小型雙向立式軸流泵在閘站中的應用

徐 量

（淮安市水利勘測設計研究院有限公司南京分公司，江蘇 南京 210008）

0 前言

沿江濱湖地區，泵站揚程低，其中許多泵站往往需要雙向抽水功能[1]，如果能實現單臺水泵雙向運行，可大大減少土建及設備投資。對于雙向運行泵站，目前國內主要有三種形式來實現單臺水泵機組的雙向運行。分別是采用“X”形流道布置的立式軸流泵機組、采用“S”形葉片潛水貫流泵機組、采用可旋轉掉頭的潛水貫流泵機組。其中“S”形葉片潛水貫流泵機組的效率比同樣比轉速、葉輪直徑的普通貫流泵效率低、流量小[2]；可旋轉掉頭的潛水貫流泵機組需進行頻繁轉向，操作不便，且這兩種雙向泵站均是貫流泵，流道與水泵機組在一條直線上，不能實現自引、自排功能。

“X”形流道布置的立式軸流泵機組運行操作方便、快捷，通過自動化系統或人工操作可實現兩工況下對應的工作閘門啟閉，水泵電機的啟動不分工況，只需將水抽至上層抽水流道，通過閘門啟閉來實現不同的功能需求。該機組型式在泵站正反向運行時水泵均可高效運行，特別正反向抽水變化較頻繁的場合。

1 工程概況

工程位于江蘇省常州市西太湖科技產業園區，站址位于長汀浜與新武宜河大橋交匯處，地形基本平穩。水泵設計抽排流量為3 m3/s，抽引流量為1.5 m3/s，涵閘引排流量為16.8 m3/s，屬于小型泵站，等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4 級。

閘站功能：（1）汛期外河高水位時排澇；（2）內河換水。內河常水位為4.50 m，換水時首先通過水泵或閘門將內河水位降至3.00 m，再通過控制閘、閥及水泵將外河側水引入內河。當外河水位高于內河常水位時，先打開水泵，將內河水抽排到外河，當水位降至3.00 m 時，直接開閘引水；當外河水位低于內河常水位時，先開閘放水，當水位降至3.00 m 時，再通過泵引水至常水位。

閘站運行水位見表1。

根據水泵的特征運行水位，計算水泵特征揚程，見表2。

表1 泵站運行工況及水位 單位：m

表2 水泵特征揚程表 單位：m

根據泵站排澇工況及引水工況揚程運行范圍，選用軸流泵型[3～4]。由表2 可知，排澇工況與引水工況的特征揚程相差不大，最大不超過0.2 m，因此一泵兩用是能夠滿足的，選定700ZLB-160 立式軸流泵為本工程的水泵型號，安裝角度為0°，電機功率75 kW。

閘站共設兩臺水泵機組及一套排澇閘門，具有抽排、抽引、自引、自排功能。一臺為雙向水泵（1#機組），一臺為單向水泵（2#機組），水泵型號為700ZLB-160 立式軸流泵（0°），總裝機功率為150 kW，進水池底高程為0.30 m，進水流道寬度為2.5 m。

2 建設方案

泵站流量較小但功能較多，有自排、自引、抽排、抽引4 種工況，如按常規布置需設置1 臺引水泵站，2 臺排水泵站，同時需另設一孔水閘，如此，必然會增加占地和投資。

本次采用的雙向泵站的布置，僅需設置2 臺水泵，其中一臺為抽引功能，另一臺為抽引、抽排并兼有自排、自引功能，雙向功能是通過“X”形流道來實現的。

雙向泵站主要由流道、水泵安裝層、電機層、泵房組成，為實現雙向運行的功能，流道層上下游貫通，并通過閘門控制進水方向，閘門采用螺桿啟閉機啟閉，水泵由傳統單向出水管改為雙向出水管，出水水流流向通過出水管上設置的閥件控制，并在兩側出水管出口設置拍門，以避免水泵停機時出水池水倒灌。泵站主泵房剖面見圖1。

圖1 雙向立式軸流泵結構剖面圖

泵站的運行調度由閥1、閥2、閘門1、閘門2 來控制。①泵站自排、自引工況：打開閘門1、閘門2，關閉閥1、閥2，通過水泵流道引、排水。②泵站抽排工況：當內河側水位低于外河側水位時，打開閘門1 及閥2，關閉閘門2 及閥1，啟動水泵抽排，水流從內河側進水流道流經水泵，再從外河側出水管排入外河。③泵站抽引工況：當內河側水位高于外河側水位時，打開閘門2 及閥1，關閉閘門2 及閥2，啟動水泵抽引，水流從外河側進水流道流經水泵，再從內河側出水管引入內河。

3 關于設計的幾點思考

泵站建成并投入運行之后，運行效果良好，并未出現任何不良事故，但是針對泵站的設計，仍覺得尚有幾點可進行優化。

（1）可改干室型泵站為濕室型泵站

本工程中泵室采用的是干室，干室泵站的好處在于方便檢修和設備保養，但是其主要缺點是泵站使用一定年限之后，可能會出現滲水、漏水等現象：①泵室穿墻管處常年受室內外水壓差的影響，可能會出現滲水現象；②閥件接口部位由于橡膠老化，可能會出現漏水現象；因此需要通過化學灌漿、更換閥件等措施來對泵室進行維修保養。

如果電機層高于最高洪水位，為了便于管理，可以考慮將干室泵房改為濕室泵房，濕室泵可免去泵房排水的麻煩，優化泵房結構，節省造價。濕室雙向軸流泵水泵泵座只用兩個大梁支撐，取消泵室導流頂板，閥件采用長柄閥操作，結構見圖2。

圖2 濕室雙向立式軸流泵方案剖面圖

但是該結構由于出水管、閥件、傳動軸等設備均常年淹沒在水中，會發生腐蝕并增加故障率，因此耐久性及可靠性得不到保證，一旦故障，需將泵室內的水抽排掉才能檢修，所以該方案也有其不利的地方，因此具體選用哪種結構型式可根據運行管理單位的要求而定。

（2）控制閘門的單吊點啟閉機更改為雙吊點啟閉機。

本工程由于閘門凈寬較小，只有2.5 m，因此設計時采用的是單吊點螺桿啟閉機，泵站試運行時，發現螺桿正對水泵出水口，排水時受水流沖擊，雖然運行幾年下來未出現任何問題，但是存在一定的隱患，如有大型雜物掛在螺桿上，可能會造成螺桿彎折甚至折斷，影響閘門啟閉及水泵的運行，因此可優化為雙吊點啟閉機，螺桿避開主流，減少事故發生的幾率。

（3）自動化控制系統的必要性。

本工程由于控制設備較多，有閘門、閥門、水泵，每個設備啟動都要求一定的順序，一旦出錯必然會影響水泵運行，例如，在試運行階段，由于施工單位在未打開上、下游閘門的情況下啟動水泵，水泵運行約3 s 就事故停機，雖然正式運行時有操作規程，但是無疑增加了運行管理難度，因此如有富余資金，還是建議增加必要的自動化控制系統的，減少水泵運行事故，保證運行安全。

4 結語

本文以長汀浜閘站為例，介紹了利用設置雙向出水管形成“X”型流道，通過改變水泵進、出水方向，從而實現雙向出流的目的。同時，水泵的進水流道了用作涵閘的過流通道，實現“一機四用”的功能。工程自2018 年10 月完工驗收至今，運行良好，對類似功能泵站的設計可以起到很好的借鑒作用。

1）雙向軸流泵不管是正向還是反向，都是用的同一臺同一個型號水泵，因此正向、反向的流量、揚程需相差不大，否則必有一個工況運行效率大大降低，此時需要與其他方案進行經濟比選后方可實施。

2）通過出水管道閥門、拍門控制的雙向水泵只適用于流量較小的泵站，當單泵流量大于3.0 m3/s 時，為了保證裝置效率，此布置并不適用，建議將管道改成流道并通過閘門控制。

3）如水泵電機層高程高于最高水位，可以考慮采用濕室泵站型式，這樣可減少泵室內部排水的麻煩，運行管理起來更加便捷。

4）自動控制化系統是必要的，特別對于操作步驟繁多的工程，自動化可有效避免人為操作的失誤，減少水泵運行事故，保證運行安全。