佛山市海口引排水泵站水泵机组选型设计

李秀梅

(广东粤水电勘测设计有限公司，广东佛山528000)

摘要：佛山市海口引排水泵站为重建引排结合的泵站，由于条件限制，引排水泵站需分开布置。分别对引排水泵站进行水机选型，最终确定排水泵站采用常规立式轴流泵、引水泵站采用立式潜水轴流泵的水机型式。本站已经投入运行两年多，运行状况良好，排涝及引水效率均较高，选型满足泵站要求，可为本地区类似泵站水泵选型提供参考方法。

关键词：引排泵站；分开布置；机组选型；常规立式轴流泵；潜水轴流泵

随着经济的不断发展，城市化工业化水平进一步加快，珠三角河网地区一些城市排涝标准较低，原有排涝设施不能满足经济发展要求。同时，工业快速发展造成沿河涌两岸生态环境较差，迫切需要进行综合整治。因此，为提升城市排涝标准及改善内河涌水质，急需在内河涌与外江相通的闸口兴建引排泵站。受场地及城市规划等限制，排涝泵站和引水泵站需分开布置。如何结合工程实际，分别为泵站选择性能良好、运行维护管理方便、投资较省等综合效益最佳的泵型显得尤为重要，下面结合工程实例作比较探讨。

1 工程概况及基本设计参数

1.1 工程概况

佛山市海口引排水泵站位于佛山市禅城区西侧，工程主要任务是重建引排结合泵站，提高城西片区排涝能力，改善周边及内涌水环境。根据泵站设计规范[1]等级划分，泵站出

表1 海口引排水泵站工程特性

序号项目数值一工程等别Ⅱ等二排涝标准5%最大24h设计暴雨1d排完且不致灾三引水标准每天开机6h,4d可使城西片河涌换水一次四排涝站特征水位最高外江水位/m6.63最低内涌水位/m0.00排涝设计水位/m5.92(0.50)排涝平均水位/m3.50(0.50)五引水站特征水位设计外江水位/m0.00最低外江水位/m-0.50最高内涌水位/m1.50出水管中心高程/m1.50

注：括号外数字表示外江水位，括号内表示内涌水位

水压力涵为佛山大堤干堤的穿堤建筑物，佛山大堤为二级堤防，故泵站工程等别为II等。受到建设场地等多种因素限制，泵站无法实现引排泵站合一的布置形式，泵站工程主要工程特性见表1。

1.2 基本设计参数

1.2.1 特征扬程

本站拦污栅、安全栅等过栅损失按0.2 m计，按照表1中的特征水位分别计算排涝站和引水站的特征扬程见表2。

表2 海口引排水泵站特征扬程 m

泵站扬程数值排涝泵站设计净扬程5.92-(0.5-0.2)=5.62最高净扬程6.63-(0.0-0.2)=6.83平均净扬程3.50-(0.5-0.2)=3.20引水泵站设计净扬程1.50-(0.0-0.2)=1.70最高净扬程1.50-(-0.5-0.2)=2.20

注：由于引水站出水管中心线与最高内涌水位相同，所以各特征水位均用出水管中心线高程计算

1.2.2 规划设计流量

依据排涝及引水标准进行计算，最终确定海口引排水泵站设计排水流量为10.0 m3/s，设计引水流量为6.0 m3/s。

2 水泵机组选型

2.1 选型原则

从技术、经济等方面考虑，泵型选择的主要原则[2]为：①充分满足泵站设计流量、设计扬程及不同时期引排水的要求，并尽量使所选水泵在泵站设计扬程运行时的工作点在其额定工况点附近，在泵站最高扬程运行时的工作点处于高效区范围内；②选用性能良好，并与泵站扬程、流量变化相适应的泵型；③具有多种泵型可供选择时，应综合分析水力性能、机组造价、工程投资和运行检修管理等因素择优确定。

2.2 泵型选择

2.2.1 排涝泵站泵型及台数选择

一般情况下，流量较大且扬程低于10 m的泵站宜选用轴流泵。本站排涝设计流量10.0 m3/s，设计净扬程5.62 m，最高净扬程6.83 m，均小于10 m，考虑选用轴流式水泵。根据排涝泵站基本设计参数，在设计工况下，按额定转速n=300 r/min计算比转速ns。

ns>500，泵型符合轴流泵的比转速范围。

轴流式水泵的安装型式主要有立式、斜式和卧式，其适宜扬程分别在3～10 m、2～5 m和0～3 m范围内。由于卧式水泵机组占地较大，在平面上难以布置，且厂房在堤脚埋深大，通风条件差，电机相对易受潮，故不推荐选用。斜式轴流泵电机需设减速箱，增加设备投资，且泵轴斜置后，受力复杂，导轴承寿命相对较短。本工程为中型泵站，单泵设计流量相对不大，小于1.6 m的斜式轴流泵较少厂家生产，故也不推荐选用。立式轴流泵是国内外广泛使用的泵型，有成熟的设计、制造和运行经验，此外立式水泵机组泵房平面尺寸较小，电机装在上层便于通风、防潮，因此排涝泵站推荐选用立式轴流泵机组。

按实践经验，对10.0 m3/s流量，拟定以下比选方案：1台1 600水泵机组、2台1 400水泵机组及3台1 000水泵机组。由于1台机组调度较不灵活，且排水保证率较低，3台机组占地相对较大在本场地难以布置，故选用2台1 400水泵较为合适，查水泵样本，泵型分别是1400ZLB5.4-5.8常规立式轴流泵和1400QZ-70立式潜水轴流泵进行比选。

2.2.2 引水泵站泵型及台数选择

受拟建场地的限制，引水泵站只能布置潜水泵，鉴于引水泵站净扬程较低，提引的外江水质较好，适宜选取潜水轴流泵，根据上述选型原则及以往经验，拟定2台1000QZ-130立式潜水轴流泵和3台800QZ-130立式潜水轴流泵进行比选。选用潜水轴流泵有以下优点。

a) 安装维修方便。特别是钢制井筒式，有自动耦合装置,只需将整机吊入井筒内，上好井盖即可。操作简单、安装时间短、费用低。出现故障维修时,打开井盖，整机吊出，不需要关闭节制闸门，更不影响其他机组的正常运行。

b) 减少了易损件。由于潜水轴流泵的特殊构造，泵轴不再同水接触，在正常使用中，仅需更换叶片，减少了维修工作量和费用。

c) 噪音变小，改善了工作环境。

2.3 水泵性能曲线及工作点参数

2.3.1 水力计算公式

水泵工作时的特征扬程为各特征净扬程与相应水力损失水头之和[3]，用公式表示即为：

H总=H净+∑Δh损

水力损失包括局部水头损失和沿程水头损失，根据水头损失计算基本公式[4]，推导出本工程所涉及到的几种情况水头损失计算公式，分别表示如下。

a) 圆形管道局部水头损失计算公式：

b) 其他形状局部水头损失计算公式：

c) 圆形管道沿程水头损失计算公式：

d) 其他形状沿程水头损失计算公式：

2.3.2 排涝泵站工作点参数计算

根据上述水力计算公式，结合排涝泵站布置情况，确定两方案排涝泵站各工况水泵机组装置性能曲线如下。

a) 方案一(1400ZLB5.4-5.8立式轴流泵)设计扬程运行工况：H设计=5.62+0.01962Q2

最高扬程运行工况：H最高=6.83+0.01962Q2

平均扬程运行工况：H平均=3.20+0.01962Q2

b) 方案二(1400QZ-70立式潜水轴流泵)

设计扬程运行工况：H设计=5.62+0.03545Q2

最高扬程运行工况：H最高=6.83+0.03545Q2

平均扬程运行工况：H平均=3.20+0.03545Q2

将上述装置性能曲线叠加于两种泵型的工作性能曲线分别见图1、2。经水力计算及按各水泵厂家的泵型样本得到排涝泵站各方案水泵工作点参数，见表3。

图1 1400ZLB5.5-7.5轴流泵工作点计算

图2 1400QZ-70潜水轴流泵工作点计算

2.3.3 引水泵站工作点参数计算

根据上述水力计算公式，结合引水泵站布置情况，确定两方案引水泵站各工况水泵机组装置性能曲线如下。

a) 方案一(1000QZ-130潜水轴流泵)

设计扬程运行工况：H设计=1.70+0.07710Q2

最高扬程运行工况：H最高=2.20+0.07710Q2

b) 方案二(800QZ-130潜水轴流泵)

设计扬程运行工况：H设计=1.70+0.19326Q2

最高扬程运行工况：H最高=2.20+0.19326Q2

将上述装置性能曲线叠加于两种泵型的工作性能曲线分别见图3、4。经水力计算及按各水泵厂家的泵型样本得到引水泵站各方案水泵工作点参数，见表3。

图3 1000QZ-130潜水轴流泵工作点计算

图4 800QZ-130潜水轴流泵工作点计算

2.4 水泵方案比选

从表3可以看出，排水泵站方案一装置效率明显高于方案二，且方案一总装机容量比方案二减少12%，运行费用必然比方案二小，总排涝流量却比方案二高。此外，排水泵年运行时间较少，如不经常运行，潜水轴流泵的可靠性没有立式轴流泵好。因此，综合考虑泵站装置效率及运行费用及可靠性等因素，排涝泵站采用2台1400ZLB5.4-5.8立式轴流泵方案比较合理可行。

从表3可以看出，引水泵站方案一装置效率明显高于方案二，且方案一总装机容量比方案二减少2.3%，运行费用比方案二小。此外，方案一机组台数较方案二少1台，工程占地相对较少。因此，综合考虑泵站装置效率、运行费用及工程占地等因素，引水泵站采用2台1000QZ-70立式潜水轴流泵方案比较合理可行。

表3 引排水泵站水泵机组工作参数

方案排涝泵站方案一方案二引水泵站方案一方案二水泵型号1400ZLB5.4-5.8 2台1400QZ-70 2台1000QZ-130 2台800QZ-130 3台转速/(r·min-1)375370490590叶片角度/(°)+2-40+2工况平均设计最高平均设计最高设计最高设计最高单泵流量/(m3·s-1)6.085.294.806.185.555.153.112.992.082.00净扬程/m3.205.626.833.205.626.831.702.201.702.20总扬程/m3.936.177.284.556.717.772.452.892.542.97水泵效率/%83.588.087.081.083.583.281.583.080.682.0轴功率/kW288372403349448483941056673配套功率/kW50056013290备用系数1.741.341.241.601.251.161.401.261.361.23总装机容/kW1000 1120 264 270总流量/(m3·s-1)12.1610.589.6012.3611.1010.306.225.986.246.00装置效率/%59.873.875.150.164.467.352.058.149.655.9

综上，排水站选用2台1 400ZLB5.4-5.8半调节立式轴流泵，引水站选用2台1 000QZ-130潜水轴流泵。两种泵型方案布置紧凑，充分利用了狭窄的建设场地，且水泵及站运行效率均较高，满足建设单位的使用要求。

2.5 装机容量确定

根据GB 50265—2010《泵站设计规范》相关要求，以最高扬程工况下对应的参数确定电机配套功率。按设计规范，电机应有5%～10%的安全备用功率，根据仇宝云的研究成果[5]：常规备用系数K=1.05～1.10选用电机功率仅适用于H>10 m的中高扬程泵站。而对H=4～10 m的高比转速低扬程水泵，一方面，流量—功率曲线较陡，如果某些原因使泵工作点稍向小流量侧偏移，则轴功率就会大幅度增加；另一方面，在功率影响因素中，拦污栅水位差影响较大，由于泵扬程较低，拦污栅前后一定的水位差及进出水流道水力损失计算误差占泵扬程比例较大，泵机组过载系数大。因此，对低扬程水泵，其电机功率备用系数宜大于1.10。

综上所述，在最高扬程工况下，结合电动机标准容量系列及水泵厂家建议配套电机容量，本站排涝泵站选配电机功率500 kW，备用安全系数K=1.24，总装机容量1 000 kW；引水泵站配套电机功率132 kW，备用安全系数K=1.26，总装机容量264 kW。满足要求且有一定余量，有利于提高泵站运行的可靠度。

3 结语

佛山市海口引排水泵站已投入运行两年多，运行状况良好。经委托中国灌溉排水发展中心水机现场检测站测试，主要测试结果如下。

a) 排涝泵站及引水泵站水泵机组实测最高装置效率分别为75.49%、58.38%。

b) 排水机组实测噪声值变化范围为86.7～89.5 dB，实测振动速度最大值为2.93 mm/s，噪声及振动评价级别均为C级，合格。

c) 引水机组井筒上部噪声实测值变化范围为73.3～75.6 dB，实测振动速度最大值为1.76 mm/s。

测试结果及实际运行均较理想，表明该站排水选常规立式轴流泵、引水选潜水轴流泵是非常合适的。根据珠三角河网地区的自然、水文气象条件，这里兴建的大部分排灌泵站具有排灌面积大、扬程低、流量大等特点，特别适合选用轴流泵。海口引排水泵站是珠三角地区比较典型及常见的引排水泵站，因此其选型结果及过程可为本区泵站水泵机组选型借鉴推广。

参考文献：

[1] 泵站设计规范：GB 50265—2010[S].北京：中国计划出版社，2011.

[2] 栾鸿儒.水泵及水泵站[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[3] 皮积瑞，解广润.机电排灌设计手册[M].北京：水利电力出版社，1992.

[4] 吴持恭.水力学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[5] 仇宝云.大中型水泵装置理论与关键技术[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

(责任编辑：张锦华)

Design of Type Selection of Pump Units for Haikou Water Diversion & Drainage Pumping Station in Foshan City

LI Xiumei

(Guangdong YSD Surveying & Designing Co.，Ltd, Foshan 528000, China)

Abstract：Haikou water diversion&drainage pumping station is a reconstruction pumping station. Because of limited conditions, the water diversion pumping station and the water drainage pumping station need be arranged separately. According to the selection of pump models in the Haikou pumping station, the results showed as follows: the conventional vertical axial flow pump was adopted to drainage pumping station; the submersible axial flow pump was adopted to diversion pumping station. This pumping station has been in trouble-free operation for more than two years. The type selection of pump units met the requirement of pumping station, which could provide a reference method for pump selection in this area.

Keywords：water diversion&drainage pumping station; separate arrangement; unit selection; conventional vertical axial flow pump; submersible axial flow pump

收稿日期：2017-05-17

作者简介：李秀梅，女，主要从事水利水电工程及水力机械设计工作。E-mail：[e-mail]

中图分类号：TV675

文献标识码：A

文章编号：1001-9235(2017)8-0068-04

李秀梅.佛山市海口引排水泵站水泵机组选型设计[J].人民珠江，2017，38(8)：68-71.