南京市永宏泵站機組選型分析及CFD驗證

王麗 王乃剛 彭兵 開華東 林旭 石麗建

摘要：針對一些無法進行模型試驗的中型泵站，合理的裝置選型和水力模型選型對泵站的高效、安全、穩定運行具有重要的意義。以南京市永宏泵站為研究對象，分析了泵站主要設計參數，采用基于同類型泵站試驗數據的新型選型方法，并通過數值計算來驗證選型結論。結果表明：對于無法進行泵裝置模型試驗的泵站來說，采用基于同類型泵站試驗數據的選型方法可以準確地預測水泵的運行角度，而且選型結果具有較高的準確度。研究成果對國內外中小型泵站工程的水泵選型具有一定的借鑒意義。

關 鍵 詞：水泵選型;水泵模型;數值模擬;永宏泵站;南京市

中圖法分類號：TH312

文獻標志碼：A

文章編號：1001-4179（2021）09-0155-05

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.09.025

0 引 言

在南水北調、引江濟淮、城市防洪排澇等大型調水工程中，泵站是十分重要的組成部分，而水泵選型是大型泵站工程可研階段必須解決的重要問題。水泵選型的合理性與科學性，對泵站的安全、高效、穩定運行具有十分重要的意義。

目前，針對大型泵站工程軸流泵水力模型的選型研究已有了一些研究成果。梁金棟等[1]從水泵選型、汽蝕特性和能量性能3個方面討論了大型低揚程泵站nD值的選取。洪偉等[2]針對淮河入海水道的大變幅揚程泵站，從水泵選型和運行控制方法2個方面進行了研究。何洪兵等[3]針對現代灌區用水泵，開展了科學的設計及水泵機組類型的選型研究。張銳[4]針對高揚程的抽水泵站，對水泵特征、機組數量、機組方案等進行了深入的探討，并經過比選得到了合理的選型方案。以上水泵選型均根據泵站自身特點進行了相應的選型分析及比較，但很少涉及到相關的選型方法。目前，針對大型泵站工程水力模型選型的方法主要有以下2類：一類是等揚程加大流量法;另一類是等流量加大揚程法。之前，在大型泵站工程水泵選型時應用較多的是等流量加大揚程法，該方法直觀、簡單，但是選型結果使得水泵裝置經常在偏工況下運行。隨后，湯方平等[5]通過研究提出了等揚程加大流量法，該方法選型結果較等流量加大揚程法更為準確。閔京聲等[6]對天津同臺測試結果進行了整合分析，并編成軟件開展了水力模型的比選。除了上述現有的成果以外，在水泵選型方面還有其他的一些研究成果[7-10]。

現階段，雖然針對大型泵站工程的水力模型的選型有了一定的研究成果，但是選型基本上是從規范出發，選取對應的幾個模型進行性能分析。本文針對南京永宏泵站的實際情況，提出了基于同類型泵裝置優秀模型試驗數據的新型選型方法，使得水泵選型更為準確。

1 工程概況

南京市永宏泵站的工程任務主要是提高兩湖中部圩區排澇能力，保障圩區內人民群眾生命財產安全，同時兼顧引水補湖（固城湖）。泵站設計流量為23.2 m3/s。永宏泵站采用塊基型整體結構，位于原船閘位置處，主要功能是汛期將石固河澇水通過機排排入石臼湖，灌溉期引石臼湖水入石固河，非汛期視石臼湖水位，將石固河內澇水自排入石臼湖;排澇、灌溉設計流量均為23.2 m3/s，單機設計流量為5.8 m3/s。排澇工況特征水位如表1所列。

2 水泵裝置型式比選分析

2.1 泵型選擇原則

泵站設計流量為23.2 m3/s，泵站凈揚程為2.84 m，屬低揚程泵站。根據永宏泵站運行的特點和要求，以GB/T 502065-2010《泵站設計規范》為依據，從技術、經濟等方面考慮，泵型的選擇應遵循以下原則：

（1）廣泛收集和整理與本站有關的泵型資料，充分利用國內現有的優秀水泵水力模型，優先選用天津試驗臺同臺測試的模型，并在實際工程運用中具有國內領先水平的水力模型;

（2）機組設備先進，技術成熟，運行安全可靠，確保抽水保證率;

（3）水泵高效區范圍寬，確保泵站各揚程工況下均能安全運行;

（4）水泵汽蝕性能好，保證機組在使用壽命期內檢修次數少、性能退化慢;

（5）機組效率高，盡可能降低運行費用;

（6）機組安裝、檢修、維護方便，易于運行管理;

（7）與土建、電氣、金結工程綜合考慮，經濟上合理，技術上可行;

（8）符合中國現行規程、規范的要求。

考慮到永宏泵站的特點，該泵站的設計揚程僅有2.84 m，屬于低揚程泵站，但是需要同時實現排澇和灌溉的雙向功能;而根據軸流泵系統分類圖（見圖1）可知：要想實現永宏泵站的功能，可選擇的泵裝置型式有立式雙向流道泵裝置、豎井貫流泵裝置、S形軸伸貫流泵裝置、燈泡貫流泵裝置和全貫流泵裝置。此外，永宏泵站最大揚程與設計揚程的比值達到了1.55，高于當前1.40的水平，因此，在水力模型比選時需要兼顧到最大揚程的運行要求。

2.2 水泵裝置型式比選

立式雙向流道泵裝置當初是為了實現灌溉和排水相結合而設計的裝置型式，由雙層流道和快速閘門控制水流的流動方向，相較于其他的立式泵裝置，其土建投資較大。開敞式立式軸流泵配雙層涵洞式進出水流道是目前低揚程雙向泵站上用得較多的一種結構形式，該結構能極方便地實現雙向抽排水，因此在需要防洪、灌溉、引水等多種功能的泵站中得到了廣泛使用，是中國泵站工程的一個創新。如泰州引江河泵站、望虞河泵站、白屈港泵站、張家港三干河泵站、四干河泵站、安徽蚌埠化家溝泵站等都選用了該泵裝置結構形式。泵站采用開敞式立式軸流泵配雙層涵洞式進出水流道，通過閘門控制實現雙向抽水，在水力條件允許下還可以自排和自引。立式雙向流道泵裝置結構簡單，水泵安裝和檢修都比較方便。此外，該立式軸流泵機組占地面積小，葉輪在水下，對防汽蝕有利，電動機安裝高程位置調節范圍大，防洪要求容易滿足;同時，有利于節省設備費用，亦有利于縮短站房底板長度。這種裝置型式的水泵出口因不用設置彎管而降低了泵裝置的高度，水泵的安裝高程比虹吸式、平直管出水流道高，減小了基坑開挖深度，而且出水流道結構簡單，形狀規則，便于施工。缺點是裝置的水力損失偏大，泵站裝置效率偏低。

永宏泵站在泵裝置型式選擇時，如果選擇貫流泵機組，可以選擇豎井貫流泵裝置、S形軸伸貫流泵裝置、燈泡貫流泵裝置和全貫流泵裝置。全貫流泵是將潛水電機技術與貫流泵技術相結合而產生的新型機電一體化產品。全貫流泵裝置具有體積小、電機冷卻效果好、安裝方便等特點，但由于采用的是濕定子電機，電機位于葉輪外緣，維修不便，而且葉片角度無法調節，效率也較低。一般應用在場地要求比較高和城市急排領域。燈泡貫流泵裝置是將電機安裝在一個燈泡形狀的金屬殼體內，整個裝置的結構比較緊湊。但是燈泡式貫流泵的結構較復雜，密封要求高，安裝維修極不方便?；窗踩咀钤绮捎昧藷襞葚灹鞅醚b置型式，裝置的最高效率在70%左右。但淮安三站建設完成后，存在啟動困難、效率偏低、運行管理不便等諸多問題。南水北調一期工程建設開工完成后，很少有泵站再選擇燈泡貫流泵裝置型式。因此，如果采用臥式泵裝置型式來實現永宏泵站的功能，只能采用豎井貫流泵裝置和S形軸伸貫流泵裝置。因為泵站為雙向泵站，貫流泵方案只能采用S形雙向葉片，采用單向流道通過電機正反轉達到雙向運行的目的。南水北調一期工程的邳州豎井貫流泵站建成以來，豎井貫流泵站像雨后春筍般的發展起來。據不完全統計，中國南水北調工程建設開工以來新建的約200座大中型泵站中，豎井貫流泵站約有30座，在低揚程泵站中應用更為明顯。

從水力特性上來看，當前大型低揚程立式雙向流道泵裝置最高運行效率在72%左右，而且使用的是單向軸流泵葉輪，無論是灌溉還是排澇，其運行效率是一致的。而采用豎井貫流泵裝置型式時，必須采用S 形雙向葉輪來實現灌溉和排澇的功能。大型低揚程豎井貫流泵裝置正向最高運行效率可以達到75%，但是反向運行效率非常低，比正向運行要低10%以上。從運行管理角度來看，立式泵裝置運行管理技術較為成熟，具有豐富的運行管理經驗，而且立式軸流泵便于現場檢修。在對泵裝置型式進行綜合比較的基礎上，推薦采用立式雙層流道泵裝置型式。

3 水泵選型

主泵的臺數應根據工程的重要性、運行條件及年運行小時數來確定。該工程的主要功能為排澇，考慮到運行的可靠性，主泵臺數不宜少于3臺。該工程年運行時間較短，主泵臺數過多，一次性投資較大，后期設備維護成本較高。根據工程自身情況以及與蛇山抽水站聯合運行的可能性，本次機組臺數擬定4臺/套，單機流量為5.80 m3/s;葉輪直徑確定為1 350 mm，轉速為295 r/min。

3.1 等流量加大揚程選型方法

水泵的選型應滿足一定設計標準內供排水的要求，以及應滿足運行效率高、安全和汽蝕性能好的要求。等流量加大揚程選型方法是根據泵站的凈揚程來估算裝置的損失揚程，最后得到裝置的總揚程。若泵裝置設計點為A點（Qz，Hz），泵站裝置揚程的計算公式如下：

根據裝置揚程和損失揚程的結果，可以確定泵段曲線上對應的設計工況點為B點，在水泵選型時，需要使得B點位于泵段性能曲線的高效區。假設B點為泵段曲線的最高效率點，但是通過對泵段和泵裝置性能曲線的比較可以發現，若泵段性能最高效率工況點在B點，對應的裝置上最高效率工況點應該在C點（見圖2），而裝置的最高效率C點離泵站設計工況A點較遠，因此這種選型結果會使得泵站長期處于非高效區運行。但對于高揚程泵站，管路損失較小，則圖2中的C點和A點相差不大，因此可采用等流量加大揚程的選型方法;但是對于低揚程泵站，管路損失占比較大，該選型方法則不適用，其劣勢明顯。

3.2 等揚程加大流量的選型方法

等揚程加大流量的選型方法改善了等流量加大揚程法的弊端，對于低揚程泵站可以選出更為合理的水力模型。在泵站設計點為A（Qz，Hz），揚程保持不變的條件下，增大一定的流量進行選型。Qp=Qz+ΔQ，根據加大流量后的B點來選泵，裝置的最高效率工況C點與A點的差別就會較?。ㄒ妶D3）。該選型方法的關鍵在于確定ΔQ 的大小，并且管路損失越大，流量增加的就越多。但是ΔQ的大小只能粗略估算，而且不同的泵裝置對應的是不同的ΔQ值。

3.3 基于同類型裝置模型試驗數據的選型方法

無論是等流量加大揚程法還是等揚程加大流量法，其本質都是在天津同臺測試泵段試驗數據的基礎上得到的。但現有泵裝置模型試驗表明，泵段加上進出水流道得到的泵裝置的水力性能與泵段（天津同臺測試的性能）有較大的差別，在這種情況下，無法準確得到現有泵站的選型最優結果。對于永宏泵站這種中型泵站而言，葉輪直徑為1.35 m，根據相關規范要求可以不進行裝置模型試驗。因此，其葉片角度的確定更多是依賴于水泵選型的結果。采用等流量加大揚程方法對于高揚程泵選型準確度尚可，對于永宏泵站這種低揚程泵站顯然不適合。而采用等揚程加大流量法，可以根據泵段試驗結果來較為粗略地估算其運行角度，但準確度不高，而且裝置效率只能是參照使用該水力模型的相關泵站的裝置效率來粗略估算。

大量的試驗結果表明：不同葉輪在同一裝置下的水力損失與同一葉輪在不同裝置下的水力損失相比，葉輪的影響明顯大于裝置型式的影響，因此在利用現有水泵模型裝置的試驗成果進行水泵選型時，應選用具有相同水泵模型的模型裝置。即：在水泵選型時，既要保證所選的水力模型是一致的，又要保證采用的裝置型式是一致的。這樣選出來的水力模型即使不進行模型試驗驗證，通過相似換算也能得到比較準確的運行效率和運行角度。

根據永宏泵站的功能及運行水位等參數要求，經過對部分天津試驗臺水力模型和國內優秀水力模型的初步比選，選擇TJ04-ZL-07號和TJ04-ZL-23號模型進行比選，根據比選結果，擇優選擇水力模型。模型泵的主要性能參數如表2所列。

由表2可以看出：TJ04-ZL-07號和TJ04-ZL-23號模型水泵性能指標達到設計要求，汽蝕性能好，高效區范圍較寬。而且2種水力模型在國內大型泵中已被多次采用，并證明其具有良好的運行可靠性。

由于開敞式立式軸流泵配雙層涵洞式進出水流道泵裝置的流道水力損失難以估算，因此采用類似泵裝置模型試驗成果進行泵裝置選型更為可靠。

常熟水利樞紐采用的是TJ04-ZL-07號水力模型，且泵裝置型式為立式雙向流道泵裝置;化家溝泵站采用的是TJ04-ZL-23號水力模型，且泵裝置型式為立式雙向流道泵裝置。根據相似換算規律，將采用TJ04-ZL-07號模型的常熟水利樞紐泵站模型的裝置性能曲線和采用TJ04-ZL-23號模型的裝置性能曲線換算成永宏泵站的設計參數。性能曲線分別如圖4和圖5所示，永宏泵站裝置的性能參數如表3所列。

通過對永宏泵站泵裝置性能的對比可知：在設計揚程和最大揚程工況下，TJ04-ZL-23泵裝置的效率均優于TJ04-ZL-07泵裝置的效率;TJ04-ZL-23水泵在最高揚程工況下運行時，離馬鞍區更遠，泵站運行更可靠且TJ04-ZL-23汽蝕性能更優。綜上所述，永宏泵站擬推薦采用TJ04-ZL-23號水力模型。

4 選型結果CFD驗證

根據永宏泵站的水位資料及初步設計泵站平面圖和泵站剖面圖，對箱涵式進水流道、箱涵式出水流道、葉輪和導葉體等部件進行三維實體建模。泵裝置三維模型如圖6所示。軸流泵葉輪為選用的TJ04-ZL-23水力模型，導葉體為配套導葉，葉輪葉片數為3片，導葉葉片數為5片。

通過mesh軟件，對泵裝置箱涵式進水流道和出水流道進行非結構化網格劃分，結果表明：網格質量較好，能夠滿足計算要求。對葉輪和導葉體在Turbo-Grid中進行了結構化網格劃分，結果表明網格質量良好。經網格無關性驗證，最終整個計算域網格數在480萬左右。

箱涵式泵裝置在初始方案的基礎上，主要針對進水流道喇叭管、進水流道導水錐、出水流道喇叭管和出水流道導流墩4個部件的尺寸進行了優化設計，本次數值計算采用最終優化設計的流道尺寸。永宏泵站的泵裝置數值計算參數主要有：設計流量為5.8 m3/s、設計揚程為2.84 m、最高揚程為4.4 m、葉輪直徑為1.35 m、轉速為295 r/min。將最終的流道設計方案進行數值模擬計算，計算工況包括有3.0，3.4，3.8，4.2，4.6，5.0，5.4，5.8，6.2，6.6 m3/s和7.0 m3/s。將計算結果與選型結果進行了對比，如圖7所示。

水泵選型是針對設計工況選擇的，同時需要兼顧到最高揚程的運行要求。根據上述選型結果可知：在設計揚程為2.84 m時，流量為6.20 m3/s，裝置效率為69.0%。而通過數值模擬計算結果插值可知：在設計揚程為2.84 m時，流量為6.05 m3/s，裝置效率為71.5%，流量誤差為2.48%，效率誤差為2.5%。整體而言，選型誤差較小，而且能夠確定永宏泵站的運行角度。

5 結 論

（1）在對低揚程泵站工程的水泵選型時，應該先進行泵站裝置型式的比選分析，再采用等揚程加大流量法或者基于相同裝置型式相同的水力模型試驗數據進行選型。特別是對于葉輪直徑低于1.6 m不做水泵裝置模型試驗的泵站，建議采用后者選型方法進行水泵選型。

（2）基于相同裝置型式和相同水力模型試驗數據的選型方法，可以準確地確定泵站水泵的運行角度，對于葉片角度不可調節或半調節的泵站而言具有較大的優勢，而且該選型方法具有較高的準確度。

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（編輯：趙秋云）