浮體式泵站在應急引水工程中的應用

舒立華，龐 正，隋 昕，吳可清，胡秀華，王春堂

（1.山東省調水工程運行維護中心博興管理站，山東 博興 256500；2.山東省調水工程運行維護中心膠州管理站，山東膠州 266300；3.山東農業(yè)大學 水利土木工程學院，山東 泰安 271000；4.泰安市水利局，山東 泰安 271000）

2014年以來，全國多省份降雨量稀少，山東段黃河汛期黃河沿岸灌溉引水困難，引黃濟青工程也迫在眉睫，其中打漁張引黃閘引水流量僅為設計流量的30%左右。 連續(xù)多年的黃河沖砂， 導致黃河底沖刷下切，引黃閘閘前水位同比下降，渠首引黃閘處黃河水位偏低 （打漁張前黃河水位不足10.5m），自流引水流量偏少（膠東調水進水閘引水流量不足10m3/s）。啟動渠首打漁張泵站建設至少2年工期，遠水已不解近渴，靠自流引水無法改變缺水現(xiàn)狀。 為了解決沿黃地區(qū)抗旱應急引水需求，急需方便快捷的工程措施。

張志民等［1］論述了國內、外移動泵站技術及產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀， 分析不同型式的移動泵站產(chǎn)品的特點及應用前景。 非洲某地［2］灌溉工程通過浮船泵站機動靈活的特點，來解決旱季灌溉問題。 楊龍等［3］人設計制作了組合浮箱式移動泵站， 該形式移動泵站能滿足排澇搶險過程中的一些特殊需求， 可取代部分固定泵站。 岳俊麗［4］在人民勝利渠渠首實現(xiàn)了浮船式泵站技術上可行，解決了當時應急引水困難。李淑芹、王寧［5］在高青引黃灌區(qū)的移動泵站設計和應用證明了移動泵站可因地制宜地與固定泵站結合可最大化地發(fā)揮泵站灌溉的效益。 楊龍等［6］校核了組合浮箱式移動泵站的穩(wěn)定性， 闡述了組合浮箱式移動泵站的性能， 提出該形式移動泵站的應用。 H.M.Zhang，L.X.Zhang［7］使用OpenFOAM代碼，對潛水式軸向流中導葉上的磨損進行了數(shù)值研究。 林志國等［8］分析了兩種不同工況下軸流泵葉輪葉片和導葉表面的壓力及速度分布情況， 揭示了葉片和導葉的流態(tài)及表面壓力在流場中的分布規(guī)律。 王婷婷，Juan Pablo Valdés等［9-10］采用CFD技術對潛水泵進行了分析和優(yōu)化。

通過分析，決定進行新型浮體泵站——模塊式箱型浮體組合泵站開發(fā)研究，同時為擴大研究成果的使用范圍，模塊式箱型浮體組合泵站不但要滿足抽引黃河水要求，同時還應滿足抗旱、排澇等應急工程及水庫、河道、渠道、塘壩等取水工程，要求安裝、運輸、組裝、拆卸等滿足靈活、快捷、方便等功能。

1 水泵型式的確定及技術措施

1.1 浮體式泵站設計指標

為應對渠首引水困難局面和異常嚴峻的缺水形勢，為此安裝了28臺水泵的浮體式移動泵船式的臨時泵站。 根據(jù)青島及工程沿線缺水情況，從黃河的引水流量為25m/s以上才滿足用水需求。 經(jīng)推算研究決定，安裝移動泵站2個組合，現(xiàn)有浮體有2個組合，分高揚程模塊式浮體組合和低揚程模塊式浮體組合， 組合1為14臺1.16m/s揚程3m的700QZ-130的水泵， 組合2為14臺1.0m/s揚程5m的600QZ-70型水泵。

這兩種水泵都是采用鋼制井筒式安裝形式，井筒與浮體式移動泵站通過法蘭連接， 水泵出水管采用DN700的鋼絲骨架橡膠管和鋼管。 泵船與圍堰之間設浮箱拖股橡膠管，浮箱尺寸為7m×2.8m×0.84m，4個浮箱單排連接成一體支撐出水管。1.16m3/s揚程3m水泵安裝在4.2m×4m×1.8m浮體上， 兩臺1.0m3/s揚程5m水泵安裝在7m×4m×1.5m浮體上。 總裝機功率2170kW（14×75kW+14×80kW），設計總流量30.24m3/s（14×1.0+14×1.16）?？傃b機容量2170kW。并可根據(jù)用水流量大小需求，合理組合，以滿足使用要求。

表1 模塊式箱型浮體組合泵站參數(shù)

1.2 采取的技術措施

1.2.1 防泥沙磨蝕措施

為解決水泵葉輪汽蝕和泥沙磨損這一難題，研究選用汽蝕性能優(yōu)良的水力模型， 加大葉輪入口直徑，降低葉片表面流速，有限防止水泵發(fā)生汽蝕。 另外，導葉體、葉輪外殼等水力部件選擇耐磨性能優(yōu)良的材質；設置電纜護套，既保護電纜，又能壓緊電泵，防止電泵反轉和晃動，增加機組穩(wěn)定性。

1.2.2 主軸及密封技術措施

為滿足防泥沙要求，對主軸、軸承及密封等進行專項研究。 水泵主軸與電機軸采用同一根軸，材質為不銹鋼2Cr13； 軸承選用進口SKF優(yōu)質軸承；泵軸配備串聯(lián)式雙重獨立的機械密封系統(tǒng)；電纜出線位置在井筒法蘭與蓋板之間， 采用橡膠密封塊密封，方便水泵機組的安裝和拆卸，且能保證電纜出線處不滲漏。

1.2.3 整機防轉措施

潛水泵采用自動耦合安裝， 為防止啟動時電泵轉動引起電纜扭斷， 可在水泵導葉體下部設置機械式防轉裝置，避免泵在水下運轉啟動時的轉動現(xiàn)象，杜絕電纜線扭壞現(xiàn)象，使?jié)撍姳眠\行可靠。

2 模塊式箱型浮體技術研究

2.1 箱型浮體的CFD技術分析

本工程采用潛水軸流泵，軸流泵對喇叭口進水流態(tài)要求嚴格，不良的進水流態(tài)會導致水泵性能顯著下降，嚴重情況下可能導致機組振動，浮箱傾翻。為保證浮體泵站的安全穩(wěn)定，浮體設計既要考慮浮力、水推力、管道及水體重量、配重等，還要考慮水泵淹沒深度、喇叭口高度等要求，為保證浮體周圍和水泵進水喇叭口處流態(tài)良好，應使喇叭口四周來水量基本相等， 本研究利用CFD技術進行流場分析來確定箱體尺寸和機組間距。 流場分析結果如圖1～圖5。

圖1 箱型浮體的3D模型圖

圖2 箱型浮體的CFD技術分析圖

圖3 CFD技術分析圖主視圖

圖4 CFD技術分析圖俯視圖

圖5 CFD技術分析圖左視圖

2.2 箱型浮體尺寸確定

根據(jù)CFD技術分析結果， 機組間距應不小于2.5倍的喇叭口直徑。據(jù)此，確定高揚程水泵浮體尺寸為6.0m ×4.0m，浮體高度1.5m，吃水深度1.2m，每節(jié)浮體安裝2臺流量1m3/s揚程5m的水泵機組， 機組間距2.5m；低揚程水泵浮體尺寸為4.0 m×4.0m，浮體高度1.8m，吃水深度1.4m，每節(jié)浮體安裝1臺流量1.6m3/s揚程3m的水泵機組。

2.3 管道支撐浮箱設計

（1）高揚程泵站管道支撐浮箱采用鋼結構焊接件，浮箱尺寸為6m×2.8m×0.8m，每節(jié)浮箱支撐3～4根管道。 浮箱之間采用螺栓連接。

（2）低揚程泵站管道支撐浮箱尺寸為4m×3.2m×1.0m，每節(jié)浮箱支撐2根管道。 浮箱之間采用螺栓連接。

3 泵站組合方案確定

3.1 模塊式箱型浮體組合型式確定

模塊式箱型浮體組合泵站由潛水軸流泵和浮體組成，浮體尺寸根據(jù)潛水泵的尺寸、重量、運行中的水推力等因素確定，每個浮體安裝1～2臺水泵機組，浮體的吃水深度滿足水泵淹沒深度要求，水泵喇叭口不宜伸出浮體外，以防安裝、運輸中的碰撞。

圖6 組合安裝示意圖

浮體的組裝不能少于兩排， 浮體之間相連接，周圍通過固定樁和繩索固定，以增加浮體泵站的穩(wěn)定性。

圖7 組合安裝示意圖

3.2 高揚程模塊式箱型浮體組合泵站

高揚程模塊式箱型浮體組合泵站的每只浮體安裝2臺水泵機組，7個浮體分2排錯位連接成1個移動泵站，共14臺潛水泵，總裝機容量1050kW。 浮體通過固定樁和繩鎖等固定， 水泵出水管由DN700的鋼絲骨架橡膠管和鋼管組成，出水管翻過圍堰后自由出流。浮體泵站和圍堰之間管道通過浮箱托浮，4個浮箱連接成一體，出水管固定在浮箱上。

3.3 低揚程模塊式箱型浮體組合泵站

低揚程模塊式箱型浮體組合泵站的每只浮體安裝1臺水泵機組，16個浮體分2排錯位連接成1個浮體泵站，共16臺潛水泵，總裝機容量1200kW。 浮體通過固定樁和繩鎖等固定， 水泵出水管由DN900的鋼絲骨架橡膠管和鋼管組成， 出水管翻過圍堰后自由出流。 浮體泵站和圍堰之間管道通過浮箱托浮，8個浮箱連接成一體，出水管固定在浮箱上。

4 成果的社會效益和推廣應用

4.1 浮體式泵站取得的社會效益

在引黃濟青渠首打漁張泵站處成功組裝了兩排共16個浮體的臨時引黃泵站，安裝水泵機組22臺。其中，組裝4m×4m×1.8m浮體10只，安裝流量1.6m3/s水泵機組10臺； 組裝6m×4m×1.5m浮體6只， 安裝流量1.0m3/s水泵機組12臺。 泵站總流量達28m3/s，總裝機功率1650kW。

引黃濟青渠首打漁張泵站模塊式箱型浮體組合泵站的成功安裝運行，每月可向棘洪灘水庫抽送5000多萬m3的黃河水，比自流引水提高了近2000萬m3的供水能力，使工程具備在保證青島用水前提下，可以兼顧向濰坊等地調水。

模塊式箱型浮體組合泵站在向青島市供水工程中發(fā)揮了重要作用， 確保了青島市工農業(yè)生產(chǎn)和居民生活用水，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。

4.2 浮體式泵站的推廣應用

（1）浮體重心低穩(wěn)定性好。浮體式移動泵站采用潛水軸流泵，降低了浮體重心，使得浮體泵站比傳統(tǒng)浮體泵站的穩(wěn)定性好。

（2）安裝、運輸、組裝快捷方便。浮體按模塊化設計，運輸、組裝靈活方便，泵站組裝時間短，可為緊急調水工程贏得寶貴時間。

（3）工程規(guī)模適應性強。 根據(jù)各工程引水流量要求，選用不同數(shù)量模塊組裝，適應各種工程規(guī)模要求。

（4）水位變幅適應性強。 該工程通過高、低揚程浮體模塊的組合， 滿足泵站前池水位漲落變化對水泵揚程的要求。

（5）泵站結構緊湊、運行靈活可靠。 通過數(shù)值分析確定最優(yōu)浮體尺寸， 模塊化組裝泵站不僅節(jié)省工程場地，而且增加了泵站的整體穩(wěn)定性，泵站結構緊湊，運行靈活、可靠。

5 結語

（1）模塊化浮體式移動泵站具有運輸方便、組裝快捷、安裝輕便、運行靈活等特點，和流量大、揚程范圍寬、運行穩(wěn)定可靠的供水能力。 可廣泛應用于抗旱、排澇、引黃等應急工程，以及水庫、河道、渠道、塘壩等取水工程和其他領域，發(fā)揮更大的社會效益。

（2）現(xiàn)有浮體式移動泵站技術作為固定泵站的一種補充、應急抗旱措施，在沿江提水泵站中值得大力推廣。 依據(jù)浮體式移動泵站引水工程的成功經(jīng)驗，遷移浮體式移動泵站改為固定泵站，泵站移址后又能滿足調水運行，在泵站建成前發(fā)揮應急引水作用。