張海龍，苗 凱，張春龍，錢少璇

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.盱眙縣山洪水庫(kù)管理所，江蘇 盱眙 211700；3.盱眙縣水務(wù)局，江蘇 盱眙 211700)

1 工程概況

東灌區(qū)一級(jí)站坐落于盱眙縣觀音寺鎮(zhèn)永久村，自1959年建成后運(yùn)行至今已有60余年，該站通過(guò)分級(jí)提水引洪澤湖水用于東灌區(qū)補(bǔ)水灌溉，灌區(qū)共涉及馬壩、黃花塘、觀音寺等3個(gè)鎮(zhèn)，輻射面廣，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益大。級(jí)站總提水流量14.9m3/s，現(xiàn)有19臺(tái)套水泵機(jī)組，總裝機(jī)容量4205kW，分為南站(包括高揚(yáng)程泵站和低揚(yáng)程泵站)、西站和東站3個(gè)站房。南站高揚(yáng)程機(jī)組提水流量9.6m3/s，裝機(jī)容量3025kW；低揚(yáng)程機(jī)組提水流量4.5m3/s，裝機(jī)容量960kW。西站提水流量0.4m3/s，裝機(jī)容量110kW。東站提水流量0.4m3/s，裝機(jī)容量110kW?，F(xiàn)擬對(duì)原址進(jìn)行拆除并新建，新建泵站為堤后式布置，設(shè)計(jì)流量為14.9m3/s，站房位置布置依然按照原有站房布置為準(zhǔn)，不改變站房布置情況。

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

大型水電站是國(guó)家實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置、防汛抗旱的利民工程，水泵選擇是泵站初步設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)已有研究標(biāo)明目前設(shè)計(jì)方主要以CAD等為主要工具來(lái)繪制特性曲線，從而實(shí)現(xiàn)水泵型號(hào)優(yōu)選，該方法在技術(shù)上具有成熟、穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是在效率和精度上依然有較大提升空間[1-5]。在現(xiàn)有軟件上實(shí)行定制和修改，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有軟件功能多樣化是水泵科學(xué)選型的有效途徑，文章試從二次開(kāi)發(fā)切入，設(shè)計(jì)出一套普適性的泵型選擇程序，希望為廣大從業(yè)者提供指導(dǎo)和參考[6]。

2.1 軟件介紹

Auto CAD是Autodesk(歐特克)公司開(kāi)發(fā)的具有設(shè)計(jì)、計(jì)算和分析為一體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，由于其強(qiáng)大的功能和各專業(yè)間的通用性，使得它成為了水利工程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)最基本的軟件[7]。現(xiàn)階段對(duì)Auto CAD實(shí)行二次開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言工具主要有Autodesk Lisp、VB、VC++等。Visual Basic是Microsoft公司開(kāi)發(fā)的一種通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，文章以Auto CAD2008為現(xiàn)有軟件，以Visual Basic 6.0對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

2.2 關(guān)鍵性技術(shù)路線

此次設(shè)計(jì)主要采用“分而治之”的方法，將問(wèn)題的規(guī)模一次次分解到可以解決的層次，接著通過(guò)提取數(shù)據(jù)，繪制綜合特性曲線來(lái)達(dá)到型號(hào)選擇的目標(biāo)。參數(shù)化程序設(shè)計(jì)的主要技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 參數(shù)化程序設(shè)計(jì)主要思路

2.3 關(guān)鍵性代碼

首先通過(guò)Visual Basic6.0與Auto CAD2008建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩者之間接口成功對(duì)接，接著將CAD中的實(shí)體“點(diǎn)、線、面”定義為VB變量，申明變量對(duì)應(yīng)的繪圖操作后即可實(shí)現(xiàn)代碼繪圖。圖2和圖3分別是VB與CAD進(jìn)行關(guān)聯(lián)和變量定義的關(guān)鍵代碼。

圖2 CAD與VB關(guān)聯(lián)代碼

圖3 部分變量定義

2.4 自動(dòng)推薦的實(shí)現(xiàn)

泵站水機(jī)選型的關(guān)鍵步驟是需要確定輪轉(zhuǎn)的直徑和轉(zhuǎn)速，該程序合理運(yùn)用水利機(jī)械相似定律，通過(guò)模擬計(jì)算得到輪轉(zhuǎn)和直徑的推薦值。原理如下：

(1)

式中，Qy—原型泵裝置的流量；Np、Dp—原型泵裝置同臺(tái)測(cè)試值；Qm—模型泵的流量；Dm—模型泵直徑；Nm—模型泵轉(zhuǎn)速。根據(jù)《水泵設(shè)計(jì)規(guī)范》，東灌區(qū)一級(jí)站水泵選型的主要原則為：

(1)所選水泵需要滿足泵站各種工況和泵站的設(shè)計(jì)流量與設(shè)計(jì)揚(yáng)程需要。

(2)所選水泵能夠滿足在平均揚(yáng)程時(shí)高效運(yùn)行，這樣能夠保證水泵在長(zhǎng)期運(yùn)行中都能達(dá)到效率最高化。此外，還應(yīng)滿足在最高和最低揚(yáng)程下水泵安全運(yùn)行。

(3)優(yōu)選經(jīng)過(guò)權(quán)威認(rèn)定和行業(yè)普遍認(rèn)可的水泵系列產(chǎn)品。

(4)水泵的能量損失要小。

(5)土建、安裝和設(shè)備需遵循造價(jià)低，好施工的原則。

(6)便于維修和管理，運(yùn)行費(fèi)用省。

3 水泵選型分析

現(xiàn)以南站高揚(yáng)程泵站為例說(shuō)明如何選擇高效且準(zhǔn)確的水泵型號(hào)。根據(jù)渠道推算結(jié)果，一級(jí)站南站(高揚(yáng)程)設(shè)計(jì)流量為9.60m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為19.50m。在程序首頁(yè)輸入“流量”與“揚(yáng)程”后點(diǎn)擊“自動(dòng)推薦”，程序就會(huì)根據(jù)已載入的數(shù)據(jù)庫(kù)提供幾個(gè)符合用戶要求的水力模型，同時(shí)還會(huì)提供“繪制綜合性能曲線”的功能[8]。

3.1 機(jī)組和水泵方案的提出

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》9.1.2規(guī)定“主泵的臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模及建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后確定”。本站現(xiàn)狀高揚(yáng)程有9臺(tái)泵，根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)合盱眙近年新建類似泵站，本站初步擬定選用5臺(tái)機(jī)組和9臺(tái)機(jī)組2個(gè)方案進(jìn)行方案比選[9-10]。

一級(jí)站南站(高揚(yáng)程)設(shè)計(jì)流量為9.60m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為19.50m，屬大流量、高揚(yáng)程泵站，適宜選用單級(jí)雙吸離心泵。單級(jí)雙吸離心泵具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱，運(yùn)行性能好，水泵及電機(jī)均位于泵房?jī)?nèi)，操作簡(jiǎn)潔且管理檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。

按照該一級(jí)站運(yùn)行的特點(diǎn)和要求，考慮經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件后，初步確定以下2種方案：

方案1：水泵選用5臺(tái)800S-32型雙吸臥式離心泵，水泵單機(jī)流量為1.92m3/s，葉輪直徑為680mm，配套電機(jī)轉(zhuǎn)速730，單機(jī)功率630kW，必需氣蝕余量為7.0m。

方案2：水泵選用9臺(tái)600S-32型雙吸臥式離心泵，水泵單機(jī)流量為1.07m3/s，葉輪直徑為540mm，配套電機(jī)轉(zhuǎn)速970，單機(jī)功率350kW，必需氣蝕余量為7.5m。初選2種水泵工作性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 兩種水泵工作性能參數(shù)表

3.2 兩種方案比選分析

在程序首頁(yè)輸入流量和揚(yáng)程信息后程序自動(dòng)推薦的兩種方案水泵性能曲線分別如圖4—5所示。

圖4 800S-32型離心泵工作性能曲線

根據(jù)擬定的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)從水泵水力特性、汽蝕性裝機(jī)容量和投資等7方面綜合評(píng)估2種方案的優(yōu)劣性，并以表格形式(見(jiàn)表2)比較兩者的差別。

表2 水泵選型方案對(duì)比表

(1)從水泵水力性能考慮，方案1和方案2達(dá)到運(yùn)行工況點(diǎn)時(shí)的流量和揚(yáng)程均能滿足本站的要求，但方案2的水泵效率略高于方案1，方案2較優(yōu)。

圖5 600S-32型離心泵工作性能曲線

(2)從水泵氣蝕性能考慮，方案1必需氣蝕余量為7.0m，小于方案2，氣蝕性能較優(yōu)。

(3)從整個(gè)泵站的裝機(jī)容量考慮，方案2裝機(jī)總功率高于方案1。

(4)從泵站的土建考慮，方案2機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，泵房長(zhǎng)度較大，方案2機(jī)組安裝高度低于方案1，泵房挖深較大。

(5)從投資方面，兩種方案電機(jī)均采用異步電機(jī)，方案1總造價(jià)(水泵+電機(jī))低于方案2。

(6)從運(yùn)行管理方面考慮，方案1為5臺(tái)水泵，機(jī)組臺(tái)數(shù)適中，方便管理和維護(hù)；方案2為9太水泵，機(jī)組臺(tái)數(shù)相對(duì)較多，管理難度大。

(7)從工程運(yùn)行調(diào)度方面考慮，方案2單機(jī)流量較小，更有利于調(diào)控泵站總流量。

觀察表2，2種方案均能滿足泵站流量揚(yáng)程要求，但方案1無(wú)論是從“工程投資”還是“工程運(yùn)行成本”以及“水泵氣蝕性能”均優(yōu)于方案2，從泵站施工影響、水泵安全、工程長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等方面綜合考慮，本站選用方案1，即5臺(tái)800S-32型雙吸臥式離心泵機(jī)組。

4 水泵工況點(diǎn)校核

根據(jù)上述方案比選結(jié)果對(duì)選定的800S-32型雙吸臥式離心泵機(jī)組進(jìn)行水泵工況點(diǎn)的校核，以檢驗(yàn)運(yùn)行工況點(diǎn)的參數(shù)是否滿足要求。水泵進(jìn)、出水管路的水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失，計(jì)算公式如下：

黨內(nèi)政治生活是按照一定的規(guī)則來(lái)進(jìn)行的，明確黨內(nèi)政治生活應(yīng)遵從的規(guī)則是嚴(yán)肅黨內(nèi)政治生活的前提。為使黨內(nèi)政治生活看有參照、做有依據(jù)，習(xí)近平同志指明了嚴(yán)肅黨內(nèi)政治生活的重點(diǎn)內(nèi)容。

h損=SQ2

(2)

S=S沿+S局

(3)

式中，S沿—管路沿程阻力系數(shù)，s2/m5；S局—管路局部阻力系數(shù)，s2/m5。

4.1 局部損失計(jì)算

(4)

式中，ξ—局部阻力參數(shù)；d—管路局部阻力處直徑，m。

查資料并計(jì)算，可得到各過(guò)流部件的局部阻力參數(shù)，見(jiàn)表3。由表3可得：南站S局=0.41s2/m5。

表3 過(guò)流部件的局部阻力參數(shù)表

4.2 沿程損失計(jì)算

(5)

式中，n—管內(nèi)壁糙率，本站中進(jìn)、出水均采用鋼管，查資料得n=0.012；L—進(jìn)、出水管路總長(zhǎng)度；D—管路直徑，按照《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)離心泵進(jìn)、出水管路流速的要求，選擇進(jìn)水管道D=1.1m，出水管道D=1.0m；具體沿程損失參數(shù)見(jiàn)表4。查表并帶入公式計(jì)算可得南站S沿=0.061s2/m5。

表4 沿程損失參數(shù)表

4.3 水泵工況點(diǎn)校核

h損=SQ2=(0.41+0.061)Q2=0.471Q2

(6)

設(shè)計(jì)工況點(diǎn)水泵揚(yáng)程：

H=H設(shè)+h損=19.50+0.471Q2

(7)

最高工況點(diǎn)水泵揚(yáng)程：

H=H最高+h損=21.0+0.471Q2

(8)

最低工況點(diǎn)水泵揚(yáng)程：

H=H最低+h損=17.50+0.471Q2

(9)

根據(jù)以上各式，可以計(jì)算得到水泵裝置的需要流量—揚(yáng)程曲線各點(diǎn)參數(shù)，整理參數(shù)后將各點(diǎn)繪制到坐標(biāo)系中形成需要揚(yáng)程曲線，再將需要揚(yáng)程曲線與水泵流量揚(yáng)程曲線組合，組合后水泵性能曲線與揚(yáng)程曲線的交點(diǎn)即工況點(diǎn)[11]。具體如圖6所示。觀察圖6可見(jiàn)，水泵在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況及最大揚(yáng)程工況下工作點(diǎn)落在水泵高效區(qū)范圍內(nèi)；水泵在灌溉設(shè)計(jì)揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)，Q>Q單，滿足灌溉要求。

圖6 需要流量—揚(yáng)程曲線圖

觀察圖6可見(jiàn)Q-H曲線形成了3個(gè)交點(diǎn)，3點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)最低揚(yáng)程、設(shè)計(jì)揚(yáng)程和最高揚(yáng)程的工況點(diǎn)。每個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組“流量—揚(yáng)程”值，根據(jù)“流量—揚(yáng)程”值可以快速計(jì)算出相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配套功率，結(jié)果見(jiàn)表5。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本站選用5臺(tái)配套功率為630kW異步電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速730rpm，電機(jī)與水泵直聯(lián)。

表5 工況點(diǎn)校核成果表

5 結(jié)語(yǔ)

(1)運(yùn)用VB對(duì)CAD進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)程序編寫最終實(shí)現(xiàn)了用戶能夠在主界面輸入相應(yīng)的“揚(yáng)程”和“流量”即可得到該程序提供的水力模型，還可以進(jìn)一步繪制相應(yīng)水泵的綜合性能曲線。實(shí)踐表明使用該程序能夠幫助用戶更科學(xué)地選擇合適的泵型。

(2)以東灌區(qū)一級(jí)站南站高揚(yáng)程泵站為例，從施工、水泵安全、工程長(zhǎng)遠(yuǎn)角度等方面出發(fā)綜合考量了兩種方案的優(yōu)缺性，最終選擇更為經(jīng)濟(jì)合理的方案1，即使用5臺(tái)800S-32型雙吸臥式離心泵為機(jī)組。

(3)運(yùn)用數(shù)學(xué)公式對(duì)選定水泵進(jìn)行了工況點(diǎn)校核，結(jié)果表明水泵在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況及最大揚(yáng)程工況下工作點(diǎn)落在水泵高效區(qū)范圍內(nèi)，水泵在灌溉設(shè)計(jì)揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)，Q>Q單，滿足東灌區(qū)灌溉要求。