袁龙刚
中山市水利水电勘测设计咨询有限公司 广东省 中山市 528403
摘要：我国工程技术人员在开发大型潜水泵方面做了大量工作，解决了潜水泵的一系列技术难题。潜水泵站具有：降低工程投资；安装、拆卸、维修、保养方便；改善运行条件；提高可靠性，便于自动化控制，延长使用寿命；缩短泵站施工工期等特点。通过具体的工程建设实例，介绍带行星齿轮潜水电泵及湿定子潜水贯流泵的特点，结合不同的安装方式，介绍大中型潜水泵站的建设经验与实际应用，对类似工程的设计提供借鉴。
关键词：大中型潜水泵；泵站；
引 言
上世纪九十年代以来，我国科技人员针对传统泵站造价高，管理难，施工周期长的缺点，通过技术攻关和引进技术，相继兴建了一批潜水泵站，在矿山、市政和水利工程中得到广泛的应用，潜水泵在水利行业使用的比重，越来越大，让潜水泵从深井和巷道走向大江大河，已成为泵站当前发展的趋势。
潜水泵站相对常规泵站（轴流泵站、离心泵站、混流泵站），由于流道结构简单，具有水力损失小，装置效率高，工程造价低等特点。在农田排灌、工业及城乡供排水等领域得到广泛的应用。
1 我国大型潜水泵的发展
1962年，鱼雷用推进潜水电机（113kW）；
1978年，试制成功湿定子大型高压潜水泵（1200kW，6kV）；
1992年，湿定子潜水泵单机功率最大达1900kW，并形成了潜水电机、潜水泵、电机控制的综合设计能力；
1994年起，我国向伊朗甘蔗田工程6个主泵站出口的水泵全部采用潜水泵，统计的故障率为4%；
1997年，口径最大的潜水泵1600ZDB-125（500kW，6kV）在上海投入使用；
2000年，1400ZDB-100（500kW，l0kV）潜水轴流泵开始运行；
2001年，开发定子冲片直径为1180mm扇形片结构的混流潜水泵1400HDB-50（800kW，6kV）；
2006年，研制出1800ZDBX-130（800kW，l0kV）带行星齿轮减速的大型潜水泵；
2014年，2650ZDB-100（1000kW，l0kV）潜水轴流泵开始运行；
2015年，研制投产1600QGWZ-50-20P-1200kW湿定子潜水贯流泵。
2 潜水泵的优点
潜水泵已有70多年的历史，但大口径、低扬程、大流量的潜水式轴流泵和混流泵只是近20年才发展起来的。近年来密封、绝缘、冷却、润滑、自动耦合以及自动监控等许多关键技术的解决为潜水泵的大型化打下了基础。
在国外，潜水泵应用甚广，20世纪60年代就开始运用，瑞典、德国、日本、美国等均相继开发出各种形式的大口径潜水泵。国外认为潜水泵由于电机在水中，要求密封的可靠性相当高，影响可靠运行的所有关键部件都在水中，无法直接观察部件的运行情况，只能通过各种仪器、仪表的反馈来判断其可靠性，一旦出现误反馈、误报警，就比较难判断问题所在，现场不能进行组装，因此潜水泵通常是不能大型化的，潜水电机电压一般不超过6000V，10000V潜水电机是被禁止使用的。
我国近年来在开发大型潜水泵方面做了大量工作。随着机械制造业水平的提升解决了一系列技术难题，包括潜水电机制造、应用和机组密封问题，自动耦合问题的突破，提高了起吊技术，有效地解决了安装检修的难题。目前，大型潜水泵的口径已具有900，1400，1600，1800，2000mm等多种规格。流量范围超过10 m3/s，扬程范围为1.5～9.0 m，配套电动机功率超过1000 kW，使用电压除380 V外，还有6 kV、10 kV高压级的。潜水泵出现非常强劲的势头，是对传统泵站的挑战，成为泵站当前发展的趋势，潜水泵技术已经超越其他国家，这标志着我国民族水泵工业有了长足的发展。
潜水泵站具有以下特点：
2.1 降低工程投资
潜水泵是机电一体化的产品，结构紧凑，无需上部厂房结构，水工结构非常简单，甚至可以不建厂房，占地面积小。即使需要建泵房，由于厂房跨度减小，机泵同轴降低了泵站地面建筑高度，起吊高度低，也不必做防水层，大大简化泵站的水工建筑结构，减少工程投资。泵房重量的减轻，对地基承载能力的要求相应降低，在软土地基上建设泵站时可以节省大量的桩基费用。与常规干式水泵相比，机组重量可减轻50%，消耗金属材料少，无需供排水泵、真空泵、油泵等一套辅助设备，系统大为简化，辅助设备的减少和自动化程序的简化，使电气设备、控制设备、自动化仪表也随之减少，从而降低机电设备的投资。一般可以节约投资20%～30%。
2.2 安装、拆卸、维修、保养非常方便
潜水泵机泵合一偶合无须螺栓连接的特有结构，不存在安装过程中的同心、摆度等问题。水泵与管道连接不用螺栓，大大提高了拆装的效率。省去了传统的电机底座、传动底座和轴承座，体积小，重量轻，可满足不同用户的使用需要，取消水泵与电机的轴对接工序，安装或检修能够整体吊入吊出，使原需7～10天左右的安装工作得以在几小时完成。非运行季节可吊出维修保养，延长机组的使用寿命。
2.3 运行条件改善，提高可靠性
潜水泵在水下工作，排放的热量和噪音较少，对周围环境影响很小，可以实现泵房和控制室分离，改善了工作条件。机组的高度降低了，运转就更稳定；辅助设备减少，故障机率也就降低；由于辅助设备的减少和绝缘密封技术的提高，故障发生的可能性也随之减少。即使一旦出现故障，可立即将潜水泵吊出，并用备用潜水泵替换，不影响泵站正常运行，因而大大提高工作的可靠性。这一措施可使泵站省去备用泵的安装位置，从而节省土建投资。
2.4 便于自动化控制
潜水泵的专用保护装置易于实现远程集中控制，加上辅机少，机组保护和开停机操作程序大为简化，便于设备和线路集成，有利于自动化。起动过程简单，只要到了一定水位，水位控制开关动作，即可起动或停机。
2.5 使用寿命长
随着密封、材料、绝缘技术的进步，大型潜水泵中的电动机寿命不断延长，已与普通电动机相差无几。在高含沙的水流情况下，采用多孔口自耦装置，则可减少泥沙进入泵内，提高水泵的使用寿命。
2.6 施工工期短
由于大型潜水泵设施简单，因此可缩短泵站施工工期，做到当年投资当年受益。安装费用节省95%，建设周期缩短20%左右。
3 带行星齿轮潜水泵站介绍
3.1 带行星齿轮潜水电泵工作原理介绍
带行星齿轮潜水电泵是将潜水电动机技术、密封技术、行星齿轮箱技术、传感监控技术组合在一起而产生的整装式新型机泵一体化产品，驱动水泵的电动机采用干式全封闭潜水三相异步电动机，采用行星齿轮将电机的高转速降低到水泵需要的低转速。带行星齿轮潜水电泵可分为立式安装（带行星齿轮潜水轴流电泵）和卧式安装（带行星齿轮潜水贯流电泵）。
3.2 带行星齿轮潜水电泵的特点
装置保持了潜水电泵投资省、结构紧凑、安装方便、噪声低、散热好等优点。水泵与电机构成一体，无需在安装现场进行耗工、耗时的电机-传动装置-水泵轴线对中的装配工序，现场安装方便、快速。高速电机直径小，有利于选择合理的灯泡比，而且大幅提高力能指标、减少金属的消耗量，减小水泵造价。
3.3 带行星齿轮潜水贯流电泵在广东省中山市白石涌泵站中的应用
泵站基本情况：
中山市白石涌泵站工程位于中山市石岐区白石涌与石岐河会合处，是一座以排涝为主的大（2）型排水工程，主要建设内容为新建外排泵站、水闸及交通桥。新建白石涌泵站的主要任务为电排白石涌集水面积的涝水兼顾水环境整治。泵站装机流量150m3/s；装机总功率6000kW；装机台数6台；单机流量25m3/s；设计扬程为2.00m，最高扬程为3.10m；水泵叶轮直径2.65m；2012年开始建设，2014年建成投产。
图 1 白石涌水泵照片
图 2 白石涌泵站纵剖面图项目成果应用情况：
（1）应用潜水电机冷却和降温技术，解决了大型电机的散热问题；
（2）应用了带建压间隙的大型贯流泵快速安装方式；
（3）是目前世界上单机流量和叶轮直径最大的潜水泵。
经济效益和社会效益：
（1）相比于传统低扬程泵站，工程投资减少4000万以上；
（2）2014年以来，经历了2次特大暴雨考验，机组运行稳定，运行管理便利，排水效果良好。
4 湿定子潜水贯流泵站介绍
4.1 湿定子潜水贯流泵工作原理介绍
湿定子潜水贯流泵又称电机泵，是将水泵叶轮安装在电机的转子内腔，与转子形成一个整体，转子相当于水泵的叶轮外壳，使电机的无效部分变成工作部分，工作时水流从转子内腔流过。
4.2 湿定子潜水贯流泵的特点
装置保持了潜水电泵投资省、结构紧凑、安装方便、噪声低、散热好等优点。由于水流直进直出，因而湿定子潜水贯流泵具有水力性能好，流道顺畅，装置效率高等特点。
4.3 湿定子潜水贯流泵在石特涌泵站中的应用
石特涌泵站新建工程位于中山市西区石特涌口，为内河排涝泵站，是集防洪、排涝、改善水环境等多功能为一体的中型水利工程，泵站可实现双向抽水功能。工程主要任务为新建泵站一座及水闸一座。泵站 装机流量12.9m3/s；装机总功率465kW；装机台数3台；单机流量4.30m3/s，单机功率155kW；排涝和引水工况设计扬程为1.70m，最高扬程为2.20m；2011年开始建设，2012年建成投产。
项目成果应用情况：
（1）湿定子潜水贯流泵应用技术；
（2）自耦式快速安装方式；15分钟以内水泵全机能够在起吊转向180度安装，替代了双向抽水，双向灌排的“S型”叶片泵。
（3）目前用于广西南宁市竹排涌泵站采用的是叶轮直径1600mm，装机1200kW，单机流量10 m3/s，是目前世界上装机容量最大的潜水泵，也是叶轮直径最大的湿定子潜水贯流泵。
经济效益和社会效益：
（1）相比于传统双向抽水，双向灌排的“S型”叶片泵，工程投资减少1000万，效率提高4-5%；
（2）运行管理便利，排水、抽水效果好，环境水利效率明显。
5 经济效益和社会意义
5.1 经济效益
（1）节省投资。十年来，全国应用本项目技术成果的大中型潜水泵站50余座。其中广东省建设大中型潜水泵站18座、装机功率约42000kW、设计流量约700m3/s，总投资约4亿元，比建设常规泵站工程节约投资约1.5亿元。
（2）节能效果明显。经测试，潜水泵站效率高于常规的低扬程轴流泵站约3～5％。如广东省的广和泵站、白沙泵站、黄塘泵站、石特涌泵站、小榄永宁埒西一泵站、白石涌泵站等6座泵站，建成投入运行以来，共运行约52100台时，节能约255.8万kW.h，节约运行电费成本234.76万元。
（3）企业增效。通过应用本项目技术成果，产品性能得到大幅度提高，大中型潜水泵产品订单逐年增加，经济效益良好，新增制造潜水泵共900多台套，新增纯收入8300多万元。
5.2 社会意义
（1）通过本项目的研究，提高了我国大中型潜水泵的制造整体水平，使我国潜水泵制造向大型化方向发展。
（2）通过本项目的研究，提高了大中型潜水泵站运行可靠性和稳定性，从而提高了泵站的排灌（供水）保证率，为农业稳产高产、国家粮食安全、城市防洪安全、供水安全和改善生态环境提供了有力保障。
6 结 论
鉴于以上特点，推广应用大型潜水泵具有一定的经济效益和社会效益。特别是随着近年来大中城市河道、湖泊污染问题的日益加重，大型排污泵站和城市供排水泵站必将得到快速发展。常规的水泵机组由于严重的噪音和大型土建、配套设施的占地问题，而很难适应城市发展的需要。占地面积小、噪音污染轻的大型潜水泵应是首选的主要泵型。
经专利检索和科技查新，带行星齿轮的大型潜水泵及湿定子潜水贯流泵技术是我国独有的，具有自主知识产权和专利技术的产品。
通过本项目研究，潜水泵大型化及其运行可靠性、稳定性等进一步提高，安装、拆卸更加方便，使潜水泵站具有占地小、工程投资省、建设工期短等特点更一步显现。推广应用前景广泛：
（1）目前，我国现有大型排涝及灌排结合的泵站327处，2349座，装机14196台，装机功率291.89万kW，约50%泵站均可采用潜水泵站替代。
（2）随着经济社会发展和城镇化建设的推进，城镇防洪排涝显得越来越重要，各地将建设一大批排涝泵站。而潜水泵站具有的特点，特别适合于城镇排涝泵站的建设。
附表：已建大中型潜水泵站（不完全统计）
参考文献
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论文作者:袁龙刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/17
标签：泵站论文; 潜水泵论文; 定子论文; 水泵论文; 行星论文; 电机论文; 齿轮论文; 《防护工程》2018年第11期论文;