南水北调供水配套工程任坡泵站机组选型

2015-08-19张超男河南省水利勘测设计研究有限公司

河南水利与南水北调 2015年13期

□张超男（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 工程概况

南水北调中线工程主要由总干渠主体工程、总干渠分水口门至城市自来水厂入口之间的供水配套工程、城市水厂及管网工程三部分组成。其中供水配套工程上接总干渠，下连城市水厂，担负着承上启下的输水任务。

河南省南水北调受水区供水配套工程16号任坡分水口门位于禹州市梁北镇任坡村附近，分别向禹州市新规划水厂和神垕镇水厂供水，口门分配流量2.00m3/s。向禹州市新规划水厂输水采用重力流输水方式，设计流量为1.50m3/s。向神垕镇水厂供水需要在分水口门后修建任坡提水泵站，采用泵站加压输水的方式，设计流量为0.50m3/s。

根据河南省黄河南南水北调受水区供水配套工程16号口门的基本资料，通过对泵站工程规划布置，由规划提供的泵站水力资料：泵站进水池最高水位126.80m，设计水位126.16m，最低水位125.55m；泵站出水池水位238m；泵站提水流量0.50m3/s。

2 水泵选型

2.1 泵站水泵型式的确定

根据泵站进水池水位和出水池水位资料，泵站在不同进水池水位和出水池水位工况下组合不同的扬程，为合理选择水泵型式并满足泵站出现的各种工况，由此确定泵站最大净扬程112.45m，设计净扬程111.84m，最小净扬程111.20m。水泵选型的原则是在设计扬程下满足设计流量且效率最高，并兼顾到泵站的最大、最小扬程工况。根据泵站提水流量和泵站出水管会管后采用管径DN800mm、长16270m一条球墨铸铁输水管的布置形式，由泵站设计净扬程和输水管路长度，采用海曾—威廉公式计算输水管路沿程损失，输水管路的局部损失按沿程损失的20%计，并考虑泵站内管路损失和扬程有2m的富余量，通过计算，泵站最大扬程为142.40m，设计扬程为141.80m，最小扬程为141.20m。

根据泵站总扬程和提水流量，其扬程高，流量小，适合该泵站的水泵型式为双吸离心泵和多级离心泵。这两种离心泵均为低比转速水泵，同尺寸双吸离心泵单台提水流量比多级离心泵要大，且效率相对较高，因此水泵型式采用双吸离心泵。

2.2 水泵台数及型号确定

在泵站供水总流量确定后，泵站装机台数不宜过多，水泵台数的多少直接影响到泵型的选择、泵站工程投资以及建成后的运行管理费用等。水泵台数少，则选择的泵型就大，反之就小。大泵与小泵相比，效率高，能源消耗、运行费用和土建投资较省，管理也较方便。为避免开发新型水泵，减少研发费用，节约工程投资，在水泵选型上应立足于现有产品。根据泵站提水流量，同时考虑输水线路的数量，而且《泵站设计规范》（GB/T50265）规定“并联运行台数不宜超过四台。”其原因并联台数愈多，水泵扬程变化范围愈大，对水泵的流量和效率影响越明显，流量增大，效率降低。同时，《泵站设计规范》（GB/T50265）规定泵站装机台数不少于3台，且装机台数包括工作泵和备用泵，也就是说泵站工作泵的台数不少于2台。因此，泵站工作泵台数按2台、3台和4台进行比较其工况范围、工作效率。结合国内现有的厂家产品，根据泵站设计参数，工作泵2台时选定水泵型号为OTS250-800A/1-2，工作泵 3 台时选定水泵型号为KQSN300-N3/685，工作泵 4 台时选定水泵型号为KQSN200-M5/355。

装机2台、3台和4台时其机组性能比较：第一，在水泵最高效率工况点，装机2台总提水流量大于规划提水流量，装机3台总提水流量与泵站规划提水流量相当，两者均满足提水流量的要求，装机4台流量偏小于泵站规划提水流量；第二，装机2台、3台时，水泵最高效率点对应的水泵扬程与泵站设计扬程比较一致，装机4台时，水泵扬程与泵站设计扬程相差5m左右；第三，水泵最高效率工况点和效率范围，2台最高，4台次之，3台最低。第四，泵站装机容量，2台和4台均为1260kW，容量最少，3台1500kW，容量较大；第五，对于水泵并联运行，在提水扬程不变的情况下，并联水泵的提水流量要小于单台水泵提水流量，因此，装机2台机组更能满足泵站提水流量的要求；第六，从投资来讲，通常情况下泵站台数少，投资就少，因此，装机2台投资最少，4台最大。

通过以上综合对比分析，泵站工作泵装机2台的综合性能较为优越，因此，泵站采用装机2台，水泵型号为OTS250-800A/1-2，流量0.22～0.26～0.29m3/s，扬程152～142～132 m。水泵型号OTS250-800A/1-2是指水泵转轮直径介于663～612mm之间，即对663mm的转轮适当切削，流量和扬程满足设计要求。水泵的性能曲线见图1。

图1 OTS250-800A型水泵性能曲线图

根据受水点的重要性和调节能力，受水点为供水水厂，机组的利用小时数较高，泵站与供水水厂间无水量调节蓄水池，为保证供水的可靠性及机组检修的方便，增设一台备用水泵，备用泵性能参数与工作泵一致，且互为备用。因此，任坡泵站共装机3台，两用一备。

3 电机选型

电机容量选择是否合适关系到整个泵站是否能够经济运行。电机容量偏小，造成电机长期过载运行，易烧毁电机。电机容量偏大，即储备系数偏大，电机负载率偏低，电机效率也随之降低，造成机组运行不经济。通常与水泵配套的电动机的输出功率应大于水泵轴功率。电动机所具有的输出功率P配按下面公式计算：

式中：P配—电动机的输出功率（kW）；H—水泵最不利工作扬程（m）；Q—水泵在最不利工作扬程下的流量（m3/s）；η泵—水泵在最不利工作扬程下的效率（%）；η传—传动效率（%）；K—功率备用系数，K取值≥1.05。

对于水泵配套的电机容量，水泵生产厂家均已配套，只要复核一下厂家配套的电机容量是否满足要求即可。通常情况下，直接采用水泵厂家配套的电机。根据以上原则，选定的电机型号为Y4506-4，电机容量630kW，电压等级10kV，电机转速1485 r/min。

根据泵站电机型号及参数，水泵配套电机选用Y系列鼠笼异步电动机。按泵站设计规范（GB/T50265）规定“主电动机的单机额定容量在630kW及630kW以上时，宜用同步电动机进行补偿”，但此泵站电动机容量为630kW 仍采用异步电动机，基于以下分析：

第一，随着电力工业飞速的发展，电力系统容量成倍增加，电网质量不断提高，大型电动机在电网中占的比例相对比较少，电动机运行状况不会严重影响电网运行质量；第二，国内制造的补偿电容器技术有了很大提高，电动机的就地补偿技术得到广泛运用和推广，同时异步电动机转速较高，功率因数达0.86，通过电容补偿易使供电母线端的功率因数达到供电部门0.90以上的要求；第三，同步电动机转子采用绕线结构，转子线圈线间绝缘容易发生故障，而异步电动机采用铜条铸造，没有线圈，故障率低，从价格上比较，异步电动机比同步电动机低廉；第四，同步电动机配套电气设备、保护设备比较复杂，特别是励磁装置属复杂电子设备，技术要求高，容易发生故障，安装调试工作量很大，异步电动机配套电气设备仅为电容补偿装置，该装置比较简单，工作比较可靠，安装维护工作量都很小；第五，从运行管理上分析，同步电动机配备的励磁装置，其功能是启动时牵入同步，运行中调节功率因数，保持同步，防止失步，停机时释放转子能量，进行灭磁等等，启动、停机和运行过程比异步电动机复杂的多，日常运行管理也需要配备较高水准的专业技术人员进行操作和维护，异步电动机没有励磁装置，一般技术工人都可以进行管理和维护。

基于上述考虑，电动机仍采用异步鼠笼式电动机。