老寨泵站單雙向潛水貫流泵設計應用淺析

羅曉峰

（阜陽市水利水電建設集團有限責任公司 阜陽 236000）

1 工程概況

老寨涵建于1985年，位于潁泉區老寨溝口入黑茨河處，現狀排水溝系已形成，是一座十分重要的水利工程，原設計的運行流量為5年一遇的除澇流量，大小為4.5m3/s，該工程為1孔磚拱涵2.1m×1.5m結構。通過局部水系調整，現計劃將老寨涵位置處建筑物拆除并新建老寨泵站，該泵站將伍明鎮北部受引江濟淮影響現狀排入茨淮新河的澇水，經老寨溝改入黑茨河，同時從黑茨河引水進入老寨溝，涵養沿岸地下水，為沿岸農業灌溉、水生態改善提供條件。

老寨泵站的設計排澇標準為5年一遇排澇流量，排澇時期內河側設計水位為28.30m、最高運行水位29.00m、最低運行水位28.00m，外河側設計水位為（5年一遇）29.86m、最高運行水位（20年一遇防洪期）31.50m、最低運行水位29.00m、設計流量17.55m3/s，最小、最大凈揚程分別為0.86m 和3.50m；引水時期內河側設計水位29.00m、最低運行水位28.50m，外河側設計水位（5年一遇）27.00m、最高運行水位（10年一遇）28.00m、最低運行水位26.00m，設計流量4.0m3/s，最小、最大凈揚程分別為0.5m 和3.00m；工程等別Ⅲ等。

2 水泵型式選擇

老寨泵站同時具有排澇和引水雙向運行功能，排灌凈揚程范圍在0.5～3.5m，水泵運行工況主要在1.5～3.0m 左右，屬特低揚程泵站，可選用的泵型有：“X”型流道立式軸流泵和雙向潛水貫流泵。

2.1 “X”型流道立式軸流泵特點

“X”型流道立式軸流泵屬于傳統泵型，快速閘門斷流，通過節制閘、流道的調度轉換，其設計制造技術成熟可靠，運行、管理經驗豐富，電動機安裝在地面上，運行維護方便，便于通風防潮，但因其進水和出水流道高差較大，出水流道必須在最低水位之下，因此軸流泵泵房底高程比貫流泵低，而本泵站具有流量大、揚程低的特點，如采用此泵型則泵房側面的翼墻和泵站底板開挖深度較大，泵房高度較高，且裝置效率低、耗電量多、年運行費用大，因此不推薦采用該類型立式軸流泵。

2.2 潛水貫流泵特點

潛水貫流泵是將潛水電機技術、貫流泵技術、密封技術、傳感監控技術結合在一起而產生的整裝式機電一體化產品，改變了傳統貫流泵的結構形式，使機組更加緊湊，整機重量大大減輕，體積大大縮小，屬節能降耗產品。

潛水貫流泵采用行星齒輪傳動，提高潛水電機轉速，減少電機極數；導葉體擴散角小，流態順暢，效率高。潛水貫流泵改變傳統貫流泵的結構形式，其流道順直，型線簡單，水流僅沿水泵和電機的軸線方向流動，無任何轉彎曲折，揚程損失小，水泵裝置水力效率較高，潛水貫流泵具有較大的過流能力。特別適用于低揚程、大流量泵站。本站揚程低于4m 且沒有高水頭擋洪要求，選用潛水貫流泵機組較合適。

3 水泵參數選擇

老寨泵站規劃設計引水流量4.0m3/s、排澇流量17.55m3/s，考慮到水泵實際出水能力與模型理論計算值可能會有一定的偏差，因此，水泵選型時留有一定余量，按總裝機流量18m3/s 考慮。

根據規劃雙向運行條件和水機機型比選成果，老寨泵站排澇和引水流量相差大，推薦選用單向和雙向潛水貫流泵結合布置方案。單向潛水貫流泵采用成熟的揚州大學“GL-2008-03”高效貫流泵模型，雙向潛水貫流泵采用揚州大學“ZMS3.0”高效貫流泵模型。

3.1 水泵參數

該泵站最終選用1 臺1400GZBWS 雙向潛水貫流泵，單機配套電機355kW，2 臺1350GZBW 單向潛水貫流泵，單機配套電機315kW，總裝機1025kW。

水泵設計前期建立貫流泵的全參數化模型；控制模型變化，進行正反方向揚程、效率的多目標尋優；對貫流泵的參數進行設置，將整個貫流泵模型分為進水流道段、水泵段、出水流道段三部分，對正反流向工況進行仿真分析。

經模型裝置試驗，單向潛水貫流泵采用成熟的揚州大學“GL-2008-03”高效貫流泵模型，葉輪直徑1350mm，轉速268r/min，設計工況點揚程1.96m，設計工況點流量6.14m3/s，設計工況點裝置效率75.0%，最高工況點揚程3.9m，最高工況點流量4.09m3/s，最高工況點裝置效率64.0%；雙向潛水貫流泵采用揚州大學“ZMS3.0”高效貫流泵模型，葉輪直徑1350mm，轉速290r/min，設計工況點揚程1.96m，設計工況點流量6.03m3/s，設計工況點裝置效率65.0%，最高工況點揚程3.9m，最高工況點流量4.57m3/s，最高工況點裝置效率57.3%。

“GL-2008-03”高效貫流泵模型綜合性能良好，運行范圍寬，適用于特低揚程泵站。試驗表明，貫流泵比普通立式軸流泵泵效率提高約5%，流量提高10%以上。“ZMS3.0”高效貫流泵模型，正向整體水力性能較好，流道流態平順；反向運行時，進水條件發生變化，水力性能稍差。

3.2 性能曲線

單向/雙向潛水貫流泵安裝布置圖及各工況下的工作性能曲線如圖1 所示。從工作性能曲線圖上可以看出，方案的流量、揚程等均能滿足規劃參數要求。采用2 臺1350GZBW 單向潛水貫流泵，單機配套電機315kW；選用1 臺1400GZBWS 雙向潛水貫流泵，單機配套電機355kW，通過改變雙向泵電機相序方便實現灌溉需要，操作簡單，有效節約綜合投資。

圖1 潛水貫流泵安裝布置圖及性能曲線圖

4 過流部件選擇及泵房設計

4.1 進出水流道

潛水貫流泵采用臥式布置，為干坑安裝，安裝應方便、快捷。潛水電機與水泵采用行星齒輪減速傳動，機組導葉體后為雙層圓筒組成，內層圓筒為潛水電機和行星齒輪箱殼體，外層圓筒與泵殼、導葉體聯為一體，內外層筒體間為流道。水泵采用半調節方式。

進出水流道近似直線（流道順直），進出水揚程（水力）損失小，泵站裝置效率高（提高約5%左右），特別適用于低揚程、大流量泵站，相同工況下，電機功率配置小，運行費用低。

4.2 機組斷流裝置

潛水貫流泵站的斷流裝置有拍門或快速閘門等型式。新型的側翻式拍門結構簡單，開關方便，水力損失小；快速閘門的顯著優點是閘門可以全開，阻力損失小，但閘門的開關很難與主機的開停同步。本次設計中，單向貫流泵采用側翻式拍門斷流方式，拍門采用新型側翻式拍門，以降低運行時的水力損失及停機時的沖擊力。雙向出流貫流泵，因兩側流道均需斷流，采用快速閘門。為安全起見在出水流道上設置一道快速事故閘門，以在拍門或快速閘門損壞時使用。

4.3 泵房結構

采用塊基型結構的泵房。為滿足水泵進水流態的要求，將水泵基礎、泵房底板和進水流道共同澆筑在一起，流道呈封閉的有壓進水，以加大泵房的整體性和穩定性，確保進水流態均勻和機組運行安全。潛水貫流電泵的安裝方式為干坑安裝，即將潛水貫流泵機組安放在干坑內，機組外部環境為空氣，沒有積水。這種潛水貫流泵兩端分別設置可伸縮零件，即進水端伸縮節和出水端伸縮節，兩伸縮節都必須確保留有一定的軸向調節余量，以確保安裝潛水貫流泵空間的軸向長度大于潛水貫流泵的軸向長度。

土建基礎開挖深度小，節省開挖量；可建成無泵房結構，節省土木工程費、建筑工程費，減少安裝面積，縮短工期，泵站總投資可節省30%～40%。機組起吊高度小，泵房高度低，也可以采用汽車吊取代泵房內的固定式行車，建成無廠房結構，水工建筑簡單，土建投資低。載荷分散，單位面積地基上所承載荷重小，適用于地基不良場合，在軟土及流沙基礎地區具有較大優勢。設備集成化程度高，安裝維護簡單、便利。泵站運行條件好，機組散熱好，噪音低，對環境影響小，運行管理方便，自動控制。采用整機起吊轉向或改變電動機相序方式，可實現反向抽水，同時滿足灌溉及排水要求。

5 結論

由于老寨泵站雙向運行和特低揚程的特點，特別適合潛水貫流泵，且排澇和引水流量相差較大，通過方案比選，確定采用單向與雙向潛水貫流泵相結合的設計方案，具有諸多優點，但設計過程中還需注意幾個問題：（1）受水泵結構限制，只適合揚程較低，水位變幅很小的泵站，選用范圍受到很大的影響。（2）泵站具有排澇和引水雙向運行功能，斷流方式是難點，閘門的開關很難與主機的開停同步。（3）采用“S”型對稱葉片雙向貫流泵和流道配合使用，通過改變電機轉向實現泵站灌溉排澇功能的轉換，運行方式簡單，但是泵組造價高，正、反向運行性能差異較大，反向運行效率低■