老寨泵站单双向潜水贯流泵设计应用浅析

罗晓峰

（阜阳市水利水电建设集团有限责任公司 阜阳 236000）

1 工程概况

老寨涵建于1985年，位于颍泉区老寨沟口入黑茨河处，现状排水沟系已形成，是一座十分重要的水利工程，原设计的运行流量为5年一遇的除涝流量，大小为4.5m3/s，该工程为1孔砖拱涵2.1m×1.5m结构。通过局部水系调整，现计划将老寨涵位置处建筑物拆除并新建老寨泵站，该泵站将伍明镇北部受引江济淮影响现状排入茨淮新河的涝水，经老寨沟改入黑茨河，同时从黑茨河引水进入老寨沟，涵养沿岸地下水，为沿岸农业灌溉、水生态改善提供条件。

老寨泵站的设计排涝标准为5年一遇排涝流量，排涝时期内河侧设计水位为28.30m、最高运行水位29.00m、最低运行水位28.00m，外河侧设计水位为（5年一遇）29.86m、最高运行水位（20年一遇防洪期）31.50m、最低运行水位29.00m、设计流量17.55m3/s，最小、最大净扬程分别为0.86m 和3.50m；引水时期内河侧设计水位29.00m、最低运行水位28.50m，外河侧设计水位（5年一遇）27.00m、最高运行水位（10年一遇）28.00m、最低运行水位26.00m，设计流量4.0m3/s，最小、最大净扬程分别为0.5m 和3.00m；工程等别Ⅲ等。

2 水泵型式选择

老寨泵站同时具有排涝和引水双向运行功能，排灌净扬程范围在0.5～3.5m，水泵运行工况主要在1.5～3.0m 左右，属特低扬程泵站，可选用的泵型有：“X”型流道立式轴流泵和双向潜水贯流泵。

2.1 “X”型流道立式轴流泵特点

“X”型流道立式轴流泵属于传统泵型，快速闸门断流，通过节制闸、流道的调度转换，其设计制造技术成熟可靠，运行、管理经验丰富，电动机安装在地面上，运行维护方便，便于通风防潮，但因其进水和出水流道高差较大，出水流道必须在最低水位之下，因此轴流泵泵房底高程比贯流泵低，而本泵站具有流量大、扬程低的特点，如采用此泵型则泵房侧面的翼墙和泵站底板开挖深度较大，泵房高度较高，且装置效率低、耗电量多、年运行费用大，因此不推荐采用该类型立式轴流泵。

2.2 潜水贯流泵特点

潜水贯流泵是将潜水电机技术、贯流泵技术、密封技术、传感监控技术结合在一起而产生的整装式机电一体化产品，改变了传统贯流泵的结构形式，使机组更加紧凑，整机重量大大减轻，体积大大缩小，属节能降耗产品。

潜水贯流泵采用行星齿轮传动，提高潜水电机转速，减少电机极数；导叶体扩散角小，流态顺畅，效率高。潜水贯流泵改变传统贯流泵的结构形式，其流道顺直，型线简单，水流仅沿水泵和电机的轴线方向流动，无任何转弯曲折，扬程损失小，水泵装置水力效率较高，潜水贯流泵具有较大的过流能力。特别适用于低扬程、大流量泵站。本站扬程低于4m 且没有高水头挡洪要求，选用潜水贯流泵机组较合适。

3 水泵参数选择

老寨泵站规划设计引水流量4.0m3/s、排涝流量17.55m3/s，考虑到水泵实际出水能力与模型理论计算值可能会有一定的偏差，因此，水泵选型时留有一定余量，按总装机流量18m3/s 考虑。

根据规划双向运行条件和水机机型比选成果，老寨泵站排涝和引水流量相差大，推荐选用单向和双向潜水贯流泵结合布置方案。单向潜水贯流泵采用成熟的扬州大学“GL-2008-03”高效贯流泵模型，双向潜水贯流泵采用扬州大学“ZMS3.0”高效贯流泵模型。

3.1 水泵参数

该泵站最终选用1 台1400GZBWS 双向潜水贯流泵，单机配套电机355kW，2 台1350GZBW 单向潜水贯流泵，单机配套电机315kW，总装机1025kW。

水泵设计前期建立贯流泵的全参数化模型；控制模型变化，进行正反方向扬程、效率的多目标寻优；对贯流泵的参数进行设置，将整个贯流泵模型分为进水流道段、水泵段、出水流道段三部分，对正反流向工况进行仿真分析。

经模型装置试验，单向潜水贯流泵采用成熟的扬州大学“GL-2008-03”高效贯流泵模型，叶轮直径1350mm，转速268r/min，设计工况点扬程1.96m，设计工况点流量6.14m3/s，设计工况点装置效率75.0%，最高工况点扬程3.9m，最高工况点流量4.09m3/s，最高工况点装置效率64.0%；双向潜水贯流泵采用扬州大学“ZMS3.0”高效贯流泵模型，叶轮直径1350mm，转速290r/min，设计工况点扬程1.96m，设计工况点流量6.03m3/s，设计工况点装置效率65.0%，最高工况点扬程3.9m，最高工况点流量4.57m3/s，最高工况点装置效率57.3%。

“GL-2008-03”高效贯流泵模型综合性能良好，运行范围宽，适用于特低扬程泵站。试验表明，贯流泵比普通立式轴流泵泵效率提高约5%，流量提高10%以上。“ZMS3.0”高效贯流泵模型，正向整体水力性能较好，流道流态平顺；反向运行时，进水条件发生变化，水力性能稍差。

3.2 性能曲线

单向/双向潜水贯流泵安装布置图及各工况下的工作性能曲线如图1 所示。从工作性能曲线图上可以看出，方案的流量、扬程等均能满足规划参数要求。采用2 台1350GZBW 单向潜水贯流泵，单机配套电机315kW；选用1 台1400GZBWS 双向潜水贯流泵，单机配套电机355kW，通过改变双向泵电机相序方便实现灌溉需要，操作简单，有效节约综合投资。

图1 潜水贯流泵安装布置图及性能曲线图

4 过流部件选择及泵房设计

4.1 进出水流道

潜水贯流泵采用卧式布置，为干坑安装，安装应方便、快捷。潜水电机与水泵采用行星齿轮减速传动，机组导叶体后为双层圆筒组成，内层圆筒为潜水电机和行星齿轮箱壳体，外层圆筒与泵壳、导叶体联为一体，内外层筒体间为流道。水泵采用半调节方式。

进出水流道近似直线（流道顺直），进出水扬程（水力）损失小，泵站装置效率高（提高约5%左右），特别适用于低扬程、大流量泵站，相同工况下，电机功率配置小，运行费用低。

4.2 机组断流装置

潜水贯流泵站的断流装置有拍门或快速闸门等型式。新型的侧翻式拍门结构简单，开关方便，水力损失小；快速闸门的显著优点是闸门可以全开，阻力损失小，但闸门的开关很难与主机的开停同步。本次设计中，单向贯流泵采用侧翻式拍门断流方式，拍门采用新型侧翻式拍门，以降低运行时的水力损失及停机时的冲击力。双向出流贯流泵，因两侧流道均需断流，采用快速闸门。为安全起见在出水流道上设置一道快速事故闸门，以在拍门或快速闸门损坏时使用。

4.3 泵房结构

采用块基型结构的泵房。为满足水泵进水流态的要求，将水泵基础、泵房底板和进水流道共同浇筑在一起，流道呈封闭的有压进水，以加大泵房的整体性和稳定性，确保进水流态均匀和机组运行安全。潜水贯流电泵的安装方式为干坑安装，即将潜水贯流泵机组安放在干坑内，机组外部环境为空气，没有积水。这种潜水贯流泵两端分别设置可伸缩零件，即进水端伸缩节和出水端伸缩节，两伸缩节都必须确保留有一定的轴向调节余量，以确保安装潜水贯流泵空间的轴向长度大于潜水贯流泵的轴向长度。

土建基础开挖深度小，节省开挖量；可建成无泵房结构，节省土木工程费、建筑工程费，减少安装面积，缩短工期，泵站总投资可节省30%～40%。机组起吊高度小，泵房高度低，也可以采用汽车吊取代泵房内的固定式行车，建成无厂房结构，水工建筑简单，土建投资低。载荷分散，单位面积地基上所承载荷重小，适用于地基不良场合，在软土及流沙基础地区具有较大优势。设备集成化程度高，安装维护简单、便利。泵站运行条件好，机组散热好，噪音低，对环境影响小，运行管理方便，自动控制。采用整机起吊转向或改变电动机相序方式，可实现反向抽水，同时满足灌溉及排水要求。

5 结论

由于老寨泵站双向运行和特低扬程的特点，特别适合潜水贯流泵，且排涝和引水流量相差较大，通过方案比选，确定采用单向与双向潜水贯流泵相结合的设计方案，具有诸多优点，但设计过程中还需注意几个问题：（1）受水泵结构限制，只适合扬程较低，水位变幅很小的泵站，选用范围受到很大的影响。（2）泵站具有排涝和引水双向运行功能，断流方式是难点，闸门的开关很难与主机的开停同步。（3）采用“S”型对称叶片双向贯流泵和流道配合使用，通过改变电机转向实现泵站灌溉排涝功能的转换，运行方式简单，但是泵组造价高，正、反向运行性能差异较大，反向运行效率低■