王麗 王乃剛 彭兵 開華東 林旭 石麗建

摘要：針對一些無法進(jìn)行模型試驗(yàn)的中型泵站，合理的裝置選型和水力模型選型對泵站的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。以南京市永宏泵站為研究對象，分析了泵站主要設(shè)計(jì)參數(shù)，采用基于同類型泵站試驗(yàn)數(shù)據(jù)的新型選型方法，并通過數(shù)值計(jì)算來驗(yàn)證選型結(jié)論。結(jié)果表明：對于無法進(jìn)行泵裝置模型試驗(yàn)的泵站來說，采用基于同類型泵站試驗(yàn)數(shù)據(jù)的選型方法可以準(zhǔn)確地預(yù)測水泵的運(yùn)行角度，而且選型結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。研究成果對國內(nèi)外中小型泵站工程的水泵選型具有一定的借鑒意義。

關(guān) 鍵 詞：水泵選型;水泵模型;數(shù)值模擬;永宏泵站;南京市

中圖法分類號：TH312

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0155-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.025

0 引 言

在南水北調(diào)、引江濟(jì)淮、城市防洪排澇等大型調(diào)水工程中，泵站是十分重要的組成部分，而水泵選型是大型泵站工程可研階段必須解決的重要問題。水泵選型的合理性與科學(xué)性，對泵站的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行具有十分重要的意義。

目前，針對大型泵站工程軸流泵水力模型的選型研究已有了一些研究成果。梁金棟等[1]從水泵選型、汽蝕特性和能量性能3個方面討論了大型低揚(yáng)程泵站nD值的選取。洪偉等[2]針對淮河入海水道的大變幅揚(yáng)程泵站，從水泵選型和運(yùn)行控制方法2個方面進(jìn)行了研究。何洪兵等[3]針對現(xiàn)代灌區(qū)用水泵，開展了科學(xué)的設(shè)計(jì)及水泵機(jī)組類型的選型研究。張銳[4]針對高揚(yáng)程的抽水泵站，對水泵特征、機(jī)組數(shù)量、機(jī)組方案等進(jìn)行了深入的探討，并經(jīng)過比選得到了合理的選型方案。以上水泵選型均根據(jù)泵站自身特點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的選型分析及比較，但很少涉及到相關(guān)的選型方法。目前，針對大型泵站工程水力模型選型的方法主要有以下2類：一類是等揚(yáng)程加大流量法;另一類是等流量加大揚(yáng)程法。之前，在大型泵站工程水泵選型時應(yīng)用較多的是等流量加大揚(yáng)程法，該方法直觀、簡單，但是選型結(jié)果使得水泵裝置經(jīng)常在偏工況下運(yùn)行。隨后，湯方平等[5]通過研究提出了等揚(yáng)程加大流量法，該方法選型結(jié)果較等流量加大揚(yáng)程法更為準(zhǔn)確。閔京聲等[6]對天津同臺測試結(jié)果進(jìn)行了整合分析，并編成軟件開展了水力模型的比選。除了上述現(xiàn)有的成果以外，在水泵選型方面還有其他的一些研究成果[7-10]。

現(xiàn)階段，雖然針對大型泵站工程的水力模型的選型有了一定的研究成果，但是選型基本上是從規(guī)范出發(fā)，選取對應(yīng)的幾個模型進(jìn)行性能分析。本文針對南京永宏泵站的實(shí)際情況，提出了基于同類型泵裝置優(yōu)秀模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的新型選型方法，使得水泵選型更為準(zhǔn)確。

1 工程概況

南京市永宏泵站的工程任務(wù)主要是提高兩湖中部圩區(qū)排澇能力，保障圩區(qū)內(nèi)人民群眾生命財產(chǎn)安全，同時兼顧引水補(bǔ)湖（固城湖）。泵站設(shè)計(jì)流量為23.2 m3/s。永宏泵站采用塊基型整體結(jié)構(gòu)，位于原船閘位置處，主要功能是汛期將石固河澇水通過機(jī)排排入石臼湖，灌溉期引石臼湖水入石固河，非汛期視石臼湖水位，將石固河內(nèi)澇水自排入石臼湖;排澇、灌溉設(shè)計(jì)流量均為23.2 m3/s，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為5.8 m3/s。排澇工況特征水位如表1所列。

2 水泵裝置型式比選分析

2.1 泵型選擇原則

泵站設(shè)計(jì)流量為23.2 m3/s，泵站凈揚(yáng)程為2.84 m，屬低揚(yáng)程泵站。根據(jù)永宏泵站運(yùn)行的特點(diǎn)和要求，以GB/T 502065-2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮，泵型的選擇應(yīng)遵循以下原則：

（1）廣泛收集和整理與本站有關(guān)的泵型資料，充分利用國內(nèi)現(xiàn)有的優(yōu)秀水泵水力模型，優(yōu)先選用天津試驗(yàn)臺同臺測試的模型，并在實(shí)際工程運(yùn)用中具有國內(nèi)領(lǐng)先水平的水力模型;

（2）機(jī)組設(shè)備先進(jìn)，技術(shù)成熟，運(yùn)行安全可靠，確保抽水保證率;

（3）水泵高效區(qū)范圍寬，確保泵站各揚(yáng)程工況下均能安全運(yùn)行;

（4）水泵汽蝕性能好，保證機(jī)組在使用壽命期內(nèi)檢修次數(shù)少、性能退化慢;

（5）機(jī)組效率高，盡可能降低運(yùn)行費(fèi)用;

（6）機(jī)組安裝、檢修、維護(hù)方便，易于運(yùn)行管理;

（7）與土建、電氣、金結(jié)工程綜合考慮，經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行;

（8）符合中國現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范的要求。

考慮到永宏泵站的特點(diǎn)，該泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程僅有2.84 m，屬于低揚(yáng)程泵站，但是需要同時實(shí)現(xiàn)排澇和灌溉的雙向功能;而根據(jù)軸流泵系統(tǒng)分類圖（見圖1）可知：要想實(shí)現(xiàn)永宏泵站的功能，可選擇的泵裝置型式有立式雙向流道泵裝置、豎井貫流泵裝置、S形軸伸貫流泵裝置、燈泡貫流泵裝置和全貫流泵裝置。此外，永宏泵站最大揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程的比值達(dá)到了1.55，高于當(dāng)前1.40的水平，因此，在水力模型比選時需要兼顧到最大揚(yáng)程的運(yùn)行要求。

2.2 水泵裝置型式比選

立式雙向流道泵裝置當(dāng)初是為了實(shí)現(xiàn)灌溉和排水相結(jié)合而設(shè)計(jì)的裝置型式，由雙層流道和快速閘門控制水流的流動方向，相較于其他的立式泵裝置，其土建投資較大。開敞式立式軸流泵配雙層涵洞式進(jìn)出水流道是目前低揚(yáng)程雙向泵站上用得較多的一種結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)能極方便地實(shí)現(xiàn)雙向抽排水，因此在需要防洪、灌溉、引水等多種功能的泵站中得到了廣泛使用，是中國泵站工程的一個創(chuàng)新。如泰州引江河泵站、望虞河泵站、白屈港泵站、張家港三干河泵站、四干河泵站、安徽蚌埠化家溝泵站等都選用了該泵裝置結(jié)構(gòu)形式。泵站采用開敞式立式軸流泵配雙層涵洞式進(jìn)出水流道，通過閘門控制實(shí)現(xiàn)雙向抽水，在水力條件允許下還可以自排和自引。立式雙向流道泵裝置結(jié)構(gòu)簡單，水泵安裝和檢修都比較方便。此外，該立式軸流泵機(jī)組占地面積小，葉輪在水下，對防汽蝕有利，電動機(jī)安裝高程位置調(diào)節(jié)范圍大，防洪要求容易滿足;同時，有利于節(jié)省設(shè)備費(fèi)用，亦有利于縮短站房底板長度。這種裝置型式的水泵出口因不用設(shè)置彎管而降低了泵裝置的高度，水泵的安裝高程比虹吸式、平直管出水流道高，減小了基坑開挖深度，而且出水流道結(jié)構(gòu)簡單，形狀規(guī)則，便于施工。缺點(diǎn)是裝置的水力損失偏大，泵站裝置效率偏低。

永宏泵站在泵裝置型式選擇時，如果選擇貫流泵機(jī)組，可以選擇豎井貫流泵裝置、S形軸伸貫流泵裝置、燈泡貫流泵裝置和全貫流泵裝置。全貫流泵是將潛水電機(jī)技術(shù)與貫流泵技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新型機(jī)電一體化產(chǎn)品。全貫流泵裝置具有體積小、電機(jī)冷卻效果好、安裝方便等特點(diǎn)，但由于采用的是濕定子電機(jī)，電機(jī)位于葉輪外緣，維修不便，而且葉片角度無法調(diào)節(jié)，效率也較低。一般應(yīng)用在場地要求比較高和城市急排領(lǐng)域。燈泡貫流泵裝置是將電機(jī)安裝在一個燈泡形狀的金屬殼體內(nèi)，整個裝置的結(jié)構(gòu)比較緊湊。但是燈泡式貫流泵的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，密封要求高，安裝維修極不方便?；窗踩咀钤绮捎昧藷襞葚灹鞅醚b置型式，裝置的最高效率在70%左右。但淮安三站建設(shè)完成后，存在啟動困難、效率偏低、運(yùn)行管理不便等諸多問題。南水北調(diào)一期工程建設(shè)開工完成后，很少有泵站再選擇燈泡貫流泵裝置型式。因此，如果采用臥式泵裝置型式來實(shí)現(xiàn)永宏泵站的功能，只能采用豎井貫流泵裝置和S形軸伸貫流泵裝置。因?yàn)楸谜緸殡p向泵站，貫流泵方案只能采用S形雙向葉片，采用單向流道通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)達(dá)到雙向運(yùn)行的目的。南水北調(diào)一期工程的邳州豎井貫流泵站建成以來，豎井貫流泵站像雨后春筍般的發(fā)展起來。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國南水北調(diào)工程建設(shè)開工以來新建的約200座大中型泵站中，豎井貫流泵站約有30座，在低揚(yáng)程泵站中應(yīng)用更為明顯。

從水力特性上來看，當(dāng)前大型低揚(yáng)程立式雙向流道泵裝置最高運(yùn)行效率在72%左右，而且使用的是單向軸流泵葉輪，無論是灌溉還是排澇，其運(yùn)行效率是一致的。而采用豎井貫流泵裝置型式時，必須采用S 形雙向葉輪來實(shí)現(xiàn)灌溉和排澇的功能。大型低揚(yáng)程豎井貫流泵裝置正向最高運(yùn)行效率可以達(dá)到75%，但是反向運(yùn)行效率非常低，比正向運(yùn)行要低10%以上。從運(yùn)行管理角度來看，立式泵裝置運(yùn)行管理技術(shù)較為成熟，具有豐富的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，而且立式軸流泵便于現(xiàn)場檢修。在對泵裝置型式進(jìn)行綜合比較的基礎(chǔ)上，推薦采用立式雙層流道泵裝置型式。

3 水泵選型

主泵的臺數(shù)應(yīng)根據(jù)工程的重要性、運(yùn)行條件及年運(yùn)行小時數(shù)來確定。該工程的主要功能為排澇，考慮到運(yùn)行的可靠性，主泵臺數(shù)不宜少于3臺。該工程年運(yùn)行時間較短，主泵臺數(shù)過多，一次性投資較大，后期設(shè)備維護(hù)成本較高。根據(jù)工程自身情況以及與蛇山抽水站聯(lián)合運(yùn)行的可能性，本次機(jī)組臺數(shù)擬定4臺/套，單機(jī)流量為5.80 m3/s;葉輪直徑確定為1 350 mm，轉(zhuǎn)速為295 r/min。

3.1 等流量加大揚(yáng)程選型方法

水泵的選型應(yīng)滿足一定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)供排水的要求，以及應(yīng)滿足運(yùn)行效率高、安全和汽蝕性能好的要求。等流量加大揚(yáng)程選型方法是根據(jù)泵站的凈揚(yáng)程來估算裝置的損失揚(yáng)程，最后得到裝置的總揚(yáng)程。若泵裝置設(shè)計(jì)點(diǎn)為A點(diǎn)（Qz，Hz），泵站裝置揚(yáng)程的計(jì)算公式如下：

根據(jù)裝置揚(yáng)程和損失揚(yáng)程的結(jié)果，可以確定泵段曲線上對應(yīng)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為B點(diǎn)，在水泵選型時，需要使得B點(diǎn)位于泵段性能曲線的高效區(qū)。假設(shè)B點(diǎn)為泵段曲線的最高效率點(diǎn)，但是通過對泵段和泵裝置性能曲線的比較可以發(fā)現(xiàn)，若泵段性能最高效率工況點(diǎn)在B點(diǎn)，對應(yīng)的裝置上最高效率工況點(diǎn)應(yīng)該在C點(diǎn)（見圖2），而裝置的最高效率C點(diǎn)離泵站設(shè)計(jì)工況A點(diǎn)較遠(yuǎn)，因此這種選型結(jié)果會使得泵站長期處于非高效區(qū)運(yùn)行。但對于高揚(yáng)程泵站，管路損失較小，則圖2中的C點(diǎn)和A點(diǎn)相差不大，因此可采用等流量加大揚(yáng)程的選型方法;但是對于低揚(yáng)程泵站，管路損失占比較大，該選型方法則不適用，其劣勢明顯。

3.2 等揚(yáng)程加大流量的選型方法

等揚(yáng)程加大流量的選型方法改善了等流量加大揚(yáng)程法的弊端，對于低揚(yáng)程泵站可以選出更為合理的水力模型。在泵站設(shè)計(jì)點(diǎn)為A（Qz，Hz），揚(yáng)程保持不變的條件下，增大一定的流量進(jìn)行選型。Qp=Qz+ΔQ，根據(jù)加大流量后的B點(diǎn)來選泵，裝置的最高效率工況C點(diǎn)與A點(diǎn)的差別就會較?。ㄒ妶D3）。該選型方法的關(guān)鍵在于確定ΔQ 的大小，并且管路損失越大，流量增加的就越多。但是ΔQ的大小只能粗略估算，而且不同的泵裝置對應(yīng)的是不同的ΔQ值。

3.3 基于同類型裝置模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的選型方法

無論是等流量加大揚(yáng)程法還是等揚(yáng)程加大流量法，其本質(zhì)都是在天津同臺測試泵段試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到的。但現(xiàn)有泵裝置模型試驗(yàn)表明，泵段加上進(jìn)出水流道得到的泵裝置的水力性能與泵段（天津同臺測試的性能）有較大的差別，在這種情況下，無法準(zhǔn)確得到現(xiàn)有泵站的選型最優(yōu)結(jié)果。對于永宏泵站這種中型泵站而言，葉輪直徑為1.35 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求可以不進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)。因此，其葉片角度的確定更多是依賴于水泵選型的結(jié)果。采用等流量加大揚(yáng)程方法對于高揚(yáng)程泵選型準(zhǔn)確度尚可，對于永宏泵站這種低揚(yáng)程泵站顯然不適合。而采用等揚(yáng)程加大流量法，可以根據(jù)泵段試驗(yàn)結(jié)果來較為粗略地估算其運(yùn)行角度，但準(zhǔn)確度不高，而且裝置效率只能是參照使用該水力模型的相關(guān)泵站的裝置效率來粗略估算。

大量的試驗(yàn)結(jié)果表明：不同葉輪在同一裝置下的水力損失與同一葉輪在不同裝置下的水力損失相比，葉輪的影響明顯大于裝置型式的影響，因此在利用現(xiàn)有水泵模型裝置的試驗(yàn)成果進(jìn)行水泵選型時，應(yīng)選用具有相同水泵模型的模型裝置。即：在水泵選型時，既要保證所選的水力模型是一致的，又要保證采用的裝置型式是一致的。這樣選出來的水力模型即使不進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證，通過相似換算也能得到比較準(zhǔn)確的運(yùn)行效率和運(yùn)行角度。

根據(jù)永宏泵站的功能及運(yùn)行水位等參數(shù)要求，經(jīng)過對部分天津試驗(yàn)臺水力模型和國內(nèi)優(yōu)秀水力模型的初步比選，選擇TJ04-ZL-07號和TJ04-ZL-23號模型進(jìn)行比選，根據(jù)比選結(jié)果，擇優(yōu)選擇水力模型。模型泵的主要性能參數(shù)如表2所列。

由表2可以看出：TJ04-ZL-07號和TJ04-ZL-23號模型水泵性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，汽蝕性能好，高效區(qū)范圍較寬。而且2種水力模型在國內(nèi)大型泵中已被多次采用，并證明其具有良好的運(yùn)行可靠性。

由于開敞式立式軸流泵配雙層涵洞式進(jìn)出水流道泵裝置的流道水力損失難以估算，因此采用類似泵裝置模型試驗(yàn)成果進(jìn)行泵裝置選型更為可靠。

常熟水利樞紐采用的是TJ04-ZL-07號水力模型，且泵裝置型式為立式雙向流道泵裝置;化家溝泵站采用的是TJ04-ZL-23號水力模型，且泵裝置型式為立式雙向流道泵裝置。根據(jù)相似換算規(guī)律，將采用TJ04-ZL-07號模型的常熟水利樞紐泵站模型的裝置性能曲線和采用TJ04-ZL-23號模型的裝置性能曲線換算成永宏泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)。性能曲線分別如圖4和圖5所示，永宏泵站裝置的性能參數(shù)如表3所列。

通過對永宏泵站泵裝置性能的對比可知：在設(shè)計(jì)揚(yáng)程和最大揚(yáng)程工況下，TJ04-ZL-23泵裝置的效率均優(yōu)于TJ04-ZL-07泵裝置的效率;TJ04-ZL-23水泵在最高揚(yáng)程工況下運(yùn)行時，離馬鞍區(qū)更遠(yuǎn)，泵站運(yùn)行更可靠且TJ04-ZL-23汽蝕性能更優(yōu)。綜上所述，永宏泵站擬推薦采用TJ04-ZL-23號水力模型。

4 選型結(jié)果CFD驗(yàn)證

根據(jù)永宏泵站的水位資料及初步設(shè)計(jì)泵站平面圖和泵站剖面圖，對箱涵式進(jìn)水流道、箱涵式出水流道、葉輪和導(dǎo)葉體等部件進(jìn)行三維實(shí)體建模。泵裝置三維模型如圖6所示。軸流泵葉輪為選用的TJ04-ZL-23水力模型，導(dǎo)葉體為配套導(dǎo)葉，葉輪葉片數(shù)為3片，導(dǎo)葉葉片數(shù)為5片。

通過mesh軟件，對泵裝置箱涵式進(jìn)水流道和出水流道進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，結(jié)果表明：網(wǎng)格質(zhì)量較好，能夠滿足計(jì)算要求。對葉輪和導(dǎo)葉體在Turbo-Grid中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，結(jié)果表明網(wǎng)格質(zhì)量良好。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終整個計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)在480萬左右。

箱涵式泵裝置在初始方案的基礎(chǔ)上，主要針對進(jìn)水流道喇叭管、進(jìn)水流道導(dǎo)水錐、出水流道喇叭管和出水流道導(dǎo)流墩4個部件的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，本次數(shù)值計(jì)算采用最終優(yōu)化設(shè)計(jì)的流道尺寸。永宏泵站的泵裝置數(shù)值計(jì)算參數(shù)主要有：設(shè)計(jì)流量為5.8 m3/s、設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2.84 m、最高揚(yáng)程為4.4 m、葉輪直徑為1.35 m、轉(zhuǎn)速為295 r/min。將最終的流道設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，計(jì)算工況包括有3.0，3.4，3.8，4.2，4.6，5.0，5.4，5.8，6.2，6.6 m3/s和7.0 m3/s。將計(jì)算結(jié)果與選型結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖7所示。

水泵選型是針對設(shè)計(jì)工況選擇的，同時需要兼顧到最高揚(yáng)程的運(yùn)行要求。根據(jù)上述選型結(jié)果可知：在設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2.84 m時，流量為6.20 m3/s，裝置效率為69.0%。而通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果插值可知：在設(shè)計(jì)揚(yáng)程為2.84 m時，流量為6.05 m3/s，裝置效率為71.5%，流量誤差為2.48%，效率誤差為2.5%。整體而言，選型誤差較小，而且能夠確定永宏泵站的運(yùn)行角度。

5 結(jié) 論

（1）在對低揚(yáng)程泵站工程的水泵選型時，應(yīng)該先進(jìn)行泵站裝置型式的比選分析，再采用等揚(yáng)程加大流量法或者基于相同裝置型式相同的水力模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行選型。特別是對于葉輪直徑低于1.6 m不做水泵裝置模型試驗(yàn)的泵站，建議采用后者選型方法進(jìn)行水泵選型。

（2）基于相同裝置型式和相同水力模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的選型方法，可以準(zhǔn)確地確定泵站水泵的運(yùn)行角度，對于葉片角度不可調(diào)節(jié)或半調(diào)節(jié)的泵站而言具有較大的優(yōu)勢，而且該選型方法具有較高的準(zhǔn)確度。

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（編輯：趙秋云）