浅析多泥沙低扬程大变幅的水泵机组选型及抗泥沙磨蚀措施

唐林钧

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550081）

1 概述

目前,随着我国南水北调和黄河沿线水利工程的建设,促进了水泵技术快速发展,但泥沙含量较高的取水泵站尤其是黄河沿线水利工程,水泵仍面临着泥沙磨蚀的难题。对于多泥沙河流的取水泵站,在运行过程中水泵磨蚀严重,检修频繁,大大增加了运行维护费用。在设计阶段,需重点考虑水泵的防泥沙磨蚀措施,优化水泵选型,并从节能的角度合理选择水泵的运行方式,提高水泵的使用寿命。

某供水工程位于宁夏回族自治区,主要为城市及农村供水。旨在改善城乡饮用水水质,用安全可靠的新水源替换现有供水水源,为区域经济社会发展及群众生活生产用水提供水安全保障。

2 基本设计条件

本工程的主要任务是供水。泵站直接从河流中取水,泵站输水管道末端接入净水厂前池,采用两根管径为DN900 的钢管（球墨铸铁管）,单根管线长度12.4 km 接入新建的净水厂前池。在水厂经净化处理后向城市及农村供水。

泵站水泵机组共4 台,采用直线单排布置,副厂房集中于一端的布置方式。泵站按照近,远期相结合的原则进行设计,一期工程安装三台水泵,并给远期预留一台水泵位置。泵房主要由进水间、主泵房及安装间、副厂房、出水压力管道等建筑物组成。

规划水平年2025 年,泵站设计年取水量为2428 万m3；规划水平年2035 年,泵站设计年取水量3405 万m3；泵站规划设计水平年2025 年的设计引用流量为1.029 m3/s,泵站规划设计水平年2035 年的设计引用流量为1.43 m3/s。多年平均悬移质含沙量为4.02 kg/m3,年运行小时数约 6555 h。上游河流及出水池特征水位参数见表1。

表1 上游河流及出水池特征水位

根据计算,泵站在最高净扬程、设计净扬程、最低净扬程下的输水管道水力损失（含泵站内各阀门及管道水力损失）分别为22 m、23.6 m、10.5 m。综合考虑泵站近期和远期的设计流量,结合泵站确定泵站最高扬程为42.0 m、设计扬程为41.0 m、最低扬程为23.4 m。

3 水泵选型

3.1 水泵台数的选择

根据工程布置以及一、二期供水规模,供水工程的取水泵采用并联运行。根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010）,结合水泵选型参数,并联运行的水泵不宜超过4 台,但水泵台数也不宜太少,否则运行调度灵活性降低。本工程属于重要供水泵站,若设置4 台工作泵,则需设置2 台备用泵[1],投资高,明显不经济。因此,工作泵台数宜按2 台、3 台进行比选,备用泵设置1 台。根据远期设计的流量来选择水泵台数及型号,结合泵站的供水性质及后期运行期的维护并经技术经济比较后,泵站装设4 台水泵,其中3 台工作,1 台备用,单泵额定流量为0.477 m3/s。

根据以上原则,本阶段拟定两种机组台数方案进行技术经济比较,方案对比见表2。

表2 水泵台数比选

本泵站水泵必需汽蚀余量和水泵安装高程不制约水泵台数的选择。方案一3 台水泵方案单泵流量相对于方案二流量大一些,运行调度不够灵活。方案二4 台水泵方案单泵流量较小,运行调度灵活,更有利于满足近期和远期的供水流量需求,厂房土建和机电设备投资比方案一略高,但相差不大。综合考虑以上因素,本阶段基本选定方案二作为推荐方案,即泵站安装4 台水泵,其中3 台工作,1 台备用。

3.2 水泵型号的选择

根据本供水工程的特征扬程,结合工程布置条件、水泵结构型式和适用流量范围,可供选择的水泵型式为单级双吸卧式离心泵和单级双吸立式离心泵。单级双吸卧式离心泵和单级双吸立式离心泵均为单层布置方式。单级双吸卧式离心泵结构简单,机组安装检修及后期运行维护方便,工程投资较少。目前,国内同规模的水泵以卧式安装最为常见,生产和制造经验丰富。因此,本供水工程采用单级双吸卧式离心泵。

经咨询水泵生产厂家及查询相关资料,不同厂家的水泵机组主要技术参数比较见表3。

从表3 可以看出,A 型、B 型和C 型三种泵型均能满足本泵站供水需求。A 型水泵的效率较B、C 型水泵高,但转速高,最大必需汽蚀余量大,配套电机功率低,但考虑到本工程取水位置的多年平均悬移质含沙量较高,宜选择低一档的转速。C 型水泵的效率为81%,针对于本供水工程转速适宜,最大必需汽蚀余量小,但配套电机功率较A、B 型水泵高。B型水泵的效率虽稍低,但转速适宜,最大必需汽蚀余量小,对多泥沙取水泵站更有利,且配套电机功率低。因此,本阶段初步选定单级双吸卧式离心泵B 型作为代表泵型,配套电机功率为280 kW,总装机功率为1120 kW。

3.3 水泵运行方式

水泵运行方式主要分为工频运行及变频运行。工频运行就是在电网频率（我国一般为50 Hz）下运行,无论水泵在何种工况下运行,其实际转速接近电机额定转速。变频运行是指通过实时监测水泵出口信号,变频器根据反馈的信号使电网频率的交流电变成连续可调的交流电,从而通过联轴器改变水泵的转速[2]。

变频调节方式是通过调节电机转速,从而改变水泵特性,确保水泵在小流量低扬程下能够稳定运行,改善水泵空化性能的方式[3-4]。变频水泵机组虽投资大,但更能适应水泵的多种工况,通过改变转速来实现流量与扬程的匹配,减少扬程浪费,从而达到节能的目的[5-6]。还可以减少水泵机组在运行过程中因工况变化而引起的振动和噪音,有利于水泵安全稳定运行。

本供水工程处于平原地带,地势平稳,由于供水管线长,水力损失占水泵扬程的大部分,最大扬程与最小扬程比为42.0/23.4=1.79,在运行过程中扬程变幅较大,且一、二期流量变化大。经咨询相关厂家,工频运行无法实现,因此,采用“一对一”的变频调速运行方式,4 台水泵机组均需采用变频机组以尽可能满足较大的扬程变幅以及一、二期的流量变化。

3.4 水泵安装高程

在选型过程中,水泵的安装高程关乎到泵组的空化空蚀以及开挖深度。因此,在确定安装高程时,需要兼顾水泵机组的运行条件和工程投资,尤其是对于多泥沙河流,水泵运行条件差,过流部件受到泥沙长期冲刷,易产生汽蚀[7]。有关研究表明,对于汽蚀余量会因水泵运行条件的不同而有差异,对于在清水河流中汽蚀余量小,而在多泥沙河流中,汽蚀余量大一些。在水泵前期设计选型中,应高度重视安装高程的合理选取。

水泵安装高程是指水泵的基准面高程。本工程水泵型式为卧式离心泵,基准面为通过水泵轴线平面[8]。水泵安装高程按（1）式计算：

式中：H允吸为水泵的安装高程,m；为大气压力,m·H2O；为汽化压力,m·H2O；[NPSH]为许用汽蚀余量,m,其中[NPSH]=k×NPSH,k为安全系数；h为进水管的损失,m。

由（1）式可知,安装高程的取值与大气压力、汽化压力、进水管的损失以及许用的汽蚀余量有关。其中,大气压力、汽化压力与泵站所处的地理位置相关,一旦站址确定,相关的压力值也就确定了。而进水管的损失与进水管的管径、流速、长度有关,根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010）,合理选择进水管的流速及管径。

许用汽蚀余量与水泵生产厂家的制造水平相关,并结合取水泵站水源的不同水质,合理取值。对于取水水源为清水或者水质较好的中小型水泵,汽蚀安全裕量为0.3 m。根据《水泵及水泵站》中针对大型多泥沙水源泵站采取（1.1～1.3）NPSH。工程实践证明,在外部条件和进水池允许的前提下,离心泵进水宜选择自流的方式引至水泵进口,可以一定程度上减少水泵的磨损,即进水池的最低水位高于水泵的安装高程[9-10]。

水泵安装高程应按水泵运行所需要的最大吸上高度H允吸确定,取决于河流最低运行水位和水泵许用汽蚀余量。河流最低运行水位为1110.4 m,结合水泵的参数水平,根据厂家样本水泵必需汽蚀余量的推荐值,由于本供水工程在多泥沙河水源中取水,考虑一定的汽蚀安全裕量（安全系数取1.3）,则取水泵各种工况下水泵许用汽蚀余量的控制值为5.6 m,并考虑泵站海拔高度、进水系统水力损失等因素,以此来计算水泵安装高程[4]。根据工程布置,采用自流至水泵引水方式,更能满足水泵汽蚀要求。

3.5 抗泥沙磨蚀措施

本泵站直接从黄河取水,河流多年平均含沙量较高,且汛期多年平均含沙量达4.02 kg/m3。含沙量大不利于水泵机组的稳定运行,水泵机组长时间运行将会对过流部件的表面产生侵蚀、磨损、擦伤等危害,降低生产效率,增加维修成本。为了减轻泥沙对水泵磨蚀危害,可以从水泵的结构、转速、过流表面保护等方面采取防护措施[11]。

（1）水泵结构优化

对于多泥沙河流的取水泵站,对过流部件进行优化,提高蜗壳、叶轮等部件的锻造加工质量,确保过流表面光滑；密封环设计成耐磨型材质,提高抗泥沙磨蚀性能,减少密封处的间隙[12]。根据泵站的扬程及流量,采用中开式结构,更有利于水泵的检修维护,更换核心过流部件。泵体材质可选用性价比较高的铸钢,核心部件也可选用不锈钢以减少水泵在运转过程中的泥沙磨损；减少水泵结构间隙,泵体的空腔部位填充树脂等,增强泵体内部的密封效果,延长使用寿命。

（2）选择合适的转速

对于多泥沙河流的取水泵站,在水泵选型时应考虑转速的影响。转速越高,相对流速越大,在运行过程中水泵的过流部件受到的磨蚀也就越大。因此,在满足工程要求的前提下,选择低一档或者合适的转速有利于减少过流部件的磨蚀[13]。同时,对于扬程变幅较大的水泵,可以采用变频运行的方式来调节水泵转速,以减小叶轮出口线速度,降低对叶轮的磨损。

（3）采用抗磨蚀涂层和材质

在叶轮、密封环等过流部位进行喷涂耐磨蚀材料,减少由于在含沙量较大的水质中长期运行而产生的泥沙磨损。泵体选用硬度大,抗磨蚀性能好的材质,大大减少运行和维护费用,提高水泵使用寿命[14]。水泵厂家在生产制造时,应结合设计要求,严格控制铸件质量,提高过流表面的光滑度,减少泥沙与过流部件的摩擦力。

4 结语

对于泥沙含量大的取水泵站,水泵泥沙磨蚀是比较常见的问题。本工程扬程变幅大,泥沙含量高,在水泵选型上从运行方式、安装高程以及防泥沙磨蚀等几个方面出发,根据工程特点及基本设计条件,合理选择水泵型式及相关参数,优化结构设计,采用性能更高的抗泥沙磨蚀材料和材质以降低泥沙对水泵运行性能的影响,提高水泵的使用寿命。