程。虽然水泵设备投资额占工程总投资比例较小(约6%),但作为枢纽工程心脏部分,其设计和制造成功与否将直接影响到整个工程建设的成败,为此需要通过科学合理方法进行泵型和有关参数的选择。

2 泵型选择

2.1 水泵特征扬程[1]

根据进、出水池不同特征水位,进行各特征扬程组合并考虑扬程损失 (△H=0.00016 Q2)得到水泵特征扬程(见表1)。

表1 水泵特征扬程表

2.2 水泵类型及结构形式的选择

(1)水泵类型主要包括轴流泵、混流泵和离心泵,通常根据扬程及泵站性质来选择[2]。该工程为大流量、低扬程泵站,采用轴流泵较为合适。

(2)水泵结构形式主要有立式、斜式、卧式3种,其中卧式轴流泵由于较之斜轴卧式轴流泵,土建工程量大、传动轴较大,已逐渐被斜式泵所代替;立式轴流泵具有较成熟的经验,但其流道配置较差、装置效率比较低,泵房结构比较复杂,且开挖深度和土建工程量也比较大;斜式泵介于前二者之间,其主要优点有:较好的水力性能和较高的装置性能,方便的安装、维护性,较经济的土建工程,土建开挖相对较少,泵房宽敞明亮,泵体都是沿轴线分半,机组的安装检修较为方便[3]。

综合以上分析,考虑到该工程泵站周边地面高程较低,故采用斜式泵。

2.3 水泵台数的选择

大流量泵站水泵台数的确定主要从工程布置、建站投资、运行管理费用等方面考虑,一般为3～6台[4]。该工程主要对初拟4台和5台进行了综合比较,结果见表2。

表2 水泵台数比较表

通过比较,4台机方案在机电设备和土建投资、泵房占地面积等方面均优于5台机方案。

2.4 水力模型选择

选用水利部南水北调工程公开征集的轴流泵模型[5]系列中的TJ04-ZL-06和TJ04-ZL-15进行比选,模型参数见表3。

表3 水力模型参数表

由表3可见,ZL-06模型在流量、效率、汽蚀性能等方面均优于ZL-15模型,同时根据该泵站特征扬程及保证泵站在最高运行扬程时能稳定运行,在高扬程小流量时不能进入马鞍区,在低扬程时能稳定运行要求,选用ZL-06模型比较符合该泵站的运行特征。

3 水泵关键参数的确定

3.1 水泵转速

根据公式[6]:

式中:ns为模型泵转速(r/min);n为原型泵转速(r/min);H为最优效率点的扬程(m);Q为最优效率点的流量(m3/s)。

计算得n=110.6(r/min)

该工程水泵与电机需要通过齿轮箱减速传动。由于工程地处城市核心区,对声环境要求较高,需选用低转速电机,以减少泵站运行时的电机噪音,拟定电机转速为750 r/min,速比为6.5,故水泵实际转速可取115.4 r/min。

3.2 水泵叶轮直径

根据公式[6]:

式中:K为nD值。

计算得D=3550mm,nD=410。水泵装置性能曲线见图1。

图1 水泵装置综合特性曲线图

3.3 水泵轴功率

轴流泵在高扬程、小流量时轴功率最大,因此在电动机功率选择时采用最大扬程工况计算,水泵起动工况复核。根据公式:

计算得最大扬程工况电机功率为3063.6 kW(叶片角度为 -2°)。

3.4 水泵安装倾角

根据类似工程布置情况并结合该工程实际,初拟斜15,20,30°三个方案进行比选。3个方案的机电设备、金属结构的规格和投资相同,主要区别在于工程布置和土建投资,详见表4。

表4 斜15,20,30°主要技术经济指标对比表

由表4可知,斜30°方案与斜15,20°方案比较具有出水流道和出水池开挖深度浅、出水流态相对较好、工程投资省、出水流道上部混凝土结构受力条件好 (齿轮箱和电机基座混凝土厚度增加)等优点,故选用斜30°方案较为合理。

3.5 叶片调节方式

目前全调节方式主要分为机械全调和液压全调2种类型。影响调节方式选择的因素除水泵运行扬程、出水流道型式、年运行小时数等外,最关键的是调节力的大小,而其直接与叶轮直径成正比相关[7]。一般叶轮直径＜2800 mm采用机械调节方式,＞2800 mm采用液压调节方式[8]。

由于该泵站运行根据运河水位调度,且外江水位受钱塘江潮位影响,排涝期扬程处于一直变化状态,为减小电动机启动功率及在不同扬程下水泵均有较高的效率,发挥轴流泵在低扬程时流量大、能耗小的特点,水泵叶片宜选用液压全调节方式。

4 结 语

杭州三堡泵站作为一座城市大型排涝泵站,必须确保运行安全,同时兼顾效率。因此所选水泵必须满足结构简单可靠、运行维护方便、工程投资较小等条件。综合泵站运行工况特征及地理环境限制等因素,选用斜30°液压全调节轴流泵较为合适。

[1]陈舟,潘卫平.扩大杭嘉湖南排杭州三堡排涝工程初步设计报告 [R].杭州:浙江省水利水电勘测设计院,2009.

[2]刘竹溪,刘景植.水泵与水泵站 [M].4版.北京:中国水利水电出版社,2009.

[3]兰才有,仪修堂.南水北调东线工程水泵机组选型方法探讨[J].排灌机械,2004(22):1-7.

[4]丘传忻.泵站 [M].北京:中国水利水电出版社,2004.

[5]刘宁,汪易森,张纲.南水北调工程水泵模型同台测验 [M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[6]关醒凡.轴流泵和斜流泵 [M].北京:中国宇航出版社,2009.

[7]陈红勋,朱兵.扩大杭嘉湖南排杭州三堡排涝泵站水泵装置数值模拟分析研究报告[R].南京:河海大学,2009.

[8]魏军,卜舸.南水北调工程宝应泵站叶片调节方式的选择[J].排灌机械,2006(4):14-17.