□張超男(河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司)
南水北調(diào)中線工程主要由總干渠主體工程、總干渠分水口門至城市自來水廠入口之間的供水配套工程、城市水廠及管網(wǎng)工程三部分組成。其中供水配套工程上接總干渠,下連城市水廠,擔(dān)負(fù)著承上啟下的輸水任務(wù)。
河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程16號任坡分水口門位于禹州市梁北鎮(zhèn)任坡村附近,分別向禹州市新規(guī)劃水廠和神垕鎮(zhèn)水廠供水,口門分配流量2.00m3/s。向禹州市新規(guī)劃水廠輸水采用重力流輸水方式,設(shè)計流量為1.50m3/s。向神垕鎮(zhèn)水廠供水需要在分水口門后修建任坡提水泵站,采用泵站加壓輸水的方式,設(shè)計流量為0.50m3/s。
根據(jù)河南省黃河南南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程16號口門的基本資料,通過對泵站工程規(guī)劃布置,由規(guī)劃提供的泵站水力資料:泵站進(jìn)水池最高水位126.80m,設(shè)計水位126.16m,最低水位125.55m;泵站出水池水位238m;泵站提水流量0.50m3/s。
根據(jù)泵站進(jìn)水池水位和出水池水位資料,泵站在不同進(jìn)水池水位和出水池水位工況下組合不同的揚(yáng)程,為合理選擇水泵型式并滿足泵站出現(xiàn)的各種工況,由此確定泵站最大凈揚(yáng)程112.45m,設(shè)計凈揚(yáng)程111.84m,最小凈揚(yáng)程111.20m。水泵選型的原則是在設(shè)計揚(yáng)程下滿足設(shè)計流量且效率最高,并兼顧到泵站的最大、最小揚(yáng)程工況。根據(jù)泵站提水流量和泵站出水管會管后采用管徑DN800mm、長16270m一條球墨鑄鐵輸水管的布置形式,由泵站設(shè)計凈揚(yáng)程和輸水管路長度,采用海曾—威廉公式計算輸水管路沿程損失,輸水管路的局部損失按沿程損失的20%計,并考慮泵站內(nèi)管路損失和揚(yáng)程有2m的富余量,通過計算,泵站最大揚(yáng)程為142.40m,設(shè)計揚(yáng)程為141.80m,最小揚(yáng)程為141.20m。
根據(jù)泵站總揚(yáng)程和提水流量,其揚(yáng)程高,流量小,適合該泵站的水泵型式為雙吸離心泵和多級離心泵。這兩種離心泵均為低比轉(zhuǎn)速水泵,同尺寸雙吸離心泵單臺提水流量比多級離心泵要大,且效率相對較高,因此水泵型式采用雙吸離心泵。
在泵站供水總流量確定后,泵站裝機(jī)臺數(shù)不宜過多,水泵臺數(shù)的多少直接影響到泵型的選擇、泵站工程投資以及建成后的運(yùn)行管理費(fèi)用等。水泵臺數(shù)少,則選擇的泵型就大,反之就小。大泵與小泵相比,效率高,能源消耗、運(yùn)行費(fèi)用和土建投資較省,管理也較方便。為避免開發(fā)新型水泵,減少研發(fā)費(fèi)用,節(jié)約工程投資,在水泵選型上應(yīng)立足于現(xiàn)有產(chǎn)品。根據(jù)泵站提水流量,同時考慮輸水線路的數(shù)量,而且《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB/T50265)規(guī)定“并聯(lián)運(yùn)行臺數(shù)不宜超過四臺。”其原因并聯(lián)臺數(shù)愈多,水泵揚(yáng)程變化范圍愈大,對水泵的流量和效率影響越明顯,流量增大,效率降低。同時,《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB/T50265)規(guī)定泵站裝機(jī)臺數(shù)不少于3臺,且裝機(jī)臺數(shù)包括工作泵和備用泵,也就是說泵站工作泵的臺數(shù)不少于2臺。因此,泵站工作泵臺數(shù)按2臺、3臺和4臺進(jìn)行比較其工況范圍、工作效率。結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的廠家產(chǎn)品,根據(jù)泵站設(shè)計參數(shù),工作泵2臺時選定水泵型號為OTS250-800A/1-2, 工作泵 3 臺時選定水泵型號為KQSN300-N3/685, 工作泵 4 臺時選定水泵型號為KQSN200-M5/355。
裝機(jī)2臺、3臺和4臺時其機(jī)組性能比較:第一,在水泵最高效率工況點(diǎn),裝機(jī)2臺總提水流量大于規(guī)劃提水流量,裝機(jī)3臺總提水流量與泵站規(guī)劃提水流量相當(dāng),兩者均滿足提水流量的要求,裝機(jī)4臺流量偏小于泵站規(guī)劃提水流量;第二,裝機(jī)2臺、3臺時,水泵最高效率點(diǎn)對應(yīng)的水泵揚(yáng)程與泵站設(shè)計揚(yáng)程比較一致,裝機(jī)4臺時,水泵揚(yáng)程與泵站設(shè)計揚(yáng)程相差5m左右;第三,水泵最高效率工況點(diǎn)和效率范圍,2臺最高,4臺次之,3臺最低。第四,泵站裝機(jī)容量,2臺和4臺均為1260kW,容量最少,3臺1500kW,容量較大;第五,對于水泵并聯(lián)運(yùn)行,在提水揚(yáng)程不變的情況下,并聯(lián)水泵的提水流量要小于單臺水泵提水流量,因此,裝機(jī)2臺機(jī)組更能滿足泵站提水流量的要求;第六,從投資來講,通常情況下泵站臺數(shù)少,投資就少,因此,裝機(jī)2臺投資最少,4臺最大。
通過以上綜合對比分析,泵站工作泵裝機(jī)2臺的綜合性能較為優(yōu)越,因此,泵站采用裝機(jī)2臺,水泵型號為OTS250-800A/1-2,流量0.22~0.26~0.29m3/s,揚(yáng)程152~142~132 m。水泵型號OTS250-800A/1-2是指水泵轉(zhuǎn)輪直徑介于663~612mm之間,即對663mm的轉(zhuǎn)輪適當(dāng)切削,流量和揚(yáng)程滿足設(shè)計要求。水泵的性能曲線見圖1。
圖1 OTS250-800A型水泵性能曲線圖
根據(jù)受水點(diǎn)的重要性和調(diào)節(jié)能力,受水點(diǎn)為供水水廠,機(jī)組的利用小時數(shù)較高,泵站與供水水廠間無水量調(diào)節(jié)蓄水池,為保證供水的可靠性及機(jī)組檢修的方便,增設(shè)一臺備用水泵,備用泵性能參數(shù)與工作泵一致,且互為備用。因此,任坡泵站共裝機(jī)3臺,兩用一備。
電機(jī)容量選擇是否合適關(guān)系到整個泵站是否能夠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。電機(jī)容量偏小,造成電機(jī)長期過載運(yùn)行,易燒毀電機(jī)。電機(jī)容量偏大,即儲備系數(shù)偏大,電機(jī)負(fù)載率偏低,電機(jī)效率也隨之降低,造成機(jī)組運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。通常與水泵配套的電動機(jī)的輸出功率應(yīng)大于水泵軸功率。電動機(jī)所具有的輸出功率P配按下面公式計算:
式中:P配—電動機(jī)的輸出功率(kW);H—水泵最不利工作揚(yáng)程(m);Q—水泵在最不利工作揚(yáng)程下的流量(m3/s);η泵—水泵在最不利工作揚(yáng)程下的效率(%);η傳—傳動效率(%);K—功率備用系數(shù),K取值≥1.05。
對于水泵配套的電機(jī)容量,水泵生產(chǎn)廠家均已配套,只要復(fù)核一下廠家配套的電機(jī)容量是否滿足要求即可。通常情況下,直接采用水泵廠家配套的電機(jī)。根據(jù)以上原則,選定的電機(jī)型號為Y4506-4,電機(jī)容量630kW,電壓等級10kV,電機(jī)轉(zhuǎn)速1485 r/min。
根據(jù)泵站電機(jī)型號及參數(shù),水泵配套電機(jī)選用Y系列鼠籠異步電動機(jī)。按泵站設(shè)計規(guī)范(GB/T50265)規(guī)定“主電動機(jī)的單機(jī)額定容量在630kW及630kW以上時,宜用同步電動機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償”,但此泵站電動機(jī)容量為630kW 仍采用異步電動機(jī),基于以下分析:
第一,隨著電力工業(yè)飛速的發(fā)展,電力系統(tǒng)容量成倍增加,電網(wǎng)質(zhì)量不斷提高,大型電動機(jī)在電網(wǎng)中占的比例相對比較少,電動機(jī)運(yùn)行狀況不會嚴(yán)重影響電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量;第二,國內(nèi)制造的補(bǔ)償電容器技術(shù)有了很大提高,電動機(jī)的就地補(bǔ)償技術(shù)得到廣泛運(yùn)用和推廣,同時異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高,功率因數(shù)達(dá)0.86,通過電容補(bǔ)償易使供電母線端的功率因數(shù)達(dá)到供電部門0.90以上的要求;第三,同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子采用繞線結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子線圈線間絕緣容易發(fā)生故障,而異步電動機(jī)采用銅條鑄造,沒有線圈,故障率低,從價格上比較,異步電動機(jī)比同步電動機(jī)低廉;第四,同步電動機(jī)配套電氣設(shè)備、保護(hù)設(shè)備比較復(fù)雜,特別是勵磁裝置屬復(fù)雜電子設(shè)備,技術(shù)要求高,容易發(fā)生故障,安裝調(diào)試工作量很大,異步電動機(jī)配套電氣設(shè)備僅為電容補(bǔ)償裝置,該裝置比較簡單,工作比較可靠,安裝維護(hù)工作量都很??;第五,從運(yùn)行管理上分析,同步電動機(jī)配備的勵磁裝置,其功能是啟動時牽入同步,運(yùn)行中調(diào)節(jié)功率因數(shù),保持同步,防止失步,停機(jī)時釋放轉(zhuǎn)子能量,進(jìn)行滅磁等等,啟動、停機(jī)和運(yùn)行過程比異步電動機(jī)復(fù)雜的多,日常運(yùn)行管理也需要配備較高水準(zhǔn)的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作和維護(hù),異步電動機(jī)沒有勵磁裝置,一般技術(shù)工人都可以進(jìn)行管理和維護(hù)。
基于上述考慮,電動機(jī)仍采用異步鼠籠式電動機(jī)。
根據(jù)16號口門任坡泵站水力資料,最終確定泵站共裝機(jī)3臺,兩用一備,水泵型號OTS250-800A/1-2,水泵流量0.22~0.26~0.29m3/s,揚(yáng)程152~142~132m。電機(jī)采用異步鼠籠式電動機(jī),其型號為Y4506-4,電機(jī)容量630kW,電壓等級10kV,電機(jī)轉(zhuǎn)速1485r/min。
[1]姜乃昌.泵與泵站[M].北京:中國建筑工業(yè)出版設(shè),2007.
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