雄安新区引黄大树刘泵站机组选型设计与研究

张延忠，耿运生，陈景茹

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 05002)

“华北明珠”白洋淀是雄安新区生态环境的核心支撑。由于本地水资源严重短缺，引黄入冀补淀工程成为向白洋淀生态补水的重要水源。在引黄渠道末端入淀口处新建大树刘泵站，将黄河水扬水入白洋淀，实现白洋淀生态补水，为构建蓝绿交织、清新明亮、水城共融的“未来之城”提供生态水源保障。

大树刘泵站为白洋淀提供生态补水，对机组高效、安全可靠运行的要求较高。工程地处引黄渠道末端，占地受限，所选泵型应便于泵站布置，并与周围环境协调。所选水泵型式结构简单、运行维护方便、便于实现自动化控制，能达到“无人值班、少人值守”的管理要求。所选泵型应达到较严格的声环境标准要求，改善运行人员工作条件，对周边环境影响降到最低。

该泵站扬程较低，属于偏低扬程泵站，水泵选型及进、出水流道设计是否合理不仅直接影响设备和土建的一次性投资，而且更严重地影响装置的运行效率、机组的可靠性和耐久性。梁金栋等[1]从水泵选型、能量性能、汽蚀性能等3个方面，讨论减小nD值对大型低扬程装置水力性能的影响，提出减小nD值的低扬程泵装置水泵选型设计思路。刘军[2]分析在一定设计流量条件下水泵叶轮直径与nD值的关系以及对水泵选型设计的影响，提出选取较大的水泵叶轮直径将显著提高流道效率和泵装置效率。张晓丹[3]提出水泵选型应综合考虑泵站流量、最优效率、总投资、空化特性、安装维护及环境因素对水泵装置性能的影响，确保大型水泵既有较高的效率，又具有良好的抗空蚀性能。王明光[4]对多座大流量、低扬程轴(混)流泵站进水流道、出水流道型式和尺寸进行研究，提出合理设计，以使整个泵站的装置系统效率达到最优，有效降低泵站的运行能耗及成本。徐磊[5]提出在低扬程条件下，尽可能减小流道水力损失是提高泵装置效率的关键，减小流道水力损失的关键是降低流道内的流速和改善流道内的流态。 张鹏[6]通过引江济淮派河口泵站出水流道优化及仿真计算，选择最佳流道，并经模型装置试验验证说明流道经过优化，装置效率可以明显提高。

本文拟对泵站水泵型式、机组台数、进出水流道、装置效率等方面进行研究，选择适合该工程水力条件的泵型，结合真机测试对水泵性能进行验证，并通过优化系统水力性能、装置效率，以降低运行费用，提高供水可靠性，为工程安全、高效、稳定、环境友好运行提供理论依据，提升现代化泵站的科技水平。

1 泵站泵型选择

1.1 基本参数

根据引黄入冀补淀工程规划入淀流量30 m3/s，大树刘泵站设计流量与引黄入冀补淀设计入淀流量相同，为30 m3/s。泵站前池设计水位5.5 m，最低水位5.3 m，最高水位6.15 m。出水池设计水位7.2 m，最低水位6.5 m，最高水位7.7 m。

泵站设计净扬程按泵站进、出水池设计运行水位差计算。泵站最高净扬程按泵站出水池最高运行水位与进水池最低运行水位之差计算。泵站最低净扬程按泵站出水池最低运行水位与进水池设计运行水位之差计算。特征扬程计算结果如表1所列。

表1 泵站特征水位及特征扬程表 mTab.1 Characteristic stage and characteristic head of pumping station

泵站扬程为泵站净扬程计入泵站系统水力损失。泵站设计扬程是选择水泵型式的主要依据，最高净扬程是泵站正常运行的上限扬程，最低扬程是泵站正常运行的下限扬程。一般低扬程轴流泵站水泵选型的目标可概括为：设计扬程保流量、平均扬程保效率、最高扬程能运行、最低扬程无异常[7]。流道水力损失包括流道沿程水头损失和局部水头损失，沿程水头损失按式(1)计算，局部水头损失按式(2)计算。

(1)

(2)

式中：hf为流道沿程水头损失，m；Q为设计流量，m3/s；L为管道长度，m；D为流道当量直径，m；n为粗糙系数，0.014；hj为流道局部水头损失，m；ζj为局损水头损失系数；vj为管道的平均流速，m/s；g为重力加速度，9.8 m/s2。

经计算，流道水力损失计算为0.6～1.2 m。计入水力损失后的泵站设计扬程为2.7 m，最高扬程为3.4 m，最低扬程为2.0 m。出水池最低水位是根据雄安新区规划纲要要求，“白洋淀正常水位保持在6.5～7.0 m”，而选取的下限水位。淀区水位可能会出现低于6.5 m至6.0 m时的情况，该种工况会较少出现，不作为泵站计算特征扬程的控制条件，但在该种工况下所选水泵应能稳定运行，出水池水位6.0 m时的泵站扬程为1.7 m。

1.2 泵型比选

适合该泵站扬程段的水泵型式主要有常规轴流泵、常规贯流泵、潜水轴流泵和潜水贯流泵。常规水泵在机组的设计、制造方面，技术较为成熟，其维护也较为简便，但是其施工周期较长，安装精度要求较高，运行噪声较高，机组边噪声级超过90 dB(A)[8,9]，对工作环境和周边环境影响较大。随着潜水泵制造水平的提高，潜水泵使用较为广泛，尤其在南方地区大量应用；潜水泵在水下运行，噪声低散热好，能将泵站噪声级从90 dB(A)降低至75 dB(A)以下[9]，极大程度优化了运行环境，改善了运行人员工作条件，从根本上减少泵站噪声对周围环境影响，符合以人为本的建设理念。潜水泵结构简单，其水泵和电机共轴，制造厂组装后，整体运输、整体安装，潜水泵站的建设时间较常规泵站的建设时间节约1/3以上[10]，大大缩短安装周期，工程能早日发挥效益。

泵房长度由机组段、边机组段及安装间组成，机组间距主要由机组外形尺寸、进出水流道的净空及中间隔墩的宽度共同确定，边机组段长度应考虑设备吊装以及楼梯、交通道布置的要求，安装间长度需满足机组安装和检修的要求。立式潜水轴流泵主泵房垂直水流方向长度为30.8 m，潜水贯流泵为36.6 m。泵房宽度是根据机组在厂房内起吊的结构尺寸和设备、管道及通道楼梯等布置要求来确定，立式潜水轴流泵泵房顺水流方向净宽确定为8.8 m，潜水贯流泵净宽为12.5 m。立式潜水轴流泵厂房布置紧凑，结构简单，缺点是厂房开挖较深，比潜水贯流泵开挖深度大2.5 m，厂房高度较大。潜水贯流泵厂房结构简单，流道顺畅，开挖深度较小，但厂房平面布置尺寸较大。两种潜水泵型式比较见表2，表中一次性工程投资包括机电部分投资和泵站主体土建部分投资，运行期费用包括泵站运行电费、管理费、工程维护费及工资福利，运行期费用按照泵站机电设备使用年限25年进行折现，折现率取6%。

从表2可以看出，立式潜水轴流泵布置方案较潜水贯流泵一次性投资节省652.9万元，总运行电费多14.4万元，总投资节省638.5万元。立式潜水轴流泵机组立式布置，设备隐蔽于地面以下，地面以上仅露一井盖，厂内布置宽敞、整洁；水泵采用混凝土井筒安装，水工结构简单，机组安装、检修方便；设备隐蔽布置，噪音低；水泵进、出水流道均为混凝土结构，设备钢材用量省，价格较低。缺点是厂房开挖较深，厂房高度尺寸较大。潜水贯流泵机组水平布置，流道顺畅，水流条件好，设备装置效率较高；水泵横向卧于混凝土机坑内，设备安装方便，水工结构简单，厂房开挖深度较小。缺点是机组水平布置，厂房平面布置尺寸较大；水泵被钢制外壳包裹，设备较重，价格较高，检修较繁复。两种泵型结合机电设备综合技术与经济比较，选定泵型为立式潜水轴流泵。

表2 水泵型式技术经济比较表Tab.2 Technical and economic comparison of pump types

2 水泵台数及选型设计

2.1 水泵台数选择

泵站水泵台数少，厂房布置尺寸小，土建投资较低，但泵站运行不够灵活，机组备用容量较大，水泵价格较高。水泵台数多，泵站运行灵活，易于组合不同的机组台数以适应不同的流量变化，机组备用容量较小，水泵价格较低，缺点是厂房布置尺寸较大，土建投资较高。水泵台数选择需对经济性和运行调度灵活性综合考虑，水泵台数拟定了4种比较方案，比较见表3。

从表3可知，6台水泵方案总投资最省，8台水泵方案总投资最多，5台水泵与7台水泵投资适中。水泵台数越多，泵站运行越灵活，水泵台数选择时，应考虑机组运行调度的灵活性、可靠性、总投资等方面，选择综合指标优良的方案，考虑引黄输水流量存在一定的变化，且泵站位于输水渠道的末端，泵站前池没有调蓄能力，泵站扬水流量与渠道来水流量很难达到一致，泵站需利用其中一台机组的启停，以适应该种情况的变化。如泵站停一台水泵，泵站流量减少，渠道水面将会增高。如泵站开机台数增加一台时，泵站流量加大，渠道水面又会降落。渠道水面的壅高或降落都是波的形式出现的，水面波动首先出现在前池中，然后再以一定的速度向渠道传播。正波高度Δh正按式(3)计算，负波高度Δh负按式(4)计算。4种方案停泵或开泵对渠道水位波动计算结果见表4。

表3 水泵台数技术经济比较表Tab.3 Technical and economic comparison for number of pumps

(3)

(4)

式中：Δh正为正波高度，m；Δv为泵站流量减小前后的渠中平均流速之差，m/s；Δh负为负波高度，m；h0为渠中平均水面深度，m；B为渠中平均水面宽度，m；Q0为机组启动前渠中流量，m3/s；Q1为机组启动后渠中流量，m3/s；g为重力加速度，9.8 m/s2。

从表4可知，水泵台数越少，单泵流量越大，停一台机组或开一台机组渠道水面波动也越大。据此，泵站台数宜适当多一点，单泵流量小一点，减小单台泵的启停对泵站供水流量的影响，避免渠道水位升降过快，对渠道边坡造成不利影响和对冬季前池渠道稳定冰盖运行造成破坏。

综上所述，认为7台机组方案运行灵活、机组生产周期短、投资适中、停泵或开泵水位波动对渠道影响较小，为推荐方案，水泵台数选为7台，6用1备。泵站在冬四月运行，年运行小时数较低，但泵站地处雄安新区，向白洋淀生态补水，重要性较高，综合考虑设置1台备用机组。

表4 停泵或开泵渠道水位波动计算结果Tab.4 Results of water level fluctuation when pumps stopping or opening

2.2 水泵选型设计

低扬程水泵装置最优工作点的位置与水泵模型和出水流道都密切相关，由于缺少同一水泵模型和相同流道型式的水泵装置的试验数据。长期以来轴流泵站都采用“等流量加大扬程”的水泵选型方法[11]，即先估计进水流道和出水流道的水力损失，将泵站扬程与流道水力损失叠加来确定需要的总扬程，再根据设计流量和总扬程来选择水泵。近年来的工程建设经验和研究表明，对于低扬程轴流式泵站，这种选型方法会导致所选水泵的扬程偏高。水泵选型设计采用汤方平等[12]提出的低扬程轴流泵站“等扬程加大流量”的水泵选型方法。根据已建潜水泵站的经验，潜水泵运行一段时间后，其电动机功率和水泵流量均会有所下降，需考虑在平均扬程下，装机流量宜留有5%～10%的裕量，以确保泵站长期运行能满足供水要求。综上所述，泵站设计流量30 m3/s，单泵流量确定为5.16 m3/s，设计扬程2.7 m。

该泵站扬程较低，适合偏低扬程的水力模型较少，水泵模型的选择采用南水北调天津同台模型试验测试成果[13]，选用流量、扬程均能达到要求，汽蚀性能较好，水泵效率较高的水力模型。从同台测试的模型中优选出适合本工程使用的模型，根据泵站的扬程和流量参数，经比选，天津同台试验TJ04-ZL-07号水泵模型较适合(见图1)，该模型比转速1 300为高比转速轴流泵，模型泵nD值为435。按照泵站设计参数初选水泵叶轮直径为1.2 m，转速370 r/min，nD值为444，与模型泵nD值接近。经换算，原型泵(叶片角度-2°)流量5.79～5.34 m3/s，扬程2.43～3.55 m，水泵效率82.5%～86.8%，设计点流量偏大，叶片角度进行调整，调整后原型泵设计流量5.16 m3/s，扬程2.7 m，水泵效率85.3%，性能曲线如图2所示。水泵制造时，制造厂需根据潜水泵选型设计成果，进一步优化水泵过流部件结构尺寸，以满足选型设计提出的水泵效率及配套功率要求。

图1 TJ04-ZL-07水泵模型综合特性曲线Fig.1 Comprehensive characteristic curve of No.7 model pump

图2 TJ04-ZL-07(1400ZQ-160)原型水泵特性曲线Fig.2 Characteristic curve of prototype pump

3 流道优化设计

3.1 进、出水流道

泵站进、出水流道型式的选择是泵站工程设计的一个重要方面，流道型式和型线设计的优劣，对泵站的经济性、安全可靠性有重要影响。大型轴流泵进水流道常用的结构型式有肘形、钟形、簸箕形3种。簸箕形流道进水流道的宽度比肘形进水流道的大，是为了方便一部分水流绕至喇叭口两侧及后部进入喇叭管，比钟形进水流道的小，是因为流道内部不像钟形流道那样容易产生涡带。水泵进水流道设计尽可能地减小流道宽度和开挖深度，减少工程投资，经过比选，进水流道采用簸箕形流道(见图3)。该型流道形式简单，优点为流道出口断面的流速和压力分布比较均匀，流道内不产生涡带，水力损失小，能有效地减小流道宽度和开挖深度，便于施工等。国外簸箕形流道的簸箕型线是渐缩的，国内有关学者设计的是半圆形的簸箕，李四海等[14]拟定了以上两种簸箕形进水流道设计方案进行数值模拟，最终得出两种型式的簸箕形流道泵装置性能曲线没有明显偏离，设计工况点附近曲线吻合度较好，大流量区流道1(见图3)的水力性能稳定性优于流道2(见图4)。因此进水流道选择为半圆形簸箕方案，该方案水泵进水流道叶轮中心高度Hw取为1.6D(D为水泵叶轮直径，D=1.2 m)，Hw=1.92 m；流道长度XL取3.0D，XL=3.6 m；流道进口宽度取为3.2 m，流道进口高度取为1.889 m。

图3 两种簸箕形进水流道型线Fig.3 Two types of dustpan shaped inlet conduit

泵站出水流道采用箱涵式出水流道，该流道型式是近年来应用于低扬程大型轴流泵站的一种新型流道型式[15]，其断面为矩形，优点是断面形状简单、施工方便，土建投资省，水力损失较小。经优化，出水流道断面尺寸为1.6 m×1.8 m(高×宽)，流道流速为1.79 m/s。在流道出口设置自由式方形浮箱拍门断流，拍门前设有通气孔，拍门后设置事故闸门。

通过数值模拟计算手段，用三维水力设计方法对流道进行验证，流场计算结果见图4。从图4可见，水泵进、出流道型式、尺寸和体型比较合理，前池水流平稳，未出现较大漩涡和回流；进水流道内流态较好，弯曲段的内侧无脱流，流道出口段水流趋于顺直均匀；出水流道水流较平顺，流道下部漩涡范围和强度较小；因此，优化后的进、出流道能够保证水泵机组性能的充分发挥及其正常运行。

图4 泵站进、出水流道计算流场Fig.4 Flow field calculation of the inlet and outlet conduit

3.2 泵站装置效率测算

泵站装置效率是低扬程泵站主要工况水力性能的重要考核指标，是泵装置模型试验验收的依据，对于年运行小时数较高的低扬程泵站，也是对原型泵装置水力性能进行评价的重要依据，以确保泵装置性能的先进性。现行《泵站设计规范》规定，净扬程低于3 m的泵站，其装置效率不宜低于60%[16]。泵站装置效率计算按下式进行[17]。

η装置=η电机η水泵η流道

(5)

(6)

式中：η装置为泵站装置效率；η电机为电机效率，94%；η水泵为水泵效率，85.3%；η流道为流道效率77.3%；H装置为泵装置扬程，1.7 m；h流道为进、出水流道总损失，0.5 m。

经计算，水泵在设计工况时，抽水流量为设计流量时，泵站装置效率为62%，满足规范要求。

4 水泵真机测试

潜水泵组制造完成后，在制造厂水泵测试试验台进行了真机性能测试，试验结果见表5，水泵流量-扬程、流量-效率、流量-轴功率拟合曲线如图5所示。

表5 水泵真机性能试验结果Tab.5 Performance test results of prototype pump

图5 水泵真机性能曲线Fig.5 Performance curve of prototype pump

由图5和表5可以看出，水泵设计点参数为流量5.188 m3/s，扬程2.7 m，轴功率161.27 kW，效率85.2%，达到水泵性能设计要求。因该水泵最小运行扬程较低，而现有试验台装置高程较高，无法测得低扬程段试验数据。理论上轴流泵扬程越低，轴功率也越小，因此该水泵低扬程段不会出现超载现象，水泵设计扬程范围内运行是稳定可靠的，水泵低扬程段参数需通过现场实际运行工况测量数据进行复核。

5 结 语

(1)泵站扬程较低，适合偏低扬程的水力模型较少，利用南水北调天津同台试验测试成果进行水泵选型设计，提出的水泵选型成果保证了设计成果质量和项目的进度，为加快工程实施提供保障。

(2)泵站为冬季运行，运行期间前池渠道形成稳定的冰盖对泵站的可靠安全运行非常有利，并大大地减轻了渠道清污机的清污压力。

(3)泵站向白洋淀生态补水，年利用小时数较低，但考虑其重要性较高，设置了1台备用机组，以提高泵站运行可靠性。

(4)立式潜水轴流泵相对于贯流式潜水泵效率稍低，通过优化簸箕型进水流道，提高了泵站整体装置效率。

(5)泵站水泵选型设计及布置充分考虑噪音控制方面的要求，通过优化水泵选型设计、制造与安装的质量控制，将实现泵站泵组的振动与噪声降到75 dB(A)以下，符合当前以人为本的建设理念。

(6)试验台测试真机性能与模型换算结果基本吻合，真机叶片的精密加工充分保证泵的水力性能。

(7)泵站工程于2018年10月开工建设，2019年2月1日启用3台机组向白洋淀补水，2月28日停泵，累计向白洋淀生态补水3 500 万m3，3台机组安全运行达670 h。试通水运行期间，引水渠道形成稳定的冰盖，杂物和浮冰被清污设施有效拦截，前池流场未出现漩涡回流。经过联合调度，前池水位稳定在5.52～5.84 m，出水池水位7.35～7.46 m，水泵机组运行稳定，各项指标正常，运行期间噪声在75 dB(A)以下，也进一步验证了机组选型设计的合理性。