大型多泥沙梯级提水灌溉泵站水泵选型设计研究

孙玉涵 刘绍谦 王佳

摘 要：本文以盐环定扬黄工程提水系统设计为模型，研究分析了大型多泥沙梯级提水灌溉泵站水泵选型设计，结合水流水质情况，从水泵型式、气蚀、过流部件材质、机组安装高程确定等几方面进行研究。该研究为大型梯级提水工程的水泵机组选型设计提供了经验与参考。

关键词：梯级提水；多泥沙；气蚀余量；安全系数

中图分类号：TV675 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）23-0098-03

Selection Analysis and Design of Pumps for Cascade Irrigation

Pumping Stations with Heavy Sediment

SUN Yuhan LIU Shaoqian WANG Jia

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： Based on the design of the water lifting system of the Yellow River Project in Yanhuanding， this paper studied and analyzed the design of pump type selection for large-scale sediment ladder pumping irrigation station. Combining with the water quality， the pump type， cavitation， the material of flow passage parts and the determination of unit installation height were studied. This study provides experience and reference for the selection and design of pumping units for large cascade water pumping projects.

Keywords： cascade water pumping；heavy sediment；NPSH；safety factor

1 宁夏盐环定扬黄共用工程概述

盐环定扬黄共用工程主干线经一泵站（取水泵站）从黄河青铜峡东干渠取水，后经原二泵站～八泵站梯级输水至老盐池分水闸，向南至盐池县李家大庄，到达甘肃的分水点，向东到盐池县牛家口子，给陕西分水。

共用工程已运行近20年。由于先天不足和投运后效益低下，工程设施、设备得不到及时与全面的维修和更新改造，致使工程普遍存在以下问题：水工建筑物年久失修，工程带病带险运行；机泵设备锈蚀、磨损、老化严重，设备效率、可靠性低下等。因此，需要對原取水泵站进行改造，并结合工程实际情况，对泵站级数进行合并调整，简化系统设计，提高系统的稳定性和安全性[1]。

盐环定扬黄共用工程更新改造后，原八级泵站合并为五级泵站，合并泵站间全部采用压力管道和明渠输水。

2 梯级提水系统设计参数

2.1 泵站出水压力管道

盐环定扬黄共用工程更新改造后，一泵站仍为一泵站，二泵站和三泵站合并为新二泵站，四泵站和五泵站合并为新三泵站，六泵站和七泵站合并为新四泵站，八泵站原址改造，为新五泵站。改造后，合并泵站间全部采用压力管道和明渠输水，合并后各级泵站详细的压力管道和明渠参数见表1。

表1 一泵站～五泵站压力管道参数

[改造后泵站名称 压力管道长度/m 一泵站（取水泵站） 35 二泵站 5 538 三泵站 3 081 四泵站 5 065 五泵站 1 127 ]

2.2 泵站流量

合并后新一泵站～五泵站设计流量详见表2。

3 水泵选型设计

3.1 水泵型式选择

常用灌溉泵站使用的水泵型式有轴流泵和离心泵。根据宁夏盐环定扬黄共用工程泵站改造项目的参数，各泵站流量较大，扬程适中，考虑选用单级双吸卧式离心泵。该泵型为单级叶轮，叶轮双侧吸水，流量大；叶轮结构对称，叶轮的轴向力基本达到平衡，水泵运行比较平稳。

表2 一泵站～五泵站流量表

[泵站名称 加大流量（m3/s） 设计流量（m3/s） 最小流量（m3/s） 一泵站（取水泵站） 12.65 11.0 5.5 二泵站（五里坡） 12.61 10.95 5.475 三泵站（红柳坑） 12.58 10.93 5.465 四泵站（胡家小井子） 12.42 10.8 5.4 五泵站（白塔水） 12.28 10.68 5.34 ]

3.2 高含沙水流水泵选择分析

盐环定扬黄共用工程泵站项目泥沙含量高。多年的运行实践证明，泥沙磨损导致水泵流量减少，效率下降，泵站能耗增大。为此，最大限度地减少泥沙对水泵性能的影响，提高水泵效率，减少能耗，成为泵站改造的重点。

水中的含沙量不同，会导致水泵的机械损失、容积损失和水力损失有所变化。机械损失主要是轮盘损失，当流道中抽送含沙水流时，叶轮轮盘的外表面与水体之间的摩擦阻力增大。此外，含沙水流还会不断磨损密封环，使其间隙宽度迅速变大，泄漏流量急剧增加，从而增大容积损失。同时，由于水的容重增加，当水流速度的大小和方向发生变化时，惯性力和离心力都会增大，漩涡影响也必然增大，从而使水力损失增大。由于含沙水流使水泵的3种损失都有所增加，局部效率下降，因而水泵的整体效率也会明显下降。水中含沙是客观存在的事实，只有在水泵选型上最大限度地减少泥沙对水泵性能的影响和对过流部件的磨损，提高水泵效率，才是水泵选型的重点。

3.2.1 选择低转速水泵。在流量和扬程满足运行要求的情况下，尽量选择高效率、低转速及耐磨的水泵；在叶轮直径不变的情况下，尽量降低叶轮旋转部件的线速度，减少水泵磨损，延长叶轮使用寿命，提高水泵效率。

3.2.2 选用气蚀性能好的水泵。由于水流中气泡受脉动压力的作用而溃灭产生气蚀，气蚀时产生的微射流会带动泥沙出现水击，形成强大的局部摩擦，加速水泵流道部件的磨损，磨损又使过流壁面凹凸不平，从而引起局部脱流，形成漩涡，漩涡产生气蚀，加剧了磨损。磨损与气蚀相伴而生，相互促进。因此，应优先选择气蚀性能好的水泵，尽可能选用允许吸上真空高度值大或必需气蚀余量值小的泵，以减少气蚀破坏。因此，在确定水泵安装高程时，必须考虑过流含沙量，并对必需气蚀余量予以修正。

3.2.3 过流部件采取合理有效的材质和抗磨措施。泥沙磨损是含沙介质水力机械普遍遇到的突出问题。除选用水力性能良好，尤其是气蚀性能良好的水泵外，还应对水泵内壳流道、叶轮表面等易气蚀和易磨损的部件，选用性价比较高的抗磨结构和涂覆耐磨涂料。

3.2.4 选择部件易于更换的泵。在多沙水流上运行的水泵，过流部件磨损严重，当前尚难避免。多数站为了保持水泵一定效率，采取的措施是及时更换部件，或在固定部件上涂抗磨材料。根据一些泵站的运行经验：优先选用卧式泵。

3.2.5 单泵容量不宜过大，台数不宜过少，否则运行管理不便。多沙水流的泵站，由于泥沙问题、运行管理问题比较突出，如选择单机容量过大，起动、停机对电网影响大，停泵一台对灌溉影响也大，泵件较重，拆、吊、装技术复杂费时间。

综上所述，盐环定梯级提水流量大，扬程适中，泵站级数较多，因此选用单级双吸卧式离心泵是适宜的。

3.3 水泵安装高程选择

磨损与气蚀相伴而生，相互促进，加速了水泵磨损。选择气蚀性能好的水泵并适当降低安装高度，以减少气蚀破坏有利于水泵安全长期运行。

水泵的安装高度直接影响水泵的吸水性能和泵站的土建费用。水泵安装得过低，泵房土建投资增大，施工难度增加；过高则水泵产生气蚀。因此，需要合理确定水泵的安装高程，才能尽量降低泵站的造价，保证水泵的正常运行，防止气蚀现象的发生。

卧式离心泵的基準面指通过由叶轮叶片进口边的外端所描绘的圆的中心的水平面。泵站的安装高程采用许用气蚀余量进行计算，安装高程计算公式如下：

[Hs=Hg-Hz-hs-NPSH] （1）

式中：[Hg]为水泵安装地点的大气压力（mH2O）；[Hz]为液体相应温度下的饱和蒸汽压力水头（mH2O）；[hs]为水泵进口前吸水管沿程及局部水头损失之和（m）；[NPSH]为水泵许用气蚀余量（m）。

[NPSH=k×NPSHr] （2）

其中，[k=1.1～1.5]，为水泵装置的安全系数，[NPSHr]为水泵必需气蚀余量（m）。

本工程设计采用的必需气蚀余量是水泵最不利运行工况点对应的气蚀余量。水泵需用气蚀余量按照必需气蚀余量乘以1.5倍安全系数，据此算出水泵安装高度[2]。

施工阶段水泵供货商做水泵真机气蚀性能试验时发现，盐环定梯级扬水系统二、三、四、五泵站大泵试验的必需气蚀余量均大于合同要求的值。为了保证水泵安全稳定运行，以二泵站为例验证了二泵站的大泵。

二泵站不同工况点水泵装置安全系数计算见表3。

通过对已经建成的多泥沙黄河引水泵站的大量数据进行研究和分析可知，水泵最极端工况点运行时装置安全系数在1.3以上，可以保证水泵不发生气蚀；而清水泵站装置安全系数仅需要达到1.1以上即可。从表3可以看出，水泵最不利运行工况点的装置安全系数为1.4～1.97，基于多泥沙泵站设计和运行经验，可以满足水泵在含沙水流条件下的安全稳定运行。

4 结论

多泥沙水源取水工程，水流含沙量高是客观存在的事实，在水泵选型上最大限度地减少泥沙对水泵性能的影响和对过流部件的磨损才是水泵选型研究的重点。因此，要从水泵的型式、水泵的工作参数及水泵的安装高程的合理选择计算来避免泥沙对水泵的结构性能的影响。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.泵站设计规范：GB 50265—2010[S].北京：中国计划出版社，2010.

[2]冯逸仙.给水排水设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2002.