芜湖市鸠江区下九连圩保安排涝站水泵选型研究

2020-12-29袁龙刚

广东水利水电 2020年12期

袁龙刚

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东中山 528403)

1 工程概况

在部分实际工程设计中，当水泵设计扬程大于5 m，且最高扬程超过9 m时，由于水泵设计选型不当，导致水泵在高扬程运行时水泵振动大、噪音大、效率低、流量衰减严重，电机超功率运行，机组甚至无法开机运行。在轴流泵和混流泵流量及扬程满足设计参数，并结合工程实际情况及当地运行管理经验，在两种泵型均可选用的情况下，如何合理选型是一个难题。目前针对混流泵和轴流泵的研究大多为内部流动机理性研究[1-2]，而针对混流泵和轴流泵在工程中的选型对比性研究较少[3-4]，需要进行进一步深入研究。

芜湖市鸠江区下九连圩保安站工程位于芜湖市鸠江区上下九连圩内长江无为大堤上，该圩为鸠江区与无为县共圩，分上九连圩和下九连圩，保安站处于下九连圩。上下九连圩属于长江下游沿江低洼圩区，东、南至无为大堤，北至裕溪河，西至西河，圩口面积为499.71 km2，其中鸠江区170.9 km2、无为县328.81 km2。保安站主要承担大龙湾排区的防洪排涝任务，集水面积为32.13 km2，设计排涝标准为20年一遇最大24 h暴雨逐小时排出，设计流量为58 m3/s，总装机容量为7 500 kW，是一宗工程等别为Ⅱ等，规模为大(2)型的排涝工程。泵站的运行水位组合及特征扬程见表1所示。

表1 鸠江区保安站特征水位及扬程

保安站主要建筑物自内河向外河有引水渠、拦污闸、前池、进水池、泵房、压力水箱、出水箱涵、防洪闸、外河消力池、海漫、防冲槽及出水渠等。泵站布置示意见图1。

图1 泵站布置示意

2 泵型比选

保安站为低扬程大流量排涝泵站，设计流量为58 m3/s，经理论计算水泵扬程与流量关系曲线为H=Hj+0.009 732Q2。保安站机组台数为6台，不设备用机组，单泵设计流量约为10 m3/s，最低净扬程为3.00 m，设计净扬程为7.45 m，最高净扬程为9.22 m，结合工程设计实际情况及当地运行管理经验，离心泵、轴流泵及混流泵等水泵类型均可选用。

各类型水泵的扬程范围不同，离心泵的扬程一般在10 m以上，轴流泵的扬程一般在0～10 m之间，混流泵的扬程一般在5～30 m之间[6]，根据保安站的设计参数和工程特点，离心泵的扬程范围不适合保安站的使用要求。

从安装方式上看，立式机组具有泵房占地面积较小，泵房各层层次分明，运行时巡视方便，动力机可安装在最高洪水位以上，通风采光条件较好，水泵叶轮淹没于水中，水泵启动方便等优点；但也具有厂房高度较大，泵房基坑开挖深度较大，水泵安装、检修有一定难度等缺点[8]。通过对工程所在地已建成运行的类似泵站优点和存在的问题进行调查和分析的基础上，同时结合运行管理单位对立式机组亦有丰富的运行管理经验，保安站选用立式机组结构形式。

当设计扬程大于5 m，且最高扬程超过9 m时，目前大型排涝泵站常用的立式机组主要有立式轴流泵和导叶式混流泵两种，但因混流泵的扬程范围宽，扬程变化对流量、效率的影响没有轴流泵那么明显。混流泵相比轴流泵，混流泵高效区范围宽，水泵轴功率波动小，功率变化平坦，配套的动力机可满载运行，工况变化时，动力机接近额定工况下工作，运行效率较高[3]；同时混流泵马鞍区、驼峰区没有轴流泵那么明显，在最高扬程时运行稳定。

保安站的最高扬程为9.9 m，适合的轴流泵水力模型很少，而对于导叶式混流泵7～10 m扬程很容易达到，这是由水泵的型号决定的。根据保安站各工况的扬程、流量参数，经过比对筛选，初步选定的混流泵水力模型:南水北调工程水泵模型同台测试中的TJ11-HL-04水力模型，原型泵为1800HLQ10-8.5型导叶式混流泵(以下简称混流泵)，叶轮直径初定为1 800 mm；轴流泵水力模型:南水北调工程水泵模型同台测试中的TJ05-ZL-01水力模型[5]，原型泵为1800ZLQ12.2-8.6立式轴流泵(以下简称轴流泵)，叶轮直径初定为1 750 mm。两种水泵在各运行工况下的主要性能参数见表2；两种水泵的泵段综合性能曲线见图2～3。

表2 两种水泵在各运行工况下的主要性能参数

图2 1800HLQ10-8.5型导叶式混流泵泵段综合性能曲线

图3 1800ZLQ12.2-8.6型立式轴流泵泵段综合性能曲线

通过图2～3及表2可知：

① 所选混流泵和轴流泵均可以满足保安站设计工况的流量及最高最低扬程安全、稳定运行的要求；

② 所选混流泵在-6°～+4°叶片角度范围内的扬程范围为0.7～13.6 m，所选轴流泵在-4°～+4°叶片角度范围内的扬程范围为2.6～10.8 m，由此可见所选混流泵的扬程范围宽于轴流泵；

③ 所选混流泵的高效区为5.6～8.2 m，所选轴流泵的高效区为7.5～7.9 m，由此可见所选混流泵的高效区范围宽于轴流泵；

④ 所选混流泵的最高扬程轴功率/最低扬程轴功率=1 043/805=1.30，所选轴流泵的最高扬程轴功率/最低扬程轴功率=1 085/739=1.47，由此可见所选混流泵的轴功率比轴流泵变化平坦；

⑤ 所选混流泵设计扬程时的效率为87.08%，所选轴流泵设计扬程时的效率为85.11%，由此可见设计扬程时所选混流泵的运行效率高于轴流泵。

综上所述，当水泵设计扬程大于5 m，且最高扬程超过9 m时，轴流泵和混流泵流量及扬程满足设计参数，两种泵型均可选用的情况下，混流泵比轴流泵具有更多的优势。因此保安站初选南水北调工程水泵模型同台测试TJ11-HL-04水力模型[5]，叶轮直径1 800 mm导叶式混流泵方案作为设计方案。

3 水泵装置模型试验研究

3.1 水泵进出水流道CFD优化分析

由江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心对保安站水泵进出水流道进行CFD优化分析研究，经优化分析研究后的进出水流道型线方案见图4～5。

图4 进水流道型线方案示意

3.2 水泵装置模型试验

根据保安站各工况的扬程、流量参数，采用优化后的进水流道型线方案，在江苏大学国家水泵及系统工程技术研究中心试验台上分别进行水泵装置能量试验、空化试验、飞逸特性试验、水压脉动试验。本次水泵装置模型采用预先选定的TJ11-HL-04-600进行试验，由水泵装置模型试验结果可知进、出水流道型线设计和水泵模型选择合理，为了使原型泵设计工况叶片安放角由原设计选型的+2°偏向0°，使得水泵运行更稳定可靠，将原设计选型的叶轮直径由1.80 m增大至1.82 m。在原型泵装置叶轮直径为1.82 m，转速为214.3 r/min时，可以得到以下结论。