雙向雙速平面S形軸伸泵的應用研究

丁 聰

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

0 引言

為保證泵站機組安全、高效運行，許多工程增加了機組調節手段，如：葉片調節機構、變頻調速等[1]。雙速水泵因其較高的適應性和節能性已在電廠循環冷卻系統中得到廣泛應用，并取得了較好的節能效益[2～4]。因此，擬將雙速電機引入引排泵站設計。

福建九龍江防洪工程漳州段（二期）內林泵站引排工況凈揚程、規模均相差較大。因此，在泵型選定及泵組參數確定時，考慮配置高、低兩檔雙速電機，使得機組在排澇高揚程、引水低揚程時均可安全、高效運行。

1 工程概況

內林泵站為引排雙向泵站，設計排澇流量27.0 m3/s，引水流量15 m3/s。泵站引水凈揚程范圍0.00～2.16 m，設計凈揚程1.10 m；排澇凈揚程范圍0.00～5.45 m，設計凈揚程2.50 m。內林泵站布置于步文堤堤防內側，需通過穿堤箱涵與外河出水渠相接，外河側設有防洪閘。

2 泵組選型

2.1 選型原則及難點

泵站具有引排雙向功能，因此所選機組應滿足雙向運行功能。由于泵站引水工況年利用小時數較多，應盡可能提高引水工況泵站裝置效率；泵站排澇工況為城市保障、搶險，應保證泵組可靠、運行穩定，并便于檢修維護。泵站布置于堤防內測，需通過穿堤箱涵與外河出水渠相接。因此，所選泵組型式應便于與穿堤箱涵銜接。

泵站凈揚程較低，可選用軸流泵組。但軸流泵高效區范圍一般較窄，并且揚程范圍一般不大，高揚程時易進入不穩定馬鞍區。而內林泵站引水凈揚程范圍與排澇凈揚程范圍相差較大，設計凈揚程比值已超過2。因此，若以排澇工況選定泵組參數，引水工況裝置效率將會較低；若以引水工況選定泵組參數，排澇高揚程工況已進入不穩定馬鞍區。

2.2 泵型選擇

為實現泵站引排雙向功能，可采用單向葉輪雙向流道閘門切換方式，即X 形雙向流道立式軸流泵；或采用雙向葉輪（“S”型葉輪）單一流道方式。

（1）X形雙向流道立式軸流泵，抽排、抽引時下層流道為進水流道，上層流道為出水流道，通過流道進出口閘門的開啟、關閉，切換進出水方向實現抽排、抽引雙向運行功能。由此可見，所需閘門數量較多，閘門配合操作復雜。電機、水泵分層布置，泵房層數較多，結構復雜。并且泵站進出水為雙層流道，流道總高度較大，與穿堤箱涵銜接難度較大。

（2）采用雙向葉輪單一流道型式是利用水泵葉輪體本身的雙向特性，通過改變電動機的相序，以此改變葉輪的轉動方向實現抽排、抽引雙向功能。雙向葉輪水泵裝置多為臥式布置。根據葉輪兩側流道軸線是否在同一直線上可分為貫流泵和軸伸泵。

（3）由于泵站規模的限制，可供選擇的貫流泵僅有潛水貫流泵。潛水貫流泵技術雖已成熟，但其機組密封、防滲漏要求較高，維修難度較大，若機組故障一般為返廠維修。

（4）采用軸伸泵，可將流道布置成平面S 形，即平面S 形軸伸泵。電機與水泵放置在同一平面上，布置在流道外，因此泵組對密封要求相對較低，電機通風散熱條件好。泵體沿軸線分半，拆卸時可不必拆除電機，安裝檢修較為方便。水泵與電機布置在同一層泵房內，泵房結構簡單。

因此，從泵房結構布置、管理維護方便性、工程總體布置等方面綜合比較，選用平面S 形軸伸泵較為合適。

3 雙速異步電動機應用

3.1 雙速異步電動機電氣方案

雙速電動機屬于異步電動機變極調速，是通過改變定子繞組的連接方法達到改變定子旋轉磁場磁極對數，從而改變電動機的轉速。改變定子繞組極對數有兩種方法：雙繞組變極（定子槽內安放兩套極對數不同的獨立繞組）和單繞組變極（改變定子繞組的接法）[5]。本文工程采用單繞組變極，通過外部控制線路的切換來改變電機繞組連接方式，定子出線與母線接線示意圖見圖1和圖2。

圖1 順時針旋轉定子出線與母線接線

圖2 逆時針旋轉定子出線與母線接線

3.2 泵組參數選定

經臺數比選后選定4臺泵組。考慮到泵站排澇流量較大，以排澇流量作為泵站設計流量，水泵排澇設計流量為6.75 m3/s。結合已建平面S形雙向泵站水力性能曲線，確定本泵站葉輪，直徑1.55 m，排引泵組轉速分別為268、214.3 r/min，配套電機功率分別為630、330 kW，電機轉速分別為745、597 r/min，齒輪箱傳動比2.785。原型泵裝置性能曲線如圖3和圖4所示，裝置性能見表1和表2。

圖3 正向排澇工況裝置性能曲線

圖4 反向引水工況裝置性能曲線

表1 正向排澇工況裝置性能表

表2 反向引水工況裝置性能表

4 性能評價

比較雙速電機的泵站裝置性能和單速電機的泵站裝置性能，以此來檢驗雙向雙速方案的合理性。

由于泵站排澇工況揚程較高，揚程范圍也較大，為保證泵站安全、穩定運行，單速電機方案以排澇工況確定泵組參數。確定為水泵直徑1.55 m，轉速268 r/min，配套電機功率630 kW。

4.1 泵站裝置效率

單速方案原型泵正向排澇工況裝置性能曲線與圖3一致，原型泵反向引水工況裝置性能如圖5、表3所示。

圖5 反向引水工況裝置性能曲線

表3 反向引水工況裝置性能表

由圖5 可知，泵站引水揚程范圍均在高效鴨蛋區以下，偏離高效區較遠。

4.2 泵站能耗

能源單耗e指將1 kt水提升1 m所消耗的電能。其表達式如下：

式中：E 為某一時間段內，泵站所消耗的電度數；G為某一時間段內，泵站實際提取的水重；H凈為某一時間段內，泵站的平均凈揚程。

能源單耗e 與泵站效率η 的關系如式（2）所示[6]：由此可得雙速方案與單速方案引水工況下不同揚程時得能源單耗對比表（見表4）。

表4 單耗對比表

由表4可知，泵站設計揚程（多年平均揚程）時，泵站雙速方案能源單耗為4.81 kWh/（kt·m），泵站單速方案能源單耗為5.28 kWh/（kt·m），泵站節能效果明顯。

5 結語

本文以福建九龍江防洪工程漳州段（二期）內林泵站的泵組選型為例，分析研究了雙向雙速平面S形軸伸泵方案的可行性，并比較了裝置效率、能源單耗。結果表明:雙速電機可有效改變泵組水力特性，較好適應水位、流量變化，為雙向引排泵站的設計提供方案參考。