双向一体化闸门泵的设计与应用

2022-04-16夏雪莲

陕西水利 2022年1期

钟兴，夏雪莲

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司,广东中山 528403）

1 引言

珠江三角洲是广东省内面积最大的平原,区域内水系、河网较多,且相互连通。暴雨时由于受到外河（江）水位的顶托,内河洪水不能顺利的排出,常出现水浸的现象。又由于地形较平缓,城市内河道的水动力不足,容易出现水体黑臭现象。目前珠江三角洲河道沿线兴建了许多泵站和水闸来达到水体交换的目的。但大部分都是采用传统的泵站水闸分离式方案,该方案具有工程占地较多、投资较高等缺点。本文针对珠三角地区内河涌水动力不足、土地征用困难的情况,设计出一种双向一体化闸门泵的水利设备,来达到水体交换的目的。

2 设计难点剖析

闸门作为水工构筑物的一项重要设备,可通过其调节孔口的开度,达到调节上下游水位和流量的目的,以获得防洪、灌溉、引水发电、通航等效益[1]。双向全贯流潜水电泵采用潜水电机、行星齿轮传动技术,叶轮采用“S”形叶片技术实现反向抽水,适用于扬程较小的泵站,其最大的特点是土建结构简单、机电设备投资少、流道效率高[2]。由于全贯流泵的水泵和电机为整体结构[3],拥有高度的集成性和密封性,后期运行时现场管理人员工作量较小,检修时只需要运用启闭设备将水泵整体返厂维修即可。从技术成熟角度分析,全贯流泵多应用于低扬程、大流量的泵站中[4]。

潜水闸门泵是将潜水电泵和闸门有效结合起来[5],水泵出口设置拍门装置,这种单向的闸门泵设备只具备挡水和正向排涝的功能,无法进行反向引水。因此,设计出一款具备挡水、引水和排水等多功能为一体的闸门泵设备,是当下平原地区城市内环境河道整治亟需解决的难题。

3 设计方案探讨

3.1 方案设计思路

传统的分离式泵闸布置方案的泵室和闸室分开,通过水闸和泵站配合调度满足挡水、引水、排涝的需求。该方案工程占地面积多、土建部分的投资大、机电室设备和金属结构设备数量较多、运行期间工作量和后期设备维护的工作量大。

单向全贯流闸门泵布置方案是将单向全贯流潜水电泵安装在闸门上,具体布置见图1。为满足排涝和引水的功能,则需要将闸门泵整体吊至检修平台后整体旋转转向180°,设计上需要考虑闸门顶部增加电动旋转装置[6],从而增加闸门启闭平台高程,旋转时需要的操作空间较大,闸门顶部只能采用单吊点型式,对于潜孔式闸门和宽高比大于1的露顶式闸门均不适用,且运行操作繁琐,后期运行管理复杂。

图1 单向全贯流闸门泵

在传统的分离式泵闸布置方案、单向全贯流闸门泵布置方案的基础上,通过方案布置优化、结构优化等方法,设计出一种双向一体化闸门泵的水利设备,即在闸门上安装双向全贯流潜水电泵,并在闸门面板侧安装闸阀或拍门断流,具体布置见图2。与传统的分离式泵闸布置方案相比,可减少内外河侧工作闸门的布置,断流设备可以采用闸阀,可以最大程度的减少机电设备数量,缩短闸室长度,减少土建投资；与单向全贯流闸门泵布置方案相比,可满足在不必启闭闸门的情况下即可实现水泵的正、反转,达到正向排涝和反向引水的目的。当然,这种布置方式也有一定的局限性,为避免水泵停机时反转,一体化泵闸水泵一般仅在平水状况下开机运行,且要求在水泵停机时,闸阀应在保护机组安全运行的前提下,在规定的时间内完全关闭。

图2 双向全贯流闸门泵

3.2 双向一体化闸门泵设计

双向一体化闸门泵设计时要求将双向全贯流潜水电泵和闸门有效整合为一个整体,设计时应从以下方面综合考虑。

（1）水泵选型

根据区域规划要求和水文计算结果,确定泵站设计排涝流量、设计扬程和最大扬程等特征参数,咨询国内有资质、有能力的设备制造厂家,根据水泵性能曲线,选取合适的水泵型号。所选水泵的流量、扬程等均应能满足工程建设的要求,再从性能曲线分析,水泵在最高扬程和最低扬程下,机组应能稳定运行,设计扬程运行时排水流量应能满足设计要求,且应在高效区运行[8]。

（2）门叶结构设计

目前国内的闸门结构设计一般推荐采用容许应力法进行结构验算[7],建议采用计算机三维有限元软件对闸门结构应力分析,尤其是与水泵连接部位进行强度计算分析,因为水泵运行时的振动较大,连接处较为薄弱。可采用BIM三维软件进行建模,便于后期图纸修改及泵闸重心调整,通过参数化和模块化的设计,与水工、建筑、结构以及电气专业之间进行碰撞检查,实现专业间数据的共享和协同设计。考虑到河道的水质情况,对于闸门止水螺栓、垫板、止轴板等易损件,可以采用不锈钢材质,避免后期维护时无法拆卸及更换。泵闸一般建议按静水启闭考虑,前后水头差不宜过大,避免启闭时整体晃动较大对水泵与闸门连接处造成不利影响,为减小启闭力,建议行走支承采用简支轮,侧向限位采用侧轮。可采用P型橡皮和L型橡皮组合的止水型式或双P型橡皮止水型式,实现闸门的双向止水,闸门面板开孔直径与水泵进口直径相互配合。在闸门面板侧安装手电两用不锈钢闸阀装置,闸门与闸阀之间设橡胶密封圈,实现机组停机后截断水流。为便于停电操作闸阀闭门,闸门顶部可设置操作平台和不锈钢栏杆。

（3）水泵与闸门连接设计

为便于以后闸门和水泵的拆卸及检修,闸门和水泵之间宜采用可拆卸的连接方式,即在闸门梁格侧焊接法兰盘,水泵与闸门梁格法兰盘之间采用螺栓连接,在法兰盘与闸门面板之间,靠水泵外侧焊接钢管,闸门水泵之间设橡胶密封圈,所有连接件均采用不锈钢材质。闸门与水泵整体吊点中心计算,且闸门制作完成后,须与水泵组装成整体进行试吊找重心,若重心有偏离,还需对闸门进行配重。

（4）启闭机选取

一体化泵闸启闭时内外河水头差较小,一般按静水启闭考虑,根据启闭力计算结果,并留有一定富余,选用标准型号的启闭机。根据相关的已建成并投入运行的单向闸门泵工程来看,闸门、水泵以及断流设备组装后重心会有调整,现场可能需要对闸门进行配重,闸门实际吊点中心与启闭平台吊物孔中心偏差较大,导致启闭机钢丝绳与吊物孔边缘混凝土摩擦,因此在设计启闭平台吊物孔时,建议吊物孔沿水流方向的尺寸可根据需要适当加大,便于闸门泵安装时进行微调。

（5）电气设备及布置

闸门泵控制柜及自动化监控屏布置在一体化泵闸上部启闭室内,泵闸设视频图像监视系统,在启闭室、内河侧、外河侧均有设置监视摄像机,在内外河侧均设置液位计,实时监测内外河侧的水位变化情况,可实现现地控制或远程控制水泵机组运行,并上传实时监测数据和设备运行状态及参数至云平台,使用户和设备厂家实现实时监控。

3.3 运行调度方式

双向一体化闸门泵在设计时需要满足以下运行条件：

（1）自排工况：当内河侧水位高于外河侧水位时,运用启闭设备将闸门泵设备提升至检修平台保持锁定,水从内河侧流入外河。

（2）挡水工况：当外河侧水位高于内河侧水位时,运用启闭设备将闸门泵设备解锁,并落下关闭闸孔,切断水流通道。

（3）改善水环境：由于区域内的河网纵横交错,内外河水位长期齐平,水体整体流动性较差,为改善水环境,闸门泵应能满足正向排水和反向引水的功能。

4 工程应用案例

珠三角某水浸黑点治理工程,地处珠江三角洲西南部。该地区河涌存在淤积严重、违章建筑物挤占河道、跨河建筑物缩窄河道,导致河涌过流断面缩小,过流能力降低；且中心城区主要河涌在枯水期时水量较少,部分河段存在露底、干涸的现象；部分河涌水质属于劣V类,水环境效果较差。为提高河涌水动力,改善水环境,在水浸黑点河涌河口附近新建12 处双向一体化泵闸。根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010）中有关规定,计算沿程水头损失和局部水头损失,水头损失计算结果见表1。

表1 各泵闸的水头损失计算结果表

根据计算结果可知,闸孔形式不同时各泵闸的水头损失值计算结果差异很小,故仅计算单孔4 m泵闸反向运行时的水头损失。以单孔4 m泵闸正、反向排水的水头损失计算各泵闸正向设计、最高及反向最高运行工况下的工况点,结果见表2。

表2 各泵闸正向设计、最高及反向最高运行工况下的工况点计算结果表

水泵均选用800 QGWZS-125J型潜水贯流电泵（双向排水）,单泵设计流量2.2 m3/s,单机功率75 kW,设计扬程1.30 m,最高扬程3.10 m,额定转速490 r/min,叶片+1°安装。水泵在设计扬程工况,效率66%,最高扬程工况,效率达75.1%,叶片+1°安装角情况下最高扬程工况单泵流量为2.10 m3/s,最高扬程仍在水泵性能曲线高效范围内,能够稳定运行。泵站正、反向运行工况下性能曲线见图3和图4。