蕪湖市鳩江區(qū)下九連圩保安排澇站水泵選型研究

袁龍剛

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

1 工程概況

在部分實際工程設計中，當水泵設計揚程大于5 m，且最高揚程超過9 m時，由于水泵設計選型不當，導致水泵在高揚程運行時水泵振動大、噪音大、效率低、流量衰減嚴重，電機超功率運行，機組甚至無法開機運行。在軸流泵和混流泵流量及揚程滿足設計參數(shù)，并結合工程實際情況及當?shù)剡\行管理經(jīng)驗，在兩種泵型均可選用的情況下，如何合理選型是一個難題。目前針對混流泵和軸流泵的研究大多為內部流動機理性研究[1-2]，而針對混流泵和軸流泵在工程中的選型對比性研究較少[3-4]，需要進行進一步深入研究。

蕪湖市鳩江區(qū)下九連圩保安站工程位于蕪湖市鳩江區(qū)上下九連圩內長江無為大堤上，該圩為鳩江區(qū)與無為縣共圩，分上九連圩和下九連圩，保安站處于下九連圩。上下九連圩屬于長江下游沿江低洼圩區(qū)，東、南至無為大堤，北至裕溪河，西至西河，圩口面積為499.71 km2，其中鳩江區(qū)170.9 km2、無為縣328.81 km2。保安站主要承擔大龍灣排區(qū)的防洪排澇任務，集水面積為32.13 km2，設計排澇標準為20年一遇最大24 h暴雨逐小時排出，設計流量為58 m3/s，總裝機容量為7 500 kW，是一宗工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大(2)型的排澇工程。泵站的運行水位組合及特征揚程見表1所示。

表1 鳩江區(qū)保安站特征水位及揚程

保安站主要建筑物自內河向外河有引水渠、攔污閘、前池、進水池、泵房、壓力水箱、出水箱涵、防洪閘、外河消力池、海漫、防沖槽及出水渠等。泵站布置示意見圖1。

圖1 泵站布置示意

2 泵型比選

保安站為低揚程大流量排澇泵站，設計流量為58 m3/s，經(jīng)理論計算水泵揚程與流量關系曲線為H=Hj+0.009 732Q2。保安站機組臺數(shù)為6臺，不設備用機組，單泵設計流量約為10 m3/s，最低凈揚程為3.00 m，設計凈揚程為7.45 m，最高凈揚程為9.22 m，結合工程設計實際情況及當?shù)剡\行管理經(jīng)驗，離心泵、軸流泵及混流泵等水泵類型均可選用。

各類型水泵的揚程范圍不同，離心泵的揚程一般在10 m以上，軸流泵的揚程一般在0～10 m之間，混流泵的揚程一般在5～30 m之間[6]，根據(jù)保安站的設計參數(shù)和工程特點，離心泵的揚程范圍不適合保安站的使用要求。

從安裝方式上看，立式機組具有泵房占地面積較小，泵房各層層次分明，運行時巡視方便，動力機可安裝在最高洪水位以上，通風采光條件較好，水泵葉輪淹沒于水中，水泵啟動方便等優(yōu)點；但也具有廠房高度較大，泵房基坑開挖深度較大，水泵安裝、檢修有一定難度等缺點[8]。通過對工程所在地已建成運行的類似泵站優(yōu)點和存在的問題進行調查和分析的基礎上，同時結合運行管理單位對立式機組亦有豐富的運行管理經(jīng)驗，保安站選用立式機組結構形式。

當設計揚程大于5 m，且最高揚程超過9 m時，目前大型排澇泵站常用的立式機組主要有立式軸流泵和導葉式混流泵兩種，但因混流泵的揚程范圍寬，揚程變化對流量、效率的影響沒有軸流泵那么明顯。混流泵相比軸流泵，混流泵高效區(qū)范圍寬，水泵軸功率波動小，功率變化平坦，配套的動力機可滿載運行，工況變化時，動力機接近額定工況下工作，運行效率較高[3]；同時混流泵馬鞍區(qū)、駝峰區(qū)沒有軸流泵那么明顯，在最高揚程時運行穩(wěn)定。

保安站的最高揚程為9.9 m，適合的軸流泵水力模型很少，而對于導葉式混流泵7～10 m揚程很容易達到，這是由水泵的型號決定的。根據(jù)保安站各工況的揚程、流量參數(shù)，經(jīng)過比對篩選，初步選定的混流泵水力模型:南水北調工程水泵模型同臺測試中的TJ11-HL-04水力模型，原型泵為1800HLQ10-8.5型導葉式混流泵(以下簡稱混流泵)，葉輪直徑初定為1 800 mm；軸流泵水力模型:南水北調工程水泵模型同臺測試中的TJ05-ZL-01水力模型[5]，原型泵為1800ZLQ12.2-8.6立式軸流泵(以下簡稱軸流泵)，葉輪直徑初定為1 750 mm。兩種水泵在各運行工況下的主要性能參數(shù)見表2；兩種水泵的泵段綜合性能曲線見圖2～3。

表2 兩種水泵在各運行工況下的主要性能參數(shù)

圖2 1800HLQ10-8.5型導葉式混流泵泵段綜合性能曲線

圖3 1800ZLQ12.2-8.6型立式軸流泵泵段綜合性能曲線

通過圖2～3及表2可知：

① 所選混流泵和軸流泵均可以滿足保安站設計工況的流量及最高最低揚程安全、穩(wěn)定運行的要求；

② 所選混流泵在-6°～+4°葉片角度范圍內的揚程范圍為0.7～13.6 m，所選軸流泵在-4°～+4°葉片角度范圍內的揚程范圍為2.6～10.8 m，由此可見所選混流泵的揚程范圍寬于軸流泵；

③ 所選混流泵的高效區(qū)為5.6～8.2 m，所選軸流泵的高效區(qū)為7.5～7.9 m，由此可見所選混流泵的高效區(qū)范圍寬于軸流泵；

④ 所選混流泵的最高揚程軸功率/最低揚程軸功率=1 043/805=1.30，所選軸流泵的最高揚程軸功率/最低揚程軸功率=1 085/739=1.47，由此可見所選混流泵的軸功率比軸流泵變化平坦；

⑤ 所選混流泵設計揚程時的效率為87.08%，所選軸流泵設計揚程時的效率為85.11%，由此可見設計揚程時所選混流泵的運行效率高于軸流泵。

綜上所述，當水泵設計揚程大于5 m，且最高揚程超過9 m時，軸流泵和混流泵流量及揚程滿足設計參數(shù)，兩種泵型均可選用的情況下，混流泵比軸流泵具有更多的優(yōu)勢。因此保安站初選南水北調工程水泵模型同臺測試TJ11-HL-04水力模型[5]，葉輪直徑1 800 mm導葉式混流泵方案作為設計方案。

3 水泵裝置模型試驗研究

3.1 水泵進出水流道CFD優(yōu)化分析

由江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心對保安站水泵進出水流道進行CFD優(yōu)化分析研究，經(jīng)優(yōu)化分析研究后的進出水流道型線方案見圖4～5。

圖4 進水流道型線方案示意

3.2 水泵裝置模型試驗

根據(jù)保安站各工況的揚程、流量參數(shù)，采用優(yōu)化后的進水流道型線方案，在江蘇大學國家水泵及系統(tǒng)工程技術研究中心試驗臺上分別進行水泵裝置能量試驗、空化試驗、飛逸特性試驗、水壓脈動試驗。本次水泵裝置模型采用預先選定的TJ11-HL-04-600進行試驗，由水泵裝置模型試驗結果可知進、出水流道型線設計和水泵模型選擇合理，為了使原型泵設計工況葉片安放角由原設計選型的+2°偏向0°，使得水泵運行更穩(wěn)定可靠，將原設計選型的葉輪直徑由1.80 m增大至1.82 m。在原型泵裝置葉輪直徑為1.82 m，轉速為214.3 r/min時，可以得到以下結論。

圖5 出水流道型線方案示意

1) 水泵裝置能量特性

在設計凈揚程為7.45 m，葉片安放角為0°時：單機流量為10.20m3/s，裝置效率為80.75%，軸功率為923.17 kW。

在最低凈揚程為3.00 m，葉片安放角為-4°時：單機流量為9.63m3/s，裝置效率為67.56%，軸功率為419.53 kW。

在最高凈揚程為9.22 m，葉片安放角為+2°時：單機流量為9.53 m3/s，裝置效率為78.28%，軸功率為1 101.14 kW。

2) 空化特性

根據(jù)水泵裝置模型葉片各安放角多工況點實際試驗，臨界空化余量NPSHc在最高凈揚程運行工況下數(shù)值較高[7]。在葉片安放角為+2°以下，最高凈揚程為9.22 m工況的臨界空化余量NPSHc=9.2 m。葉輪中心線滿足最小淹沒深度要求。

3) 飛逸特性

水泵裝置模型在葉片安放角為-6°時單位飛逸轉速241.11 r/min，最大凈揚程事故停機飛逸轉速可達420.26 r/min，為水泵額定轉速的1.88倍。

4) 水壓脈動特性

采用95%置信度雙幅值對水泵裝置模型水壓脈動試驗結果進行統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計的試驗結果可知，最大脈動幅值在2.5 m以內，因此總體來看，該水泵的內部流動引起的壓力脈動對泵性能的影響較小，不會引起明顯的噪聲和振動[4]；振動的主頻主要為水泵的葉頻及其倍頻[4]。

原型泵裝置綜合性能曲線見圖6，通過裝置模型試驗結果及圖6可知：

圖6 原型泵裝置綜合性能曲線示意

① 所選混流泵可以滿足保安站設計工況的流量及最高最低揚程安全、穩(wěn)定運行的要求；

② 所選混流泵在-6°～+4°葉片角度范圍內的揚程范圍為1.0～13.0 m，揚程范圍寬；

③ 所選混流泵的高效區(qū)為5.6～8.8 m，高效區(qū)范圍寬；

④ 所選混流泵的最高揚程軸功率為1101.14 kW,最低揚程軸功率為923.17 kW，兩者比值為1.19，軸功率變化平坦；

⑤ 所選混流泵設計揚程時的裝置效率為80.75%，效率高。

4 運行效果分析

下九連圩保安排澇站2019年已經(jīng)開工建設，預計2021年可以投入運行，目前從水泵裝置模型試驗研究結果以及與水泵制造廠家召開設計聯(lián)絡會研討分析，預計建成后水泵運行狀況良好，整體高效。

5 結語

本文通過工程實例中的水泵泵型比選，并通過水泵裝置模型試驗對所選泵型進行了試驗研究，當水泵設計揚程大于5 m，且最高揚程超過9 m時，得出以下建議：

1) 混流泵相比軸流泵，混流泵揚程范圍寬；

2) 混流泵相比軸流泵，混流泵高效區(qū)范圍寬；

3) 混流泵相比軸流泵，軸功率變化平坦；

4) 混流泵相比軸流泵，設計揚程時裝置效率高；

5) 在軸流泵和混流泵流量及揚程滿足設計參數(shù)，且滿足工程實際情況及當?shù)剡\行管理經(jīng)驗的情況下，設計宜優(yōu)先選用混流泵。