古城区金安桥提水工程一级泵站水泵并联工况校核点推求

李苏航，苏玉婷，刘冬冬

(1.陕西省水土保持生态环境监测中心，陕西 西安 710004；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 概述

古城区金安桥提水工程取水点为金沙江金安桥库区，出水点为团山水库。根据工程线路布置方案，工程主要由泵站工程及输水工程组成。泵站工程总体布置于金沙江右岸，文化沟南线，一级泵站位置位于文化沟下游1.5 km突出的山体侧，采用浮船取水；二、三级泵站布置于一级泵站与隧洞进口之间山坡缓坡处，采用干室型[1]泵站；管道采用DN1000钢管、地埋方式布设。输水工程总体沿丽宁工程(S991省道)和乡镇公路(岩乐段、文化段)布置，由3段隧洞工程+5段管道工程(3段有压管道+2段自流管道)组成，其中隧洞工程总长4.664 km，管道工程总长12.837 km。工程等别为工程为Ⅲ等中型工程，主要建筑物级别2级。

2 水泵型式

工程取水位置位于金安桥库区，根据库区运行调节方式，取水位变幅高达20 m，且库周岸边地形地质方面有较好的浮船安装条件，故采用浮船取水方式。根据提水分级情况，一级泵站扬程约385 m，需选用多级泵提水。多级泵通常分为卧式多级泵和立式多级泵。参照厂家提供的两种泵型样本资料，立式多级泵流量较小，需要选择的台数较多，而卧式多级泵流量较大，更适用于本工程。同时，卧式多级泵在运行时更平稳，效率也较立式多级泵高，故本次选用卧式多级泵[2]。卧式多级泵[3]的结构安全可靠，密封可靠，使用寿命长，具有良好的气蚀安全性能，高效率、低维护率，适应各种介质，可适用于大流量，高扬程供水工程[4]。

3 水泵主要参数

3.1 水泵台数

本工程设计流量1.32 m3/s，即4752 m3/h，综合考虑流量、扬程与水泵选型匹配，水泵台数采用4用2备，单台泵流量1188 m3/h，扬程380 m，单机功率1800 kW。

3.2 水泵额定转速

根据泵站的最大扬程、设计引用流量等参数，参考目前国内类似规模的泵组制造和运行业绩，结合初设阶段泵站设计条件、机组选择台数及水泵厂家相关资料，选择适合三级泵站设计流量1188 m3/h、扬程385 m的中开多级泵，泵房型式为浮船型式。根据本工程水源泥沙含量不高的情况，结合泵站设计参数，经咨询多个厂家，适合本工程的水泵额定转速基本均为1480 r/min，属于较低转速水泵。

3.3 水泵效率

参照水泵制造厂提供技术资料，水泵效率约在0.83～0.87之间，考虑含沙水流对水泵过流部件磨蚀的影响及多级泵级间损失，本阶段确定水泵设计效率[5-6]为0.85。

一级站设计扬程361.5 m～381.5 m；扬程范围363.63 m～383.73 m；最大轴功率1545 kW；额定转速1480 r/min；比转速ns=35 r/min；NPSHr=4.2 m；运行方式：工频运行。

参考厂家样本资料，单台水泵特性参数及特性曲线分别见表1和图1。

表1 水泵特性参数表

图1 水泵性能曲线

3.4 水泵配套电动机

根据《水泵设计规范》(GB 50265-2010)规定，泵站配套电动机输出功率应按水泵可能出现的最大轴功率选配，电动机储备系数取1.05～1.1倍，由此确定各级泵站电动机主要技术参数：型式为YRBF630-4-1800三相异步电动机；功率1800 kW；转速1489 r/min；电压380 V；额定电流205.3 A；冷却方式为空冷；数量6台(4用2备)。

4 计算结果及分析

4.1 设备指标校核

根据本工程情况，工程设计工况为四泵并联运行。

4.1.1 水泵运行工况分析

①并联管道水泵工作点推求

为了检验泵型及管路配置是否合适，应进行水泵装置工作点校核[7]，要求工作点落在水泵高效率范围内，否则应重新选泵，或改变管路配置情况，或进行调节。

装置性能参数计算：

H需=H净+KSQ2=H净+K(S沿+S局)Q2

式中：H净为泵站净扬程，m；S沿为管路沿程阻力系数；S局为管路局部阻力参数；Q为通过管路的流量，m3/s；n为管路材料糙率，本次取0.013；D为管路直径，m；L为管线长度；ξ为管路局部阻力系数；D局为局部阻力系数相应流速处管径；K为修正系数，取1.1。

一级泵站的水泵在各运行工况时的管路阻力系数S计算结果见表2。

表2 一级站阻力系数S计算结果

4.1.2 水泵工作点推求

运行水泵并联运行工作点的校核，需确定水泵在不同工作扬程下的水泵工作点[8]，然后分析是否满足设计要求。

按同一比例，将四台或水泵并联后总性能曲线与并联管路系统特性曲线Q-H需绘到同一坐标系中，得两曲线的交点A，A为并联工作点，由A向左作水平线与水泵性能曲线Q-H交于A′，A′即为并联运行时每台水泵的工作点。各泵站工作点见图2～图4。

图2 一级泵站(最高水位)工作点推求

图3 一级泵站(设计水位)工作点推求

图4 一级泵站(最低水位)工作点推求

根据上图，可知一级泵站的水泵在并联和单泵运行时的工作点，相关数据见表3。

表3 一级泵站水泵工作点参数

根据上述计算可知，一级泵站水泵流量能够满足提水要求，匹配较好，在水位变幅范围内三种工况下均能满足设计流量要求，且均在高效区运行，故选取的水泵是合适的。但是从计算结果和厂家的水泵特性曲线可以看出，该水泵曲线中流量偏大，水泵性能参数还可进一步优化，建议设备招标时要求厂家按照设计流量及扬程对水泵叶轮直径进行优化，更好地满足本工程的需要。

4.2 电机功率复核

单泵运行时，水泵的电机功率为最大，为保证所选电机功率满足各工况下水泵运行的要求，本次对单泵运行时水泵所需功率进行复核计算。

电机有效功率为水经过水泵后所得到的净功率，也称水泵的输出功率，用N效表示；轴功率为水泵的有效功率和泵内损失功率之和，用N轴表示。可按下式计算：

式中：ρ为水的密度，本次根据当地水流挟沙情况，取为1050 kg/m3；Q为水泵流量，m3/s；H为水泵扬程，m；η泵为运行工况下水泵运行效率，%。

经计算，三座泵站水泵所需电机的有效功率和轴功率见表4。

表4 一级泵站水泵电机功率计算表

由表4计算结果，并结合水泵工作点推求的单泵轴功率可知，最大轴功率即水泵在单泵运行时的轴功率满足水泵运行需要，并留有不小于5%的富裕度，满足规范要求，故所选电机是合适的，水泵泵型选择和电机选全满足设计要求。

4.3 泵站装置效率预测

本泵站的抽水装置主要由动力机、水泵、管路、出水池组成。泵站装置效率按下式计算：

η装=η泵η动η传η管

式中：η装为泵站装置效率，%；η泵为运行工况下水泵运行效率，%；η动为电动机的效率，取95%；η传为传动装置效率，直接传动，取值1；η管为进、出水管路效率，η管=H净/H总，%。

三座泵站水泵装置效率预测结果见表5。

表5 水泵装置效率预测

上述计算结果显示，各级泵站的装置效率达到规范要求的70%以上。根据实际情况结合国家规范要求，在招标时，应提高水泵效率要求，选择高效率的水泵，三级泵站的装置效率符合规范要求。

4.4 水泵安装高程

根据本阶段获得的厂家资料，并参照泵站工程的经验，安全余量系数k=1.1～1.5，本阶段取1.5；设计扬程下必需NPSH为4.2 m，一级泵站取水口处金沙江水位变幅为1398 m～1421 m，初步选定为浮船取水方式，船体可随江面水位变化升降，安装高程相应变化；结合浮船泵站总体结构布置设计并留有裕量后，本阶段初步确定水泵安装高程[9-10]高于水位1 m。二、三级泵站水泵安装高度公式计算(本文不做计算)。

5 结语

1)根据本工程情况，并联工况下，水泵流量能够满足提水要求，匹配较好，在水位变幅范围内三种工况下均能满足设计流量要求，且均在高效区运行，但是从计算结果和厂家的水泵特性曲线可以看出，水泵性能参数还可进一步优化。

2)水泵在单泵运行时的轴功率满足水泵运行需要，并留有不小于5%的富裕度，满足规范要求，水泵泵型选择和电机选全满足设计要求。

3)各级泵站的装置效率达到规范要求的70%以上。根据实际情况结合国家规范要求，在招标时，应提高水泵效率要求，选择高效率的水泵，三级泵站的装置效率符合规范要求。