竖井贯流泵装置在定波枢纽泵站中的应用分析

陈雪松，王 飞，张一祁，袁 尧，杨 帆

（1.江阴市徐霞客水利农机管理服务站，江苏 江阴 214407；2.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215100；3.扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225127；4.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017）

1 工程概况

锡澄运河定波水利枢纽工程是锡澄运河整治工程的重要组成部分，工程位于锡澄运河与长江交汇口处，是锡澄运河（黄昌河—长江段）整治工程通江口门的重要组成部分。定波水利枢纽泵站为排涝、引水双向泵站，设计排涝总流量为120 m3/s，其主要功能是“提高区域防洪除涝能力，兼顾区域供水和改善水环境”[1]。泵站运行水位组合见表1。定波水利枢纽工程主要功能是联合河道治理扩大区域洪水北排长江的能力，提高武澄锡虞区防洪除涝能力，增强区域引江能力和水资源调控能力，增强区域河网水动力，提高区域水环境容量。

表1 泵站运行水位组合表 m

泵站主要功能为排涝，兼顾引水，排涝设计扬程下须满足设计流量单机30 m3/s要求，引水工况下无设计流量要求。

2 泵装置结构型式的比选

结合GB 50265—2010《泵站设计规范》，根据本站的特征扬程、水位组合、泵站的任务及功能，选取立式轴流泵装置、斜式轴流泵装置和竖井贯流泵装置3种不同的贯流泵装置方案进行技术经济比较[3]。

2.1 立式轴流泵

立式轴流泵由于进出水流道分上下2层，且须满足泵站设计规范对出水流道淹没水深的要求，一般开挖深度较大，泵站部分及上下游连接段的土建投资也相应增大。泵站是双向泵站，每台立式轴流泵装置须配4扇门及启闭机，机电设备投资较大。

泵站排水工况设计净扬程为2.75 m，引水工况设计净扬程为1.44 m，属于低扬程泵站，立式泵在低设计扬程下效率较低，电机功率大、运行耗电高。另外，因水泵结构和安装水泵大轴等需要，立式泵主厂房高度较高，不适合本枢纽的景观要求。因此，立式泵不宜用于本泵站。

2.2 斜15°轴伸泵

斜式轴流泵是介于立式泵和卧式泵之间的一种泵型，兼有二者的优点。斜式轴流泵的装置效率较高，泵站的站身高度较立式泵站小，底板埋深小，土建费用相对较低。

采用斜式轴流泵的泵站可根据不同扬程选择不同的倾角，小倾角的斜式轴流泵可用于低扬程的泵站。根据本泵站的特征扬程可选择15°轴伸泵。国内已建成的斜式轴流泵站大多为大倾角的泵站，目前小倾角斜式轴流泵站较少。

2.3 竖井贯流泵

贯流泵技术引自贯流式水轮机，贯流泵因进出水池用泵贯穿而得名。流道只有收缩扩散，没有弯曲，因而具有较好的水力性能，具有较高的装置效率。贯流泵结构紧凑，泵房高度低，可以节约土建工程投资。贯流技术在水轮机中应用十分广泛，技术相当成熟，正在水泵行业中推广使用。

现分别从运行效率、维修方便程度、技术、经济等方面考虑[4-5]。从装置模型试验最高效率看，竖井贯流泵方案效率较高，运行费用略低。从维修方便程度看，3种泵型的电机、齿轮箱等设备均暴露在外，机组检修较为方便，而且设备的故障点在明处，可及时发现及时处理。从实际应用角度看，3种泵型研究应用时间不同，都或多或少地存在弊端，但程度不同：

（1）立式轴流泵方案土建投资、机电设备投资较大。设计扬程下难获得较高的效率，电机功率大、运行耗电高。另外立式泵主厂房高度较高，不适合本枢纽的景观要求。

（2）斜轴泵受力情况复杂，因此国内已建的运行时间较长的泵站出现轴承故障比较普遍，短期内仍将会影响这种泵型的应用。但这种故障点在明处，事前可预警，事后可就地检修，处置时间短。

（3）竖井贯流泵的机电设备均在狭小的竖井内，安装检修略有不便，设备的散热条件较其他方案差，但可以采取一些有效的措施来改善散热条件。

在运行管理比较中，安全可靠、维修方便是重点。在这方面，竖井贯流泵较好，立式轴流泵次之，斜轴泵较差。

立式轴流泵、斜15°轴伸泵和竖井贯流泵都有工程经验及可取之处。斜15°轴伸泵的轴承受力情况复杂，轴承易磨损问题比较突出，需要继续研究克服；立式轴流泵土建工程量增加，机电设备投资也较大，泵装置效率较低，立式泵主厂房高度较高；竖井贯流泵水流流态较平稳，流道水力损失小，装置效率较高，投资合理。目前江苏地区单机流量在30 m3/s的低扬程泵站也有采用竖井贯流泵的先例。因此推荐采用竖井贯流泵。

竖井贯流泵装置是一种常用的超低扬程贯流泵装置，广泛应用于我国南水北调东线工程及城市防洪排涝工程中[6]。竖井贯流泵装置将电机、齿轮箱安装于竖井中，流道中轴线从进口至出口呈直线形，流道顺直，流态较平稳，水力损失小，泵装置效率高，不但土建工程量小，施工也比较方便。双向竖井贯流泵装置可应用于抽排、引水相结合的综合运用工况，适合低洼地区的实际运用[7-9]。双向竖井贯流泵站的泵房剖面见图1。

图1 双向竖井贯流泵站的泵房剖面图

3 竖井贯流泵装置性能比较

3.1 模型试验系统

模型泵装置性能试验在江苏省水利动力工程重点实验室的高精度水力机械试验台上进行（见图2），综合不确定度为±0.39%，符合SL 140—2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》的精度要求。该试验台为立式封闭循环系统，管路总长为60.0 m，主体管道直径为0.5 m，仅在安装电磁流量计的前后10倍直管段为直径0.4 m管道，整个系统水体积为50 m3。

图2 高精度水力机械试验台图

物理模型试验按照GB/T 18149—2000《离心泵、混流泵和轴流泵水力性能试验规范（精密级）》和SL 140—2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》的规定要求进行。

3.2 试验结果

考虑叶轮直径均为3.2 m，以方案1引水工况为正向，泵装置原型性能曲线见图3～4。

图3 正向引水竖井贯流泵装置原型性能曲线图

图4 反向排涝竖井贯流泵装置原型性能曲线图

方案2排涝工况为正向，泵装置原型性能曲线见图5～6。

图5 正向排涝竖井贯流泵装置原型性能曲线图

图6 反向引水竖井贯流泵装置原型性能曲线图

双向竖井贯流泵装置特征扬程下性能见表2～3。

表2 特征扬程下双向竖井贯流泵装置的性能参数表 （方案1：以引水为正向）

表3 特征扬程下双向竖井贯流泵装置的性能参数 （方案2：以排涝为正向）

由表2～3可见，2个方案在设计扬程下均满足排涝流量要求，方案1比方案2在引水平均扬程下装置效率高2.0%，方案1引水流量大，相应须配较大电机功率。方案1汽蚀性能较差，最大NPSHre比方案2大1.66 m，理论叶轮中心淹没深度方案1须加深2.25 m。汽蚀性能差将带来运行噪音大、水泵大修周期短等问题。

综上，“调节水泵叶片角度”方案和“加大叶轮直径”方案均能使平均扬程下泵站装置效率提高，但“调节水泵叶片角度”方案性价比更高；排涝为正向方案更节能，但流量小，存在汽蚀性能略差、事故门布置的问题。

因此，综合考虑泵站总投资、泵装置综合性能、噪音要求、泵房结构布置情况，本阶段推荐采用以排涝为正向，调节叶片角度方案。叶轮直径为3.2 m，转速112 r/min，引水、排涝平均扬程下装置效率分别为57.3%、51.0%。

4 泵装置不同参数的比选

经分析定波枢纽泵站的特征扬程、水位组合及泵站的任务、功能，对不同正向运行功能、不同nD值、叶片调节方案进行分析，分析结果见表4。

表4 不同参数下泵装置性能结果分析

随着叶轮直径增大、nD值减小，无论以哪个工况为正向，其引水平均扬程下泵装置效率均有提高，但增值有限。叶轮直径加大，流道尺寸须加大，相应泵站土建、金属结构等投资明显增加。相同叶轮直径下，通过调节叶片角度，可明显提高引水平均扬程下泵装置效率，工程投资增加较小，性价比较高。

与叶轮直径3.0 m方案比较，叶轮直径3.2 m方案工程投资虽增加，但其泵装置效率提高后，节省的运行费用与增加的投资基本相当，且汽蚀性能明显优于3.0 m方案。当叶轮直径为3.2 m时，根据相似定律换算流道进出口处尺寸均为8.5 m×5.1 m（宽×高），进出口处设计流速为0.7 m/s，即流道进口处流速小于泵站设计规范推荐值。如选择更大叶轮直径，引水平均扬程下泵装置效率提高不明显，且流道进口处流速与规范推荐值偏离更远，工程投资增加。另外，选择叶轮直径为3.2 m方案，泵站宽度及底板长度均增加仅2.0 m，恰好能与泵站上下游侧的2座桥梁衔接。如选其他叶轮直径更大方案，则泵站站身很难与已设计好的2座桥梁桥台、桥墩衔接，且因泵站上下游处于2座桥之间，泵站站身长度增加后，将提高泵站施工难度。因此选择叶轮直径3.2 m。

5 结语

经过经济、技术比较，选用竖井贯流泵装置作为定波水利枢纽泵站的泵装置类型，并根据特性曲线分析确定了水泵的直径和转速及机组主要技术参数，明确了竖井式贯流泵系统比较适合定波水利枢纽泵站，该站的泵装置方案比选方法及泵装置型式可为同类泵站的初步设计提供一定的参考。