黄金坝闸站水泵装置选型研究

2015-08-31松钱军杨

江苏水利 2015年11期

张松钱军杨帆

（1.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225007；2.扬州大学，江苏扬州 225009）

黄金坝泵站位于扬州市邗江区城北乡，是扬州城市主干河道水系沟通的重要工程之一。黄金坝泵站引水设计流量18 m3/s，排涝设计流量3 m3/s，共4台机组。其中，3台单向运行，单机设计流量4.5m3/s；1台双向运行，正向引水设计流量4.5m3/s，排涝设计流量3m3/s。泵站特征扬程如表1所示。

表1 泵站特征扬程

1 泵型比选

1.1 选型要求

黄金坝闸站工程规划确定年运行小时数达2772 h，机组运行时间较长。从技术、经济等方面考虑［1，2］，泵型选择的主要原则有：

（1）机组运行效率高、高效范围宽，以降低运行费用；

（2）机组技术成熟、运行安全可靠，以提高用水保证率；

（3）机组汽蚀性能好，保证机组在使用寿命期内检修次数少；

（4）检修、维护方便，易于运行管理；

（5）与土建、电气、金结工程综合考虑，经济技术上合理、可行。

1.2 泵装置方案的比选

立式泵由于进出水流道分上下两层，且须满足《泵站设计规范》（GB50265-2010）对出水流道淹没深度的要求，一般开挖深度较大，土建投资也大。本工程泵站引水入瘦西湖工况设计净扬程仅为0.65m，属于特低扬程泵站［1］，立式泵很难在如此低的设计扬程下获得较高的效率，电机功率大、运行费用高。因此，立式泵不适宜用于本泵站。

对于特低扬程泵站，宜采用装置效率相对较高且开挖深度小、结构简单、便于管理的卧式机组装置型式。根据本站的特点，选取竖井贯流泵装置［3］、潜水贯流泵装置［4］和轴伸贯流泵装置［5］三种不同的贯流泵装置方案进行技术经济比较。

（1）方案1：竖井贯流泵装置。竖井贯流式机组是将电动机和齿轮箱布置在流线型的竖井中，与安装在流道中的水泵相联接，竖井的尺寸根据电动机和齿轮箱的结构尺寸确定，机组结构简单，密封止水要求不高，运行维护方便，电机可采用风冷或水冷却。

竖井贯流泵装置流道中轴线从进口至出口呈直线形，流道平顺没有弯曲，水流流态较平稳，流道水力损失小，装置效率高，高效区较宽，流道形状简单，不但土建工程量小，施工还比较方便。

（2）方案2：潜水贯流泵装置。潜水贯流式机组的水泵转轮、后导叶、齿轮箱、电机连为一体直接布置在流道中，机组段采用全金属壳体，整体吊装，安装方便。电机、齿轮箱在水中，设备外壳利用流动的水流冷却，潜水电机设有渗漏、过载、过流、温度等检测、保护装置。潜水贯流式机组利用了潜水电泵的技术，具有水力性能好、效率高、土建结构简单、机组结构紧凑、流道水力损失小等优点，但设备可靠性要求高、密封止水要求高［4］。

（3）方案3：轴伸贯流泵装置。轴伸贯流式机组包括平面轴伸贯流式和立面轴伸贯流式两种型式［5］，分别采用平面S形流道和立面S形流道，电动机和齿轮箱布置在流道外侧，水泵轴伸出流道外与电机、齿轮箱连接，具有结构简单，通风防潮条件良好，运行维护方便，密封止水要求不高等优点，但轴伸贯流式机组装置的进出水流道都有弯头，不同程度地增加了流道的水力损失，影响装置的水力性能。

由于泵站的单机流量较小，机组间距较小，采用竖井贯流泵方案，竖井的空间尺寸很小，电机、齿轮箱布置在狭小的竖井里，安装、检修很不方便。根据以往的工程设计经验，单机流量小于10m3/s的泵站不适合采用竖井贯流泵。

潜水贯流式泵站结构相对较紧凑，土建投资最省，但其故障点主要在于密封性能，可潜水泵的检修一般要返厂处理，而且一旦出现问题，无论大小都必须整体返厂检修。即使不出现问题，运行期满后也必须整体返厂检查保养，这给泵站的运行管理带来了不便，对于黄金坝闸站这种年运行时间较长的引水泵站影响较大。

平面轴伸贯流式泵站采用平面S形流道，叶轮中心安装高程、站身顺水流向长度、厂房跨度与竖井贯流式泵站一致。立面轴伸贯流式泵站采用立面S形流道，叶轮中心安装高程、站身顺水流向长度、厂房跨度与竖井贯流式泵站一致，但站身开挖深度加大。平面S形轴伸泵泵体沿轴线分半，机组安装检修较为方便；泵段与电机可以放置于同一平面上，电机通风散热条件较好；泵体水平放置，泵轴与轴承之间受力明确；机组可就地检修，运行管理方便。

因黄金坝闸站年运行时间很长，机组安全可靠、维修方便应是运行管理比较的重点。平面S形轴伸泵方案虽然工程造价略高，但水力性能条件较好，机组安装检修方便，运行可靠性高，因此，本站推荐采用平面S形轴伸泵方案。平面S形泵装置形式如图1所示。

2 台数比选

《泵站设计规范》（GB50265-2010）规定：“泵站的机组台数宜选取3～9台”。本泵站主要为城市补水泵站，不设置备用机组。

泵站设计规模为18.0m3/s，可采用单泵或多泵的设计方案。由于泵站的主体功能为活水，年运行时间较长（按平水年份测算，年平均运行231 d），运行强度大，加之运行时换水流量需根据实际需要进行适当调整，因此，采用单机方案不尽合理，应采用多台机组的设计方案。

但从泵站建设成本上来看，水泵台数越多，土建成本总体呈上升趋势，且同样工况条件下，水泵台数越多，水泵的运行成本亦越高。水泵台数的确定，应采用经济性和实用性两者均较理想的方案，因此，本次设计拟采用4台水泵的布置方案。

对于4台水泵的布置方案现有：方案 1（4.5m3/s×4）、方案 2（3m3/s+6 m3/s+6m3/s+3m3/s）、方案 3（6m3/s×3）进行比选，三方案的投资基本相当，各方案的特点分析如下：

（1）方案1。运行调度相对灵活，建成后可在 4.5、9.0、13.5、18.0 四个流量区间调整，且机泵的规格一样，便于管理、维修及备品备件的采购。

（2）方案2。建成后泵站可在3.0、6.0、9.0、12.0、15.0 和 18.0 m3/s六个流量区间调整，满足各种工况下的换水需要，但要采用两种不同规格的泵型，管理难度相对较大。

（3）方案3。必须考虑反向抽排的工况，故需设置双向泵。

图1 平面S形轴伸贯流泵装置

由于反向工况时，水泵机组的效率相对会下降，方案1中4.5流量的水泵反向时能满足3.0的抽排要求，方案2必须设置两台3.0的双向泵，方案3调度灵活性相对较差，反向流量过高。因此，推荐采用4台4.5m3/s泵、其中一台为双向泵的布置形式较适合本工程。

3 数模计算

3.1 数值模型建立

为分析S型轴伸贯流泵装置的水力特性，采用CFD数值计算方法对本泵装置进行建模分析。S型轴伸贯流泵装置计算区域包括：进水流道、叶轮、导叶体、出水流道。各部分模型如图2所示。

图2 平面S型贯流泵装置各部分建模图

叶轮和导叶体的模型均在ANSYSTurbgrid中构建及网格剖分，叶片曲面以光滑曲面方式建立，叶轮的叶顶间隙均值设为0.2mm。进水流道和出水流道的三维模型在UG中建立，在ICEM CFD中进行网格剖分。

3.2 控制方程及边界条件

采用雷诺平均N-S方程描述模型泵装置内的流动，泵装置内部流动介质可简化为不可压缩的牛顿液体，紊流模型采用标准k-ε紊流模型。叶轮与进水流道、导叶体间采用动静耦合交界面，导叶体与出水流道间采用静静交界面。控制方程的离散采用基于有限元的有限体积法，扩散项和压力梯度采用有限元函数表示，对流项采用高分辨率格式。流场的求解使用全隐式多重网格耦合方法。

进口采用质量流进口条件，出口采用压力出口条件，近壁区处理采用可伸缩壁面函数，计算收敛精度设置为 1.0×10-5。

3.3 计算结果

对照设计流量、扬程和效率的指标要求，在额定转速下单向泵装置叶片安放角为-4°时的性能仍有一定的余量。在设计流量工况附近泵装置效率为72.91%，最高效率达到75.76%，相应的流量是210 L/s，扬程1.35 m。经计算获得S型轴伸贯流泵装置的内流场如图3所示，进水流道整体流态较好，未见脱流，流道出口断面速度均匀度达99.6%。出水流道的面积随流线方向变化比较均匀。在出水流道的前半部分，水流随着轴伸转向，在拐点凸处局部压力降低，凹处局部压力增加，整体变化趋势平缓。在计算工况（120 L/s＜Q＜275 L/s）范围内，进水流道的水力损失很小，其值约为0.003～0.012m，出水流道的水力损失约为0.08～0.48m。

4 结论

扬州市黄金坝闸站水泵装置类型经多方案比选，最终确定采用4台特低扬程泵，其中1台为双向泵，泵装置形式采用平面S形轴伸贯流泵装置。通过数值模拟计算，对黄金坝闸站水泵系统选型进行复核验证，可知在极低扬程下，轴伸式水泵系统比较适合黄金坝闸站。扬州市黄金坝闸站的泵装置方案比选方法及泵装置型式可为同类泵站的初步设计提供一定参考。