立式泵裝置在特低揚程排澇泵站中的應用研究

沈春林，徐士坤

（1.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇南通 226300；2.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇揚州 225200）

0 引言

特低揚程排澇泵站是專門為排澇工程提供一定壓力和流量的液壓動力和氣壓動力裝置的泵站工程。目前我國低揚程排澇泵站的建設規模在全球處于領先地位，特低揚程排澇泵站是其中的一種類型，為不同區域的調水、引水工作作出了重要貢獻，是國家社會安定、經濟快速發展的重要因素之一。立式泵是離心泵的一種，能夠通過離心原理輸送液體，將其用于特低揚程排澇泵站中，能夠提供水資源調配、水環境改善、城市防洪排澇等相關工作效率。目前，國內正在積極新建一大批用于防洪排澇的低揚程泵站，立式泵裝置作為其中的重要環節，對泵站工作至關重要，加強相關方面的研究，對特低揚程排澇泵站的建設和發展具有重要意義。

1 特低揚程排澇泵站泵裝置型式

1.1 立式泵裝置

立式泵裝置如圖1 所示，該裝置在國內運用最早，技術最為成熟，主要運用于灌溉排水工程中，能夠為工程節約資金，它的電機能在良好的環境下工作，安裝和維修省時省力，運行效率較高。該裝置的水泵泵軸中心和水平線垂直，在運轉的過程中不會承載更多重量，誤差和偏差均比較小，當泵中有水流流出，水流需要偏轉90°，這個角度不宜過大，否則會產生脫流等問題，影響其工作效率。

圖1 立式泵裝置

1.2 貫流泵裝置

主要分為豎井貫流泵、燈泡貫流泵兩種，相對于豎井貫流泵而言，燈泡貫流泵的水力損失是最小的，運行效率很高，但是對于泵機的密封性有一定要求，在工作的時候燈泡體會完全浸入水中，是由燈泡貫流式水輪機轉化而來，各部位機件緊湊，結構較為復雜，安裝比立式泵更加費力費時。

1.3 臥式軸伸泵裝置

該種裝置管理較為方便，整個電機結構相對簡單，造價便宜，并且水泵工作效率得到行業認可。主要特點是泵軸呈水平狀態，檢修難度相對較高，在水流進入泵機的時候難免發生彎曲的情況，水力性能不如筆直流道的泵機好。

1.4 斜式軸伸泵裝置

該種裝置的泵軸會根據一定的角度傾斜安裝并且和電機連接，傾斜角度主要有45°、30°、15°，也有部分斜角為20°的。斜式延伸泵工作時傾斜角度越大，流道彎曲越大，導致其內部水流情況變差，造成大量的水力損失。這種泵機布局緊密，需要通風性良好，整個水泵屬于泵殼中開的結構，安裝比較方便，泵軸傾斜會使其承受一定重力，導致下軸承經常磨損，難免會發生故障，該種泵機安裝有一定難度，并且有一定的水道偏流問題[1]。

2 立式泵裝置在特低揚程排澇泵站中的應用

2.1 立式泵裝置優缺點

立式泵作為國內運用最早的裝置形式，目前在國內運用較為廣泛，經過實踐證明該裝置形式運行效果良好并且安裝簡單。脊柱的傳動方式也相對直接，泵機組長度不長，基礎共用，可以防止基礎沉降不均勻的問題。泵機的安裝為自下而上，先組裝水泵看是否合理，然后再考慮電機的連接。機組一般安裝于水位最高的地方，這種泵具有一定防潮性能，并且一旦出現故障，檢修也較為方便。泵機的泵軸和電機軸之間由聯軸器相銜接，三個裝置呈豎向，支撐部件的中心線垂直，水泵導承軸不能承受太大的壓力，承軸磨損較小，電機內部的摩擦也相對穩定，故障出現的概率較小。在泵機運行過程中，水泵軸和電機軸相互協作運動，結構緊湊、振動比較小，因此有良好的防噪性能。在水池水位較低時，由于其進水道是肘形的，具有足夠的高度和窄小的寬度，提升了其水力性能。在機泵運行過程中，這種肘形的水道還有助于隨時斷流，不會產生任何不安全影響，在水位較低時也能很好地使用。在一些大型的水利工程中，這類泵機受到行業的一致認可。本文研究的立式泵裝置即采用肘形進水流道與虹吸式出水流道，具有操作簡單、自動化程度高的特點，機組運行的穩定性能優良，使用壽命長。立式泵的缺點則是機組安裝面積相對較小，因此負荷相對集中，對泵房的穩定性有一定要求，對地質條件也有一定影響。

2.2 合理性分析

機電設備是泵站重要的組成部分之一，關系到水電工程的安全。立式泵裝置在出廠時一般是零部件，需要將零部件運輸到現場組裝，這些零件極為復雜，對安裝細節要求很高，因此在安裝過程中需要技術熟練并有耐心，否則容易導致使用時發生各種故障，影響泵機的使用壽命。安全問題一直都是泵站運行管理的核心問題，在泵機運行管理中需要遵循養護維修、控制運行、觀測檢查三大原則。并且在觀測檢查過程中需要定期展開檢查，一般是每60 d 進行一次，在日常使用中也要注重養護，嚴格按規范操作使用，并且全面落實機電養護工作，發現問題及時解決。目前立式泵的安裝工藝已經十分成熟，且泵的自動化程度比較高，日常檢修工作比較簡單，容易操作。立式泵用于特低揚程排澇泵站，能夠節約大量檢修資金，該裝置的虹吸式出水流道配備真空破壞閥斷流設施，比其他設施更加節約資金，能滿足特低揚程排澇泵站所需要，因此立式泵裝置在特低揚程排澇泵站中的應用是合理的。

3 應用實例

3.1 泵站的基本參數

某泵站屬于大型排澇泵站，一年運行時間約2 個月，因此運行時間不長，共配置立式泵8 臺，總流量180 m3/s，排澇能力極強，當水位較高時，能滿足區域排水安全需求，該泵站的設計參數見表1。

表1 某泵站設計參數

3.2 泵站進水流道優化水力設計

結合給定的控制尺寸進行設計，得出肘形進水道方案1，并結合實際情況調整流道斷面和線形的變化規律，如圖2 所示[2]。在對方案1 實施過程中要進行相關模擬計算，得出結果為：流道出口斷面流速分布均勻度為98.01%、水流入泵平均角度為86°，流道水頭損失0.104 m。

圖2 方案1

為了讓泵段進口有更好的水力條件及方便施工安裝，在方案1 的基礎上進行設計升級，方案2 將流道出口座環的錐角降低一定度數，并增加椎角的高度，并適當調整對流道肘彎段形線（圖3）。通過對方案2 的設計流量進行計算，得出結果為：水流入泵平均角度為87.2°，流道水頭損失0.089 m。

圖3 方案2

3.3 泵站出水流道優化水力設計

虹吸式出水流道方案嚴格執行招標階段設定的方案，尺寸均按照以上方案執行設計。結合甲方要求，根據對方提供的水泵頂蓋安裝尺寸，對流道線形及流道斷面由圓形漸變為矩形的規律進行適當調整，并結合相應公式計算設計流量，計算出流道水頭損失為0.399 m。根據計算可知，出水流道內的水流會受到慣性以及泵站水流橫向流速的基礎上不斷上升，方向為順時針且是螺紋狀不斷旋轉上升，在水流上升的過程中，斷面面積增大則水流擴散，流速分布也是由內而外，整個過程平穩順暢，沒有出現不良狀態。到達駝峰時，能夠保持良好的流速和狀態，隨著水流不斷向下，會出現向左偏流或者向右偏流的情況，流道兩側的流場不對稱趨勢愈加明顯，整體表現的流速略低。因此在設計時，一方面要滿足水泵頂蓋安裝要求，另一方面要降低水流道的水頭損失，需要在以上方案的基礎上再次優化，將曲段形線與流道上升段形線良好銜接，讓流道形線在水泵頂蓋預埋螺栓下方適當下凹，并再次計算流道水頭損失為0.377 m。兩套方案中，方案2能明顯降低流道水頭損傷，并且設計性能良好，可以作為該泵站出水流道的首選方案[3]。

4 結束語

我國特低揚程排澇泵站中應用最為廣泛的是立式泵裝置和貫流泵裝置，目前立式泵裝置的運用不斷成熟，并且裝置的可靠性高，在安裝和檢修方面更為方便。研究立式泵裝置的運用，能夠節約泵站水力，提升裝置的工作性能。目前國家正在大批量建設特低揚程城市防洪排澇泵站，這些泵站每年運行時間不長，而立式泵裝置可靠性高、容易檢修，因此成為特低揚程排澇泵站的第一選擇。