南京市永宏泵站机组选型分析及CFD验证

2021-10-18王丽王乃刚彭兵开华东林旭石丽建

人民长江 2021年9期

王丽王乃刚彭兵开华东林旭石丽建

摘要：针对一些无法进行模型试验的中型泵站，合理的装置选型和水力模型选型对泵站的高效、安全、稳定运行具有重要的意义。以南京市永宏泵站为研究对象，分析了泵站主要设计参数，采用基于同类型泵站试验数据的新型选型方法，并通过数值计算来验证选型结论。结果表明：对于无法进行泵装置模型试验的泵站来说，采用基于同类型泵站试验数据的选型方法可以准确地预测水泵的运行角度，而且选型结果具有较高的准确度。研究成果对国内外中小型泵站工程的水泵选型具有一定的借鉴意义。

关键词：水泵选型;水泵模型;数值模拟;永宏泵站;南京市

中图法分类号：TH312

文献标志码：A

文章编号：1001-4179（2021）09-0155-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.025

0 引言

在南水北调、引江济淮、城市防洪排涝等大型调水工程中，泵站是十分重要的组成部分，而水泵选型是大型泵站工程可研阶段必须解决的重要问题。水泵选型的合理性与科学性，对泵站的安全、高效、稳定运行具有十分重要的意义。

目前，针对大型泵站工程轴流泵水力模型的选型研究已有了一些研究成果。梁金栋等[1]从水泵选型、汽蚀特性和能量性能3个方面讨论了大型低扬程泵站nD值的选取。洪伟等[2]针对淮河入海水道的大变幅扬程泵站，从水泵选型和运行控制方法2个方面进行了研究。何洪兵等[3]针对现代灌区用水泵，开展了科学的设计及水泵机组类型的选型研究。张锐[4]针对高扬程的抽水泵站，对水泵特征、机组数量、机组方案等进行了深入的探讨，并经过比选得到了合理的选型方案。以上水泵选型均根据泵站自身特点进行了相应的选型分析及比较，但很少涉及到相关的选型方法。目前，针对大型泵站工程水力模型选型的方法主要有以下2类：一类是等扬程加大流量法;另一类是等流量加大扬程法。之前，在大型泵站工程水泵选型时应用较多的是等流量加大扬程法，该方法直观、简单，但是选型结果使得水泵装置经常在偏工况下运行。随后，汤方平等[5]通过研究提出了等扬程加大流量法，该方法选型结果较等流量加大扬程法更为准确。闵京声等[6]对天津同台测试结果进行了整合分析，并编成软件开展了水力模型的比选。除了上述现有的成果以外，在水泵选型方面还有其他的一些研究成果[7-10]。

现阶段，虽然针对大型泵站工程的水力模型的选型有了一定的研究成果，但是选型基本上是从规范出发，选取对应的几个模型进行性能分析。本文针对南京永宏泵站的实际情况，提出了基于同类型泵装置优秀模型试验数据的新型选型方法，使得水泵选型更为准确。

1 工程概况

南京市永宏泵站的工程任务主要是提高两湖中部圩区排涝能力，保障圩区内人民群众生命财产安全，同时兼顾引水补湖（固城湖）。泵站设计流量为23.2 m3/s。永宏泵站采用块基型整体结构，位于原船闸位置处，主要功能是汛期将石固河涝水通过机排排入石臼湖，灌溉期引石臼湖水入石固河，非汛期视石臼湖水位，将石固河内涝水自排入石臼湖;排涝、灌溉设计流量均为23.2 m3/s，单机设计流量为5.8 m3/s。排涝工况特征水位如表1所列。

2 水泵装置型式比选分析

2.1 泵型选择原则

泵站设计流量为23.2 m3/s，泵站净扬程为2.84 m，属低扬程泵站。根据永宏泵站运行的特点和要求，以GB/T 502065-2010《泵站设计规范》为依据，从技术、经济等方面考虑，泵型的选择应遵循以下原则：

（1）广泛收集和整理与本站有关的泵型资料，充分利用国内现有的优秀水泵水力模型，优先选用天津试验台同台测试的模型，并在实际工程运用中具有国内领先水平的水力模型;

（2）机组设备先进，技术成熟，运行安全可靠，确保抽水保证率;

（3）水泵高效区范围宽，确保泵站各扬程工况下均能安全运行;

（4）水泵汽蚀性能好，保證机组在使用寿命期内检修次数少、性能退化慢;

（5）机组效率高，尽可能降低运行费用;

（6）机组安装、检修、维护方便，易于运行管理;

（7）与土建、电气、金结工程综合考虑，经济上合理，技术上可行;

（8）符合中国现行规程、规范的要求。

考虑到永宏泵站的特点，该泵站的设计扬程仅有2.84 m，属于低扬程泵站，但是需要同时实现排涝和灌溉的双向功能;而根据轴流泵系统分类图（见图1）可知：要想实现永宏泵站的功能，可选择的泵装置型式有立式双向流道泵装置、竖井贯流泵装置、S形轴伸贯流泵装置、灯泡贯流泵装置和全贯流泵装置。此外，永宏泵站最大扬程与设计扬程的比值达到了1.55，高于当前1.40的水平，因此，在水力模型比选时需要兼顾到最大扬程的运行要求。

2.2 水泵装置型式比选

立式双向流道泵装置当初是为了实现灌溉和排水相结合而设计的装置型式，由双层流道和快速闸门控制水流的流动方向，相较于其他的立式泵装置，其土建投资较大。开敞式立式轴流泵配双层涵洞式进出水流道是目前低扬程双向泵站上用得较多的一种结构形式，该结构能极方便地实现双向抽排水，因此在需要防洪、灌溉、引水等多种功能的泵站中得到了广泛使用，是中国泵站工程的一个创新。如泰州引江河泵站、望虞河泵站、白屈港泵站、张家港三干河泵站、四干河泵站、安徽蚌埠化家沟泵站等都选用了该泵装置结构形式。泵站采用开敞式立式轴流泵配双层涵洞式进出水流道，通过闸门控制实现双向抽水，在水力条件允许下还可以自排和自引。立式双向流道泵装置结构简单，水泵安装和检修都比较方便。此外，该立式轴流泵机组占地面积小，叶轮在水下，对防汽蚀有利，电动机安装高程位置调节范围大，防洪要求容易满足;同时，有利于节省设备费用，亦有利于缩短站房底板长度。这种装置型式的水泵出口因不用设置弯管而降低了泵装置的高度，水泵的安装高程比虹吸式、平直管出水流道高，减小了基坑开挖深度，而且出水流道结构简单，形状规则，便于施工。缺点是装置的水力损失偏大，泵站装置效率偏低。

永宏泵站在泵装置型式选择时，如果选择贯流泵机组，可以选择竖井贯流泵装置、S形轴伸贯流泵装置、灯泡贯流泵装置和全贯流泵装置。全贯流泵是将潜水电机技术与贯流泵技术相结合而产生的新型机电一体化产品。全贯流泵装置具有体积小、电机冷却效果好、安装方便等特点，但由于采用的是湿定子电机，电机位于叶轮外缘，维修不便，而且叶片角度无法调节，效率也较低。一般应用在场地要求比较高和城市急排领域。灯泡贯流泵装置是将电机安装在一个灯泡形状的金属壳体内，整个装置的结构比较紧凑。但是灯泡式贯流泵的结构较复杂，密封要求高，安装维修极不方便。淮安三站最早采用了灯泡贯流泵装置型式，装置的最高效率在70%左右。但淮安三站建设完成后，存在启动困难、效率偏低、运行管理不便等诸多问题。南水北调一期工程建设开工完成后，很少有泵站再选择灯泡贯流泵装置型式。因此，如果采用卧式泵装置型式来实现永宏泵站的功能，只能采用竖井贯流泵装置和S形轴伸贯流泵装置。因为泵站为双向泵站，贯流泵方案只能采用S形双向叶片，采用单向流道通过电机正反转达到双向运行的目的。南水北调一期工程的邳州竖井贯流泵站建成以来，竖井贯流泵站像雨后春笋般的发展起来。据不完全统计，中国南水北调工程建设开工以来新建的约200座大中型泵站中，竖井贯流泵站约有30座，在低扬程泵站中应用更为明显。

从水力特性上来看，当前大型低扬程立式双向流道泵装置最高运行效率在72%左右，而且使用的是单向轴流泵叶轮，无论是灌溉还是排涝，其运行效率是一致的。而采用竖井贯流泵装置型式时，必须采用S 形双向叶轮来实现灌溉和排涝的功能。大型低扬程竖井贯流泵装置正向最高运行效率可以达到75%，但是反向运行效率非常低，比正向运行要低10%以上。从运行管理角度来看，立式泵装置运行管理技术较为成熟，具有丰富的运行管理经验，而且立式轴流泵便于现场检修。在对泵装置型式进行综合比较的基础上，推荐采用立式双层流道泵装置型式。

3 水泵选型

主泵的台数应根据工程的重要性、运行条件及年运行小时数来确定。该工程的主要功能为排涝，考虑到运行的可靠性，主泵台数不宜少于3台。该工程年运行时间较短，主泵台数过多，一次性投资较大，后期设备维护成本较高。根据工程自身情况以及与蛇山抽水站联合运行的可能性，本次机组台数拟定4台/套，单机流量为5.80 m3/s;叶轮直径确定为1 350 mm，转速为295 r/min。

3.1 等流量加大扬程选型方法

水泵的选型应满足一定设计标准内供排水的要求，以及应满足运行效率高、安全和汽蚀性能好的要求。等流量加大扬程选型方法是根据泵站的净扬程来估算装置的损失扬程，最后得到装置的总扬程。若泵装置设计点为A点（Qz，Hz），泵站装置扬程的计算公式如下：

根据装置扬程和损失扬程的结果，可以确定泵段曲线上对应的设计工况点为B点，在水泵选型时，需要使得B点位于泵段性能曲线的高效区。假设B点为泵段曲线的最高效率点，但是通过对泵段和泵装置性能曲线的比较可以发现，若泵段性能最高效率工况点在B点，对应的装置上最高效率工况点应该在C点（见图2），而装置的最高效率C点离泵站设计工况A点较远，因此这种选型结果会使得泵站长期处于非高效区运行。但对于高扬程泵站，管路损失较小，则图2中的C点和A点相差不大，因此可采用等流量加大扬程的选型方法;但是对于低扬程泵站，管路损失占比较大，该选型方法则不适用，其劣势明显。

3.2 等扬程加大流量的选型方法

等扬程加大流量的选型方法改善了等流量加大扬程法的弊端，对于低扬程泵站可以选出更为合理的水力模型。在泵站设计点为A（Qz，Hz），扬程保持不变的条件下，增大一定的流量进行选型。Qp=Qz+ΔQ，根据加大流量后的B点来选泵，装置的最高效率工况C点与A点的差别就会较小（见图3）。该选型方法的关键在于确定ΔQ 的大小，并且管路损失越大，流量增加的就越多。但是ΔQ的大小只能粗略估算，而且不同的泵裝置对应的是不同的ΔQ值。

3.3 基于同类型装置模型试验数据的选型方法

无论是等流量加大扬程法还是等扬程加大流量法，其本质都是在天津同台测试泵段试验数据的基础上得到的。但现有泵装置模型试验表明，泵段加上进出水流道得到的泵装置的水力性能与泵段（天津同台测试的性能）有较大的差别，在这种情况下，无法准确得到现有泵站的选型最优结果。对于永宏泵站这种中型泵站而言，叶轮直径为1.35 m，根据相关规范要求可以不进行装置模型试验。因此，其叶片角度的确定更多是依赖于水泵选型的结果。采用等流量加大扬程方法对于高扬程泵选型准确度尚可，对于永宏泵站这种低扬程泵站显然不适合。而采用等扬程加大流量法，可以根据泵段试验结果来较为粗略地估算其运行角度，但准确度不高，而且装置效率只能是参照使用该水力模型的相关泵站的装置效率来粗略估算。

大量的试验结果表明：不同叶轮在同一装置下的水力损失与同一叶轮在不同装置下的水力损失相比，叶轮的影响明显大于装置型式的影响，因此在利用现有水泵模型装置的试验成果进行水泵选型时，应选用具有相同水泵模型的模型装置。即：在水泵选型时，既要保证所选的水力模型是一致的，又要保证采用的装置型式是一致的。这样选出来的水力模型即使不进行模型试验验证，通过相似换算也能得到比较准确的运行效率和运行角度。

根据永宏泵站的功能及运行水位等参数要求，经过对部分天津试验台水力模型和国内优秀水力模型的初步比选，选择TJ04-ZL-07号和TJ04-ZL-23号模型进行比选，根据比选结果，择优选择水力模型。模型泵的主要性能参数如表2所列。

由表2可以看出：TJ04-ZL-07号和TJ04-ZL-23号模型水泵性能指标达到设计要求，汽蚀性能好，高效区范围较宽。而且2种水力模型在国内大型泵中已被多次采用，并证明其具有良好的运行可靠性。

由于开敞式立式轴流泵配双层涵洞式进出水流道泵装置的流道水力损失难以估算，因此采用类似泵装置模型试验成果进行泵装置选型更为可靠。

常熟水利枢纽采用的是TJ04-ZL-07号水力模型，且泵装置型式为立式双向流道泵装置;化家沟泵站采用的是TJ04-ZL-23号水力模型，且泵装置型式为立式双向流道泵装置。根据相似换算规律，将采用TJ04-ZL-07号模型的常熟水利枢纽泵站模型的装置性能曲线和采用TJ04-ZL-23号模型的装置性能曲线换算成永宏泵站的设计参数。性能曲线分别如图4和图5所示，永宏泵站装置的性能参数如表3所列。

通过对永宏泵站泵装置性能的对比可知：在设计扬程和最大扬程工况下，TJ04-ZL-23泵装置的效率均优于TJ04-ZL-07泵装置的效率;TJ04-ZL-23水泵在最高扬程工况下运行时，离马鞍区更远，泵站运行更可靠且TJ04-ZL-23汽蚀性能更优。综上所述，永宏泵站拟推荐采用TJ04-ZL-23号水力模型。

4 选型结果CFD验证

根据永宏泵站的水位资料及初步设计泵站平面图和泵站剖面图，对箱涵式进水流道、箱涵式出水流道、叶轮和导叶体等部件进行三维实体建模。泵装置三维模型如图6所示。轴流泵叶轮为选用的TJ04-ZL-23水力模型，导叶体为配套导叶，叶轮叶片数为3片，导叶叶片数为5片。

通过mesh软件，对泵装置箱涵式进水流道和出水流道进行非结构化网格划分，结果表明：网格质量较好，能够满足计算要求。对叶轮和导叶体在Turbo-Grid中进行了结构化网格划分，结果表明網格质量良好。经网格无关性验证，最终整个计算域网格数在480万左右。

箱涵式泵装置在初始方案的基础上，主要针对进水流道喇叭管、进水流道导水锥、出水流道喇叭管和出水流道导流墩4个部件的尺寸进行了优化设计，本次数值计算采用最终优化设计的流道尺寸。永宏泵站的泵装置数值计算参数主要有：设计流量为5.8 m3/s、设计扬程为2.84 m、最高扬程为4.4 m、叶轮直径为1.35 m、转速为295 r/min。将最终的流道设计方案进行数值模拟计算，计算工况包括有3.0，3.4，3.8，4.2，4.6，5.0，5.4，5.8，6.2，6.6 m3/s和7.0 m3/s。将计算结果与选型结果进行了对比，如图7所示。

水泵选型是针对设计工况选择的，同时需要兼顾到最高扬程的运行要求。根据上述选型结果可知：在设计扬程为2.84 m时，流量为6.20 m3/s，装置效率为69.0%。而通过数值模拟计算结果插值可知：在设计扬程为2.84 m时，流量为6.05 m3/s，装置效率为71.5%，流量误差为2.48%，效率误差为2.5%。整体而言，选型误差较小，而且能够确定永宏泵站的运行角度。

5 结论

（1）在对低扬程泵站工程的水泵选型时，应该先进行泵站装置型式的比选分析，再采用等扬程加大流量法或者基于相同装置型式相同的水力模型试验数据进行选型。特别是对于叶轮直径低于1.6 m不做水泵装置模型试验的泵站，建议采用后者选型方法进行水泵选型。

（2）基于相同装置型式和相同水力模型试验数据的选型方法，可以准确地确定泵站水泵的运行角度，对于叶片角度不可调节或半调节的泵站而言具有较大的优势，而且该选型方法具有较高的准确度。

参考文献：

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