古城區金安橋提水工程一級泵站水泵并聯工況校核點推求

李蘇航，蘇玉婷，劉冬冬

(1.陜西省水土保持生態環境監測中心，陜西 西安 710004；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 概述

古城區金安橋提水工程取水點為金沙江金安橋庫區，出水點為團山水庫。根據工程線路布置方案，工程主要由泵站工程及輸水工程組成。泵站工程總體布置于金沙江右岸，文化溝南線，一級泵站位置位于文化溝下游1.5 km突出的山體側，采用浮船取水；二、三級泵站布置于一級泵站與隧洞進口之間山坡緩坡處，采用干室型[1]泵站；管道采用DN1000鋼管、地埋方式布設。輸水工程總體沿麗寧工程(S991省道)和鄉鎮公路(巖樂段、文化段)布置，由3段隧洞工程+5段管道工程(3段有壓管道+2段自流管道)組成，其中隧洞工程總長4.664 km，管道工程總長12.837 km。工程等別為工程為Ⅲ等中型工程，主要建筑物級別2級。

2 水泵型式

工程取水位置位于金安橋庫區，根據庫區運行調節方式，取水位變幅高達20 m，且庫周岸邊地形地質方面有較好的浮船安裝條件，故采用浮船取水方式。根據提水分級情況，一級泵站揚程約385 m，需選用多級泵提水。多級泵通常分為臥式多級泵和立式多級泵。參照廠家提供的兩種泵型樣本資料，立式多級泵流量較小，需要選擇的臺數較多，而臥式多級泵流量較大，更適用于本工程。同時，臥式多級泵在運行時更平穩，效率也較立式多級泵高，故本次選用臥式多級泵[2]。臥式多級泵[3]的結構安全可靠，密封可靠，使用壽命長，具有良好的氣蝕安全性能，高效率、低維護率，適應各種介質，可適用于大流量，高揚程供水工程[4]。

3 水泵主要參數

3.1 水泵臺數

本工程設計流量1.32 m3/s，即4752 m3/h，綜合考慮流量、揚程與水泵選型匹配，水泵臺數采用4用2備，單臺泵流量1188 m3/h，揚程380 m，單機功率1800 kW。

3.2 水泵額定轉速

根據泵站的最大揚程、設計引用流量等參數，參考目前國內類似規模的泵組制造和運行業績，結合初設階段泵站設計條件、機組選擇臺數及水泵廠家相關資料，選擇適合三級泵站設計流量1188 m3/h、揚程385 m的中開多級泵，泵房型式為浮船型式。根據本工程水源泥沙含量不高的情況，結合泵站設計參數，經咨詢多個廠家，適合本工程的水泵額定轉速基本均為1480 r/min，屬于較低轉速水泵。

3.3 水泵效率

參照水泵制造廠提供技術資料，水泵效率約在0.83～0.87之間，考慮含沙水流對水泵過流部件磨蝕的影響及多級泵級間損失，本階段確定水泵設計效率[5-6]為0.85。

一級站設計揚程361.5 m～381.5 m；揚程范圍363.63 m～383.73 m；最大軸功率1545 kW；額定轉速1480 r/min；比轉速ns=35 r/min；NPSHr=4.2 m；運行方式：工頻運行。

參考廠家樣本資料，單臺水泵特性參數及特性曲線分別見表1和圖1。

表1 水泵特性參數表

圖1 水泵性能曲線

3.4 水泵配套電動機

根據《水泵設計規范》(GB 50265-2010)規定，泵站配套電動機輸出功率應按水泵可能出現的最大軸功率選配，電動機儲備系數取1.05～1.1倍，由此確定各級泵站電動機主要技術參數：型式為YRBF630-4-1800三相異步電動機；功率1800 kW；轉速1489 r/min；電壓380 V；額定電流205.3 A；冷卻方式為空冷；數量6臺(4用2備)。

4 計算結果及分析

4.1 設備指標校核

根據本工程情況，工程設計工況為四泵并聯運行。

4.1.1 水泵運行工況分析

①并聯管道水泵工作點推求

為了檢驗泵型及管路配置是否合適，應進行水泵裝置工作點校核[7]，要求工作點落在水泵高效率范圍內，否則應重新選泵，或改變管路配置情況，或進行調節。

裝置性能參數計算：

H需=H凈+KSQ2=H凈+K(S沿+S局)Q2

式中：H凈為泵站凈揚程，m；S沿為管路沿程阻力系數；S局為管路局部阻力參數；Q為通過管路的流量，m3/s；n為管路材料糙率，本次取0.013；D為管路直徑，m；L為管線長度；ξ為管路局部阻力系數；D局為局部阻力系數相應流速處管徑；K為修正系數，取1.1。

一級泵站的水泵在各運行工況時的管路阻力系數S計算結果見表2。

表2 一級站阻力系數S計算結果

4.1.2 水泵工作點推求

運行水泵并聯運行工作點的校核，需確定水泵在不同工作揚程下的水泵工作點[8]，然后分析是否滿足設計要求。

按同一比例，將四臺或水泵并聯后總性能曲線與并聯管路系統特性曲線Q-H需繪到同一坐標系中，得兩曲線的交點A，A為并聯工作點，由A向左作水平線與水泵性能曲線Q-H交于A′，A′即為并聯運行時每臺水泵的工作點。各泵站工作點見圖2～圖4。

圖2 一級泵站(最高水位)工作點推求

圖3 一級泵站(設計水位)工作點推求

圖4 一級泵站(最低水位)工作點推求

根據上圖，可知一級泵站的水泵在并聯和單泵運行時的工作點，相關數據見表3。

表3 一級泵站水泵工作點參數

根據上述計算可知，一級泵站水泵流量能夠滿足提水要求，匹配較好，在水位變幅范圍內三種工況下均能滿足設計流量要求，且均在高效區運行，故選取的水泵是合適的。但是從計算結果和廠家的水泵特性曲線可以看出，該水泵曲線中流量偏大，水泵性能參數還可進一步優化，建議設備招標時要求廠家按照設計流量及揚程對水泵葉輪直徑進行優化，更好地滿足本工程的需要。

4.2 電機功率復核

單泵運行時，水泵的電機功率為最大，為保證所選電機功率滿足各工況下水泵運行的要求，本次對單泵運行時水泵所需功率進行復核計算。

電機有效功率為水經過水泵后所得到的凈功率，也稱水泵的輸出功率，用N效表示；軸功率為水泵的有效功率和泵內損失功率之和，用N軸表示。可按下式計算：

式中：ρ為水的密度，本次根據當地水流挾沙情況，取為1050 kg/m3；Q為水泵流量，m3/s；H為水泵揚程，m；η泵為運行工況下水泵運行效率，%。

經計算，三座泵站水泵所需電機的有效功率和軸功率見表4。

表4 一級泵站水泵電機功率計算表

由表4計算結果，并結合水泵工作點推求的單泵軸功率可知，最大軸功率即水泵在單泵運行時的軸功率滿足水泵運行需要，并留有不小于5%的富裕度，滿足規范要求，故所選電機是合適的，水泵泵型選擇和電機選全滿足設計要求。

4.3 泵站裝置效率預測

本泵站的抽水裝置主要由動力機、水泵、管路、出水池組成。泵站裝置效率按下式計算：

η裝=η泵η動η傳η管

式中：η裝為泵站裝置效率，%；η泵為運行工況下水泵運行效率，%；η動為電動機的效率，取95%；η傳為傳動裝置效率，直接傳動，取值1；η管為進、出水管路效率，η管=H凈/H總，%。

三座泵站水泵裝置效率預測結果見表5。

表5 水泵裝置效率預測

上述計算結果顯示，各級泵站的裝置效率達到規范要求的70%以上。根據實際情況結合國家規范要求，在招標時，應提高水泵效率要求，選擇高效率的水泵，三級泵站的裝置效率符合規范要求。

4.4 水泵安裝高程

根據本階段獲得的廠家資料，并參照泵站工程的經驗，安全余量系數k=1.1～1.5，本階段取1.5；設計揚程下必需NPSH為4.2 m，一級泵站取水口處金沙江水位變幅為1398 m～1421 m，初步選定為浮船取水方式，船體可隨江面水位變化升降，安裝高程相應變化；結合浮船泵站總體結構布置設計并留有裕量后，本階段初步確定水泵安裝高程[9-10]高于水位1 m。二、三級泵站水泵安裝高度公式計算(本文不做計算)。

5 結語

1)根據本工程情況，并聯工況下，水泵流量能夠滿足提水要求，匹配較好，在水位變幅范圍內三種工況下均能滿足設計流量要求，且均在高效區運行，但是從計算結果和廠家的水泵特性曲線可以看出，水泵性能參數還可進一步優化。

2)水泵在單泵運行時的軸功率滿足水泵運行需要，并留有不小于5%的富裕度，滿足規范要求，水泵泵型選擇和電機選全滿足設計要求。

3)各級泵站的裝置效率達到規范要求的70%以上。根據實際情況結合國家規范要求，在招標時，應提高水泵效率要求，選擇高效率的水泵，三級泵站的裝置效率符合規范要求。