已运行水库中新建提水泵站机组选型研究

郑录艳，黄正财，范小娟，杨 超

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 工程概况

贵州省三岔河引子渡提水工程拟从已运行的引子渡电站水库取水(水库总库容5.31亿m3，引子渡电站装机为36万kW)，经泵站加压后输至受水区。本工程的主要特点在于：①泵站是从已建并投入运行的水库取水；②泵站提水流量(8100m3/h)大、提水扬程(总扬程284.79m)高。本工程位于贵州省中部的平坝县境内，拟从三岔河引子渡水库库区右岸大寨村附近新建泵站从库内提水至鸡场坝垭口的高位水池，然后自流进入秀洞河，经由秀洞河自流入石朱桥水库后进入红枫湖。取水泵站站址距离引子渡水库大坝约10km，位于主河道右侧，工程布置如图1所示。

图1 工程布置示意图

在本工程中水泵是心脏，其选型是否合理直接影响到工程的安全和经济效益的发挥。国内很多学者对泵站选型进行分析研究[1-3]。依据本工程特点，综合考虑水下施工对水库建筑物的影响、施工难度、施工风险、水泵机组产品的成熟度、机组运行可靠性等因素，对泵站进行选型。

2 泵站基础资料

本工程新建泵站基础资料见表1。

表1 泵站基础资料

3 布置方案选择

本工程取水水库为已建并投入运行的引子渡电站水库，水库总库容达5.31亿m3，引子渡电站装机为36万kW。取水总流量为8100m3/h、提水总扬程284.79m，水库为已建成电站库区，电站及水库规模大，布置方案选择应尽量降低对已建工程建筑物影响和运行影响。

根据泵站规模，可选机型有卧式离心泵和长轴深井泵。

(1)采用卧式离心泵布置于地下泵站，取水泵站站址基础为P1m灰色中厚至厚层块状灰岩、白云质灰岩，溶沟溶槽发育，产状较平缓，岩体透水性较强，存在以下几个不利因素：①引子渡库区为已建成电站水库，水位较高，地下厂房开挖过程易产生透水等施工风险，且后期运行时，厂房边墙受外水压力较大，对结构要求高；②泵站取水隧洞需采用岩塞爆破施工，施工难度大，且地下厂房需在岩塞爆破前施工完成，使得岩塞爆破对泵站混凝土结构造成不利影响；③地下厂房通风、采光、交通等运行条件差。故不推荐卧式离心泵布置于地下泵站的布置型式。

(2)采用卧式离心泵布置于浮船泵站，选址困难：①站址位于三岔河河道右岸水跳崖支流汇口时，汇口段长约300m，宽度50～100m，水库消落水深度较大，河道较窄、坡度较陡，不宜布置浮船泵站；②站址位于主河道汇口以上时，河道宽度约150m，水库有航道要求，因此也不宜布置浮船泵站；③站址位于主河道汇口下游时，河道宽度约300～500m，岸坡稳定性较差，已有局部滑坡，因此也不宜布置浮船泵站。

(3)采用长轴深井泵布置于岸边排架式厂房，需对河床基础进行桩基施工，水库水位变幅大，河床地质条件复杂，存在以下不利因素：①地下结构开挖前需进行灌浆减少渗漏，岸边地形坡度对岩体防渗灌浆施工不利；②岩塞爆破取水口低于水库淤沙高岩塞爆破施工难度大。

(4)采用长轴深井泵布置于拱桥式泵站可以避免出现上述布置方式中出现的各种不利因素，因此设计方案结合地形、地质条件，在汇口内侧布置拱式结构作为泵站基础，采用长轴深井泵提水。

4 提水方案的选择

本工程提水总扬程为284.79m(含水损)，提水总流量为8100m3/h，

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(1)采用单级取水。泵站可能选布置方式拱桥式泵房设置长轴泵方案。

(2)采用分级取水。一级泵站可能选布置方式拱桥式泵房设置长轴泵，二级泵站采用地面式泵房设置卧式离心泵。

针对“单级提水方案”和“两级提水方案”，进行技术经济比较，见表2。

从表2可以看出：①单级提水总投资30420万元，两级提水总投资25528万元，分级提水投资较小；②单级提水方案中单泵流量1350m3/h、扬程达到284.79m，类似工程的业绩极少，产品不够成熟，分级提水方案产品相对成熟一些；③另外由于水库水位变幅较大，水泵下井深度达到42m，机组运行风险较大，采用分级提水方式，降低机组容量一定程度上可降低运行中轴系稳定性的风险。综上所述，工程采用分级提水的布置方式。一级泵站名称为穿洞泵站，二级泵站名称为枫香田泵站。

表2 提水方案技术经济比较

根据分级方案的选择，本工程二级取水泵站设计扬程为107.50m，二级泵站布置方式、机组选型上没有什么条件限制，选择地面泵房布置4台机卧式离心泵，配套电机功率为1120kW，为常规成熟产品，故本文仅对一级穿洞泵站选型进行详细描述。

5 穿洞泵站机型选择

5.1 机组台数选择

根据分级方案的选择，本工程一级取水泵站扬程范围为141.43～177.79m，提水总流量为8100m3/h，下井深度42m，水泵台数选择需要考虑水泵制造水平并结合供水水量变化要求综合考虑，在满足两者的前提下，宜尽量减少台数，降低运行成本。根据上述要求，工作泵台数可初步考虑5和6台2种方案，对应单泵流量分别为1620 和1350m3/h。根据规范要求2种方案均设置2台备用泵，见表3。

表3 机组台数方案技术经济比较

由表3看出，2个方案投资悬殊不大，方案2单机容量达1250kW，根据调研，目前国内长轴深井泵单机功率能达到这种规模的业绩极少[4-5](应用统计情况见表4)。本泵站流量大、扬程高且下井深度较长，考虑泵房水泵机组安全、稳定运行因素本阶段考虑水泵机组台数推荐方案一，即6用2备方案。

表4 国内部分大型长轴深井泵的应用统计

5.2 机组参数确定

结合布置方案、分级方案及供水规模，一级泵站选定的长轴深井泵，泵房共设8台(6用2备)长轴深井泵，内双列布置，每列布置4台。单泵设计流量为1350m3/h，扬程范141.43～177.79m，设计扬程为 177.29m。最大轴功率为874.51kW，取备用系数1.1[6]，计算配套电机功率为961.96kW，取标准等级为1000kW。

为提高水泵效率，叶轮合理分级也非常重要，单机叶轮比转数ns在90～210之间效率较优[7]。本工程初拟分为3级，单级叶轮比转速ns=156～186。机组主要技术参数见表5。

表5 机组性能参数

5.3 提高泵站运行可靠性的结构设计

本工程单泵流量1350m3/h，设计扬程177.29m，配套立式电机功率1000kW，下井深度42m。目前国内同等规模长轴深井泵甚少，为提高机组运行可靠性主要从以下两个方面入手。

5.3.1轴系稳定

本工程单泵流量大，提水程高的同时下井深度较大，所以轴系稳定性[8-11]直接影响机组运行可靠性。为了提高轴系稳定性，考虑采用以下措施：①在水泵顶部设可靠性较高的知名品牌推力轴承，使得水泵具备较高的自平衡能力，不将力传递给电机；②水泵主轴分段链接，各分段轴采用套筒联轴器，而不是常规的螺纹联接；③传动构件采用弹性膜片式联轴器，传动轴与泵轴刚性联接，整个轴系与联轴系统应经动态平衡试验验证；④水泵在启动之前， 应进行叶轮轴向间隙调整，并且要对传动轴导轴承进行浇水预先润滑，以减少摩擦阻力便于机组启动[12]。

5.3.2扬水管抗风稳定

水库水位变幅较大，水泵下井深度较大，泵站位于垭口地形，故水泵扬水管在低水位时的抗风稳定性至关重要，因此在每台主泵扬水管外设有护管，并在主拱下部布置折线拱对水泵护管进行约束(如图2所示)，考虑到结构承载能力，水泵护管重量由上部主拱承担，下部折线拱仅提供水平约束，护管穿过折线拱部分采用柔性材料填充钢管与开孔之间的间隙，护管之间用工字钢焊接在一起以增强稳定性。

图2 穿洞泵站立面图

6 结语

(1)在已运行水库中新建提水泵站，主要原则为：保证新建提水泵站供水功能；尽量减小其对已运行水库的结构影响、运行影响。

(2)本工程新建提水泵站具有流量大、扬程高的特点，取水点位于已运行大型水电站库区。设计选型时泵房型式为拱桥式泵房，水泵型式为长轴深井泵，避免对已运行水库建筑物结构的影响、最大限度的减少水下施工对水库运行的影响。

(3)拱桥式泵房长轴深井泵下井深度较大，结构设计时提出增加轴系稳定及扬水管抗风稳定等具体解决措施。

本文以贵州省三岔河引子渡提水工程为例，对已运行水库中新建大型提水泵站机组选型、结构稳定进行研究，为类似工程泵站设计提供了很好的借鉴。