山西省中部引黃工程水泵泵型優化研究

李 明

（山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024)

水泵是供水工程系統中的“心臟”，是供水工程的主要動力提供設備，其結構、選項、效率、流量及揚程的確定非常重要，選項的合理與否及運行狀況的好壞關系到整個系統的運行效率。因此目前供水工程實際運行效率偏低的主要原因是水泵選型不當、水泵揚程過大，無法在設計工況點運行。水泵選型與運行方式相矛盾，不同型號的水泵并行，特性曲線差異很大，運行效率低。筆者認為在新建擴建及改建的供水工程設計中，應當從節約能源、改善施工安裝維修條件、降低成本、提高安全性可靠性等多項目標出發，選擇系統綜合效益最佳的泵型。為了達成此目的，需進行優良的水力和結構設計，恰當選用水泵材質以及高質量的加工制造，因此供水系統設計前的水泵選擇論證非常重要。

1 水泵選擇的基本原則［1］

水泵選型包括水泵類型、型號的選擇和臺數的確定。水泵是泵站中的主要設備，按照供水要求正常而高效地運轉，是實現供水目標并獲得最佳經濟效益的關鍵所在。同時，水泵選型決定著配套動力機、輔助設備選型和泵站樞紐建筑物尺寸的確定。如果水泵選型不合理，不僅會使工程投資增加，且會造成水泵長期偏離高效區運行，使運行能耗增加，從而增加工程運行費用。因此，在泵站設計中，首先應合理地選擇水泵；在此基礎上選配適當的動力機和輔助設備；選擇設計適宜的泵站樞紐建筑物尺寸與其配套，使整個泵站工程滿足供水要求且在運行期間高效、節能、安全、經濟。

水泵選型方面，傳統的水泵選型計算多采用圖解法進行，對各種運行條件進行多次作圖和方案比較，作圖過程麻煩，圖解法精度甚差。進入20世紀90年代以后，隨著科學的發展及新的數學計算方法的出現，有些學者開始探討利用新的計算方法來進行水泵選型。孫敏、楊曉東在1995年第4期《給水排水》上發表了“整數規劃在水泵選型中的應用”［2］，文中針對單泵單管聯合運行泵站的特點，提出了以經濟指標為目標函數，以滿足供水流量為約束條件的整數規劃選泵方法，該方法考慮了用水量的變化過程，并可用計算機進行計算。紀曉華等在2001年第4期《江蘇農業研究》上發表了“水泵選型專家系統研究與開發”［3］，該系統在對水泵選型方法、判斷準則、評價模型等分析研究的基礎上，建立了泵產品樣本和水力模型數據庫，研制開發了水泵選型專家系統，但該系統主要應用于軸流泵，適用于流量大揚程低的地區［4］。

水泵選型的基本原則如下［5］：

1)充分滿足灌排設計標準內各個灌溉（或排水)季節的流量和揚程的要求，并盡量使所選水泵在泵站設計揚程運行時的工作點，在其設計（額定)工況點附近，在泵站最高及最低揚程運行時的工作點（或經調節后的工作點)，在其高效區范圍內。

2)選用性能良好，并與泵站揚程、流量變化相適應的泵型。首先，應在已定型系列產品中，選用效率高、吸水性能好、適用范圍廣的水泵。當有多種泵型可供選擇時，應進行技術經濟比較，擇優采用。在系列產品不能滿足要求時，可試制新產品，但必須進行模型和裝置試驗，通過技術鑒定后采用。在揚程變幅較大的泵站，宜選用Q-H曲線陡降的水泵；在流量變化較大的泵站，宜選用Q-H曲線平緩的水泵。

3)所選定水泵型號和臺數使泵站建設的投資（設備費和土建投資的總和)最少。

4)便于運行調度、維修和管理。

5)對梯級提水泵站，水泵的型號和臺數應滿足上下級泵站的流量配合要求，盡量避免或減少因流量配合不當而導致的棄水。

6)在有必要的情況下，可以考慮變頻、變徑及變角的要求。

綜上所述，水泵選型應嚴格遵守水泵的選型原則，根據泵站工程的性質，結合投資、能耗、效率和運行費用等，對水泵的類型、結構形式、臺數等進行綜合考慮，選出最佳方案。

2 山西省中部引黃工程特性

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中一項重要大型供水工程，本工程干線自天橋水電站庫區取水，供水范圍包括四市十六個縣（市)，規劃供水6.02億 m3（生活0.11億 m3、工業2.59億 m3、農業3.32m3)，其中忻州供水區0.13億m3，呂梁供水區4.28億m3，臨汾供水區1.42億m3，晉中供水區0.18億m3。該工程包括取水工程和輸水工程，推薦方案由天橋水電站庫區左岸塔式進水口取水，設計取水流量23.55m3／s，設計最低取水水位830.0m，最高取水水位834.0m。

該泵站取水自天橋電站庫區，根據庫區水年含沙量情況，汛期7、8月及3月份庫區沖沙時含沙量較大。在保證供水量的前提下，確定在庫水含沙量大于5kg／m3時泵站不取水。取水方式是在左岸邊新建取水建筑物，經過引水洞進泵站前池，經泵加壓至出水池。

該工程可研設計階段推薦采用一級提水方案，推薦泵型為臥式雙吸雙級中開離心泵。單機設計流量2.95m3／s，設計揚程198m，配套電機功率8000 kW，8臺工作，2臺備用，總裝機容量80000kW。

該工程的特征如下：

1)流量大、單機設計流量2.95m3／s；揚程高，設計揚程198m。國內外屬于大流量高揚程供水工程。

2)距離長，泵站壓力出水管道全長2008m，采用單管布置，單管管徑3.6m；鋼管長394m，PCCP管長1614m。泵站壓力出水管末端設出水池，后接供水工程總干線輸水隧洞，輸水總干線長200.22km。

3)泥沙含量高，逐日最大含沙量為34.5kg／m3。

4)泵的選型要求較高，第一不能有汽蝕現象，第二防止磨損，第三保證較高的效率。

本研究基于國內外目前的水泵生產水平，進行該供水系統水泵選型的技術研究。

3 山西省中部引黃工程水泵選擇

3.1 水泵泵型選擇

考慮到泵站抽送水含沙量，為了減少對水泵的磨蝕，提高水泵的使用壽命，根據轉輪泥沙磨損試驗結果，轉輪出口線速度與轉輪磨損量成三次方關系。根據沿黃提灌泵站運行經驗，并結合近年來以投入運行的山西省夾馬口北擴泵站（單機Q＝2.3m3／s，H＝156m雙吸雙級臥式中開泵)、北趙提水泵站（單機Q＝2.6m3／s，H＝180m雙吸雙級臥式中開泵)和萬家寨引黃工程總干一、二級泵站（單機Q＝6.45m3／s，H＝140m 單吸單級立式離心泵)機組運行實例，筆者建議中部引黃工程泵站采用一級揚水方案是可行的，水泵采用多級泵方案。單級揚程控制在100m，葉輪出口線速度控制在45m／s內比較合適。因此，中部引黃工程臥式、立式水泵方案均選用兩級葉輪方案。

目前，根據國內外水泵生產技術水平，該工程主要有兩種泵型式可選用：一種是臥式多級泵，一種是立式多級泵。臥式多級泵有兩級和三級兩種泵型；立式多級泵目前國內沒有，國際上有兩級和四級。

3.2 中部引黃工程水泵特性參數研究

國內水泵生產企業推薦的主要是臥式泵方案，國外企業推薦的是大流量立式泵方案。臥式泵及立式泵方案特性參數見下表1。

表1 中部引黃工程水泵特性參數

臥式及立式泵結構如圖1、2所示。

圖1 臥式雙級雙吸泵結構

圖2 立式雙級單吸泵結構

3.3 中部引黃工程水泵結構研究

兩種泵型結構，有以下幾個不同特點，對比如表2所示。

3.4 單機流量的確定及工況點參數

水泵單機流量的確定，根據本工程泵站運行方式要求，原則上應該是單機流量盡可能大，機組臺數少，廠房占地平面小，減小開挖量，尤其是地下深挖方廠房，投資降低。在大量咨詢國內外水泵生產廠家，臥式水泵的泵體和泵蓋均為整體鑄造。如果單機流量在3.0m3／s左右，水泵泵體的軸向長度約為6.3m，徑向長度約為3.0m，整體重約48t。如果單機流量在4.0m3／s左右，水泵泵體的軸向長度將達7.2m，徑向長度約為4.2m，整體重約70t，造成整體運輸時屬于超重超長超寬物品，沿線的隧洞橋梁將滿足不了運輸要求，造成運輸困難。立式泵根據萬家寨引黃工程實例，單臺泵可達到6.45m3／s。根據工程的運行方式及提水量要求，確定泵站的水泵單機流量為：臥式泵方案采用雙吸雙級泵，單機流量2.95m3／s，八工兩備。立式泵方案采用單吸雙級泵，單機流量6m3／s，四工兩備。臥式及立式泵方案水泵工作點計算結果見表3所示。

表3 水泵工作點計算結果

3.5 綜合經濟比較

水泵的經濟性也是水泵選擇中必須考慮的關鍵因素之一，兩種泵型的經濟性對比如表4所示。

4 綜合分析及結論

從以上各技術參數和經濟指標看，兩種泵型各有優缺點。臥式泵是臺數多，效率低，年耗電量大，占地面積較大，水泵、電動機及配套輔助設備在同一層布置，設備較多，運行時將產生很大的噪音，對運行人員的身心健康造成很大的損害。臥式泵目前我省已運行同類型泵很多臺，生產有一定的經驗，國產臥式泵具有價格低優勢。臥式泵還具結構簡單，檢修維護方便的特點，配件價格低的優勢。立式泵目前國內還不能生產，需要進口或是合資企業生產，純進口價格太高，利用國外技術，在國內合資企業生產，這樣價格可大幅降低，但還是比國內臥式泵總造價要高很多。立式泵主要優點是占地面積小，泵效率高，年耗電量小，分層布置噪音小的特點，但是立式泵結構較復雜，檢修維護工作量大，配件價格將高于臥式泵。

表4 臥式泵和立式泵綜合經濟比較

中部引黃工程水泵目前在國內也是比較大的，尤其是提取黃河水的水泵，揚程高，流量大，對水泵技術要求較高，單單從技術指標和造價比較，不是很科學的，是否能可靠運行是最重要的。由于我們對這么大的雙級泵國內還沒有可借鑒的東西，所以，還需要再組織國內、外專家進行專題論證，使我們能為下階段設計提供依據。

［1］吳桂民.水泵選型方法［J］.煤炭技術，2009，5（28)：17-18.

［2］孫敏，楊曉東.整數規劃在水泵選型中的應用［J］.給水排水，1995（4)：33-36.

［3］紀曉華，鄢碧鵬，劉超.水泵選型專家系統研究與開發［J］.江蘇農業研究，2001，22（4)：77-79.

［4］鐘明榮.Visual Basic語言在水泵選型計算中的應用［J］.節水灌溉，2005（5)：60-62.

［5］劉家春.高揚程泵站的水泵選型［J］.排灌機械，2001，19（3)：20-22.