大型多泥沙梯級提水灌溉泵站水泵選型設計研究

孫玉涵 劉紹謙 王佳

摘 要：本文以鹽環定揚黃工程提水系統設計為模型，研究分析了大型多泥沙梯級提水灌溉泵站水泵選型設計，結合水流水質情況，從水泵型式、氣蝕、過流部件材質、機組安裝高程確定等幾方面進行研究。該研究為大型梯級提水工程的水泵機組選型設計提供了經驗與參考。

關鍵詞：梯級提水；多泥沙；氣蝕余量；安全系數

中圖分類號：TV675 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）23-0098-03

Selection Analysis and Design of Pumps for Cascade Irrigation

Pumping Stations with Heavy Sediment

SUN Yuhan LIU Shaoqian WANG Jia

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： Based on the design of the water lifting system of the Yellow River Project in Yanhuanding， this paper studied and analyzed the design of pump type selection for large-scale sediment ladder pumping irrigation station. Combining with the water quality， the pump type， cavitation， the material of flow passage parts and the determination of unit installation height were studied. This study provides experience and reference for the selection and design of pumping units for large cascade water pumping projects.

Keywords： cascade water pumping；heavy sediment；NPSH；safety factor

1 寧夏鹽環定揚黃共用工程概述

鹽環定揚黃共用工程主干線經一泵站（取水泵站）從黃河青銅峽東干渠取水，后經原二泵站～八泵站梯級輸水至老鹽池分水閘，向南至鹽池縣李家大莊，到達甘肅的分水點，向東到鹽池縣牛家口子，給陜西分水。

共用工程已運行近20年。由于先天不足和投運后效益低下，工程設施、設備得不到及時與全面的維修和更新改造，致使工程普遍存在以下問題：水工建筑物年久失修，工程帶病帶險運行；機泵設備銹蝕、磨損、老化嚴重，設備效率、可靠性低下等。因此，需要對原取水泵站進行改造，并結合工程實際情況，對泵站級數進行合并調整，簡化系統設計，提高系統的穩定性和安全性[1]。

鹽環定揚黃共用工程更新改造后，原八級泵站合并為五級泵站，合并泵站間全部采用壓力管道和明渠輸水。

2 梯級提水系統設計參數

2.1 泵站出水壓力管道

鹽環定揚黃共用工程更新改造后，一泵站仍為一泵站，二泵站和三泵站合并為新二泵站，四泵站和五泵站合并為新三泵站，六泵站和七泵站合并為新四泵站，八泵站原址改造，為新五泵站。改造后，合并泵站間全部采用壓力管道和明渠輸水，合并后各級泵站詳細的壓力管道和明渠參數見表1。

表1 一泵站～五泵站壓力管道參數

[改造后泵站名稱 壓力管道長度/m 一泵站（取水泵站） 35 二泵站 5 538 三泵站 3 081 四泵站 5 065 五泵站 1 127 ]

2.2 泵站流量

合并后新一泵站～五泵站設計流量詳見表2。

3 水泵選型設計

3.1 水泵型式選擇

常用灌溉泵站使用的水泵型式有軸流泵和離心泵。根據寧夏鹽環定揚黃共用工程泵站改造項目的參數，各泵站流量較大，揚程適中，考慮選用單級雙吸臥式離心泵。該泵型為單級葉輪，葉輪雙側吸水，流量大；葉輪結構對稱，葉輪的軸向力基本達到平衡，水泵運行比較平穩。

表2 一泵站～五泵站流量表

[泵站名稱 加大流量（m3/s） 設計流量（m3/s） 最小流量（m3/s） 一泵站（取水泵站） 12.65 11.0 5.5 二泵站（五里坡） 12.61 10.95 5.475 三泵站（紅柳坑） 12.58 10.93 5.465 四泵站（胡家小井子） 12.42 10.8 5.4 五泵站（白塔水） 12.28 10.68 5.34 ]

3.2 高含沙水流水泵選擇分析

鹽環定揚黃共用工程泵站項目泥沙含量高。多年的運行實踐證明，泥沙磨損導致水泵流量減少，效率下降，泵站能耗增大。為此，最大限度地減少泥沙對水泵性能的影響，提高水泵效率，減少能耗，成為泵站改造的重點。

水中的含沙量不同，會導致水泵的機械損失、容積損失和水力損失有所變化。機械損失主要是輪盤損失，當流道中抽送含沙水流時，葉輪輪盤的外表面與水體之間的摩擦阻力增大。此外，含沙水流還會不斷磨損密封環，使其間隙寬度迅速變大，泄漏流量急劇增加，從而增大容積損失。同時，由于水的容重增加，當水流速度的大小和方向發生變化時，慣性力和離心力都會增大，漩渦影響也必然增大，從而使水力損失增大。由于含沙水流使水泵的3種損失都有所增加，局部效率下降，因而水泵的整體效率也會明顯下降。水中含沙是客觀存在的事實，只有在水泵選型上最大限度地減少泥沙對水泵性能的影響和對過流部件的磨損，提高水泵效率，才是水泵選型的重點。

3.2.1 選擇低轉速水泵。在流量和揚程滿足運行要求的情況下，盡量選擇高效率、低轉速及耐磨的水泵；在葉輪直徑不變的情況下，盡量降低葉輪旋轉部件的線速度，減少水泵磨損，延長葉輪使用壽命，提高水泵效率。

3.2.2 選用氣蝕性能好的水泵。由于水流中氣泡受脈動壓力的作用而潰滅產生氣蝕，氣蝕時產生的微射流會帶動泥沙出現水擊，形成強大的局部摩擦，加速水泵流道部件的磨損，磨損又使過流壁面凹凸不平，從而引起局部脫流，形成漩渦，漩渦產生氣蝕，加劇了磨損。磨損與氣蝕相伴而生，相互促進。因此，應優先選擇氣蝕性能好的水泵，盡可能選用允許吸上真空高度值大或必需氣蝕余量值小的泵，以減少氣蝕破壞。因此，在確定水泵安裝高程時，必須考慮過流含沙量，并對必需氣蝕余量予以修正。

3.2.3 過流部件采取合理有效的材質和抗磨措施。泥沙磨損是含沙介質水力機械普遍遇到的突出問題。除選用水力性能良好，尤其是氣蝕性能良好的水泵外，還應對水泵內殼流道、葉輪表面等易氣蝕和易磨損的部件，選用性價比較高的抗磨結構和涂覆耐磨涂料。

3.2.4 選擇部件易于更換的泵。在多沙水流上運行的水泵，過流部件磨損嚴重，當前尚難避免。多數站為了保持水泵一定效率，采取的措施是及時更換部件，或在固定部件上涂抗磨材料。根據一些泵站的運行經驗：優先選用臥式泵。

3.2.5 單泵容量不宜過大，臺數不宜過少，否則運行管理不便。多沙水流的泵站，由于泥沙問題、運行管理問題比較突出，如選擇單機容量過大，起動、停機對電網影響大，停泵一臺對灌溉影響也大，泵件較重，拆、吊、裝技術復雜費時間。

綜上所述，鹽環定梯級提水流量大，揚程適中，泵站級數較多，因此選用單級雙吸臥式離心泵是適宜的。

3.3 水泵安裝高程選擇

磨損與氣蝕相伴而生，相互促進，加速了水泵磨損。選擇氣蝕性能好的水泵并適當降低安裝高度，以減少氣蝕破壞有利于水泵安全長期運行。

水泵的安裝高度直接影響水泵的吸水性能和泵站的土建費用。水泵安裝得過低，泵房土建投資增大，施工難度增加；過高則水泵產生氣蝕。因此，需要合理確定水泵的安裝高程，才能盡量降低泵站的造價，保證水泵的正常運行，防止氣蝕現象的發生。

臥式離心泵的基準面指通過由葉輪葉片進口邊的外端所描繪的圓的中心的水平面。泵站的安裝高程采用許用氣蝕余量進行計算，安裝高程計算公式如下：

[Hs=Hg-Hz-hs-NPSH] （1）

式中：[Hg]為水泵安裝地點的大氣壓力（mH2O）；[Hz]為液體相應溫度下的飽和蒸汽壓力水頭（mH2O）；[hs]為水泵進口前吸水管沿程及局部水頭損失之和（m）；[NPSH]為水泵許用氣蝕余量（m）。

[NPSH=k×NPSHr] （2）

其中，[k=1.1～1.5]，為水泵裝置的安全系數，[NPSHr]為水泵必需氣蝕余量（m）。

本工程設計采用的必需氣蝕余量是水泵最不利運行工況點對應的氣蝕余量。水泵需用氣蝕余量按照必需氣蝕余量乘以1.5倍安全系數，據此算出水泵安裝高度[2]。

施工階段水泵供貨商做水泵真機氣蝕性能試驗時發現，鹽環定梯級揚水系統二、三、四、五泵站大泵試驗的必需氣蝕余量均大于合同要求的值。為了保證水泵安全穩定運行，以二泵站為例驗證了二泵站的大泵。

二泵站不同工況點水泵裝置安全系數計算見表3。

通過對已經建成的多泥沙黃河引水泵站的大量數據進行研究和分析可知，水泵最極端工況點運行時裝置安全系數在1.3以上，可以保證水泵不發生氣蝕；而清水泵站裝置安全系數僅需要達到1.1以上即可。從表3可以看出，水泵最不利運行工況點的裝置安全系數為1.4～1.97，基于多泥沙泵站設計和運行經驗，可以滿足水泵在含沙水流條件下的安全穩定運行。

4 結論

多泥沙水源取水工程，水流含沙量高是客觀存在的事實，在水泵選型上最大限度地減少泥沙對水泵性能的影響和對過流部件的磨損才是水泵選型研究的重點。因此，要從水泵的型式、水泵的工作參數及水泵的安裝高程的合理選擇計算來避免泥沙對水泵的結構性能的影響。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.泵站設計規范：GB 50265—2010[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2]馮逸仙.給水排水設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.