双向双速平面S形轴伸泵的应用研究

丁 聪

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

为保证泵站机组安全、高效运行，许多工程增加了机组调节手段，如：叶片调节机构、变频调速等[1]。双速水泵因其较高的适应性和节能性已在电厂循环冷却系统中得到广泛应用，并取得了较好的节能效益[2～4]。因此，拟将双速电机引入引排泵站设计。

福建九龙江防洪工程漳州段（二期）内林泵站引排工况净扬程、规模均相差较大。因此，在泵型选定及泵组参数确定时，考虑配置高、低两档双速电机，使得机组在排涝高扬程、引水低扬程时均可安全、高效运行。

1 工程概况

内林泵站为引排双向泵站，设计排涝流量27.0 m3/s，引水流量15 m3/s。泵站引水净扬程范围0.00～2.16 m，设计净扬程1.10 m；排涝净扬程范围0.00～5.45 m，设计净扬程2.50 m。内林泵站布置于步文堤堤防内侧，需通过穿堤箱涵与外河出水渠相接，外河侧设有防洪闸。

2 泵组选型

2.1 选型原则及难点

泵站具有引排双向功能，因此所选机组应满足双向运行功能。由于泵站引水工况年利用小时数较多，应尽可能提高引水工况泵站装置效率；泵站排涝工况为城市保障、抢险，应保证泵组可靠、运行稳定，并便于检修维护。泵站布置于堤防内测，需通过穿堤箱涵与外河出水渠相接。因此，所选泵组型式应便于与穿堤箱涵衔接。

泵站净扬程较低，可选用轴流泵组。但轴流泵高效区范围一般较窄，并且扬程范围一般不大，高扬程时易进入不稳定马鞍区。而内林泵站引水净扬程范围与排涝净扬程范围相差较大，设计净扬程比值已超过2。因此，若以排涝工况选定泵组参数，引水工况装置效率将会较低；若以引水工况选定泵组参数，排涝高扬程工况已进入不稳定马鞍区。

2.2 泵型选择

为实现泵站引排双向功能，可采用单向叶轮双向流道闸门切换方式，即X 形双向流道立式轴流泵；或采用双向叶轮（“S”型叶轮）单一流道方式。

（1）X形双向流道立式轴流泵，抽排、抽引时下层流道为进水流道，上层流道为出水流道，通过流道进出口闸门的开启、关闭，切换进出水方向实现抽排、抽引双向运行功能。由此可见，所需闸门数量较多，闸门配合操作复杂。电机、水泵分层布置，泵房层数较多，结构复杂。并且泵站进出水为双层流道，流道总高度较大，与穿堤箱涵衔接难度较大。

（2）采用双向叶轮单一流道型式是利用水泵叶轮体本身的双向特性，通过改变电动机的相序，以此改变叶轮的转动方向实现抽排、抽引双向功能。双向叶轮水泵装置多为卧式布置。根据叶轮两侧流道轴线是否在同一直线上可分为贯流泵和轴伸泵。

（3）由于泵站规模的限制，可供选择的贯流泵仅有潜水贯流泵。潜水贯流泵技术虽已成熟，但其机组密封、防渗漏要求较高，维修难度较大，若机组故障一般为返厂维修。

（4）采用轴伸泵，可将流道布置成平面S 形，即平面S 形轴伸泵。电机与水泵放置在同一平面上，布置在流道外，因此泵组对密封要求相对较低，电机通风散热条件好。泵体沿轴线分半，拆卸时可不必拆除电机，安装检修较为方便。水泵与电机布置在同一层泵房内，泵房结构简单。

因此，从泵房结构布置、管理维护方便性、工程总体布置等方面综合比较，选用平面S 形轴伸泵较为合适。

3 双速异步电动机应用

3.1 双速异步电动机电气方案

双速电动机属于异步电动机变极调速，是通过改变定子绕组的连接方法达到改变定子旋转磁场磁极对数，从而改变电动机的转速。改变定子绕组极对数有两种方法：双绕组变极（定子槽内安放两套极对数不同的独立绕组）和单绕组变极（改变定子绕组的接法）[5]。本文工程采用单绕组变极，通过外部控制线路的切换来改变电机绕组连接方式，定子出线与母线接线示意图见图1和图2。

图1 顺时针旋转定子出线与母线接线

图2 逆时针旋转定子出线与母线接线

3.2 泵组参数选定

经台数比选后选定4台泵组。考虑到泵站排涝流量较大，以排涝流量作为泵站设计流量，水泵排涝设计流量为6.75 m3/s。结合已建平面S形双向泵站水力性能曲线，确定本泵站叶轮，直径1.55 m，排引泵组转速分别为268、214.3 r/min，配套电机功率分别为630、330 kW，电机转速分别为745、597 r/min，齿轮箱传动比2.785。原型泵装置性能曲线如图3和图4所示，装置性能见表1和表2。

图3 正向排涝工况装置性能曲线

图4 反向引水工况装置性能曲线

表1 正向排涝工况装置性能表

表2 反向引水工况装置性能表

4 性能评价

比较双速电机的泵站装置性能和单速电机的泵站装置性能，以此来检验双向双速方案的合理性。

由于泵站排涝工况扬程较高，扬程范围也较大，为保证泵站安全、稳定运行，单速电机方案以排涝工况确定泵组参数。确定为水泵直径1.55 m，转速268 r/min，配套电机功率630 kW。

4.1 泵站装置效率

单速方案原型泵正向排涝工况装置性能曲线与图3一致，原型泵反向引水工况装置性能如图5、表3所示。

图5 反向引水工况装置性能曲线

表3 反向引水工况装置性能表

由图5 可知，泵站引水扬程范围均在高效鸭蛋区以下，偏离高效区较远。

4.2 泵站能耗

能源单耗e指将1 kt水提升1 m所消耗的电能。其表达式如下：

式中：E 为某一时间段内，泵站所消耗的电度数；G为某一时间段内，泵站实际提取的水重；H净为某一时间段内，泵站的平均净扬程。

能源单耗e 与泵站效率η 的关系如式（2）所示[6]：由此可得双速方案与单速方案引水工况下不同扬程时得能源单耗对比表（见表4）。

表4 单耗对比表

由表4可知，泵站设计扬程（多年平均扬程）时，泵站双速方案能源单耗为4.81 kWh/（kt·m），泵站单速方案能源单耗为5.28 kWh/（kt·m），泵站节能效果明显。

5 结语

本文以福建九龙江防洪工程漳州段（二期）内林泵站的泵组选型为例，分析研究了双向双速平面S形轴伸泵方案的可行性，并比较了装置效率、能源单耗。结果表明:双速电机可有效改变泵组水力特性，较好适应水位、流量变化，为双向引排泵站的设计提供方案参考。