摘要：本文以佛山市丰年一站扩建工程为例，综合考虑地区排涝与基建条件，依据实际建设情况，对水泵选型、有限位置下的安装、水力计算中的难点进行阐述，并就常见问题提出了优化方案，总结出一整套选型流程和方法，为类似工程提供了借鉴与参考。
关键词：泵站；水泵选型；参数计算；性能曲线
1.引言
水利是国民经济的重要组成部分，而泵站是水利工程的重要组成部分。对同一水利工程，要满足其流量、扬程等参数需要，往往有多种泵型可供选择[1]，而不同选择方案会直接影响泵房布置、电气设备、工程投资和运行管理等。因此如何正确选择水泵，成为了一个重要问题。本文根据泵站建设中遇到的问题，就选型难点提出一些意见。
2.选型难点分析
2.1选型原则
水泵选型的基本原则有[2]：
（1）应满足泵站设计流量、设计扬程及不同时期排水的要求。
（2）水泵应在高效范围内运行。
（3）按所选的水泵型号和台数建站，工程投资较少。
（4）在泵站的各种工况下水泵机组均能安全稳定运行，即不允许发生空化和空蚀、振动和超载等现象。
（5）便于安装、维修和运行管理。
2.2 泵型初选
2.2.1水泵参数计算
流量和扬程是水泵的主要参数之一，也是选型时主要参考依据，此处主要说明排涝泵站流量和扬程的计算过程。
（1）流量设计
城市内涝多发生在降雨量较大的时候，因此必须考虑地区内的排涝强度，合理计算本地区设计雨水流量。丰年一站要求达到50年一遇24小时暴雨1天排完的设计标准。
一般情况下，设计暴雨强度为
其中q为设计暴雨强度（L/s•hm2）；p为暴雨重现期（a），取50；A1为参数，佛山市地区为8.37；C为参数，佛山市地区为0.58；b为历时附加参数（min），佛山市地区为5.494；t为设计暴雨历时（min），根据佛山市排涝条件，取100，n为暴雨历时指数，佛山市地区为0.538。
得佛山市地区暴雨强度公式为：
故佛山市50年一遇的暴雨强度为：
q= 
在此情况下，泵站设计流量如下公式：
式中：Qb为泵站设计流量；η为安全系数，取1.1，F为汇水面积（hm2），以丰年一站扩建工程为例，该片区回流面积为2.06km2，ϕ为径流系数，取0.65；故丰年一站设计流量为：
（2）扬程设计
泵站选型应依据本地区水文情况来计算扬程，以丰年一站扩建工程为例，具体过程如下：设计外江运行水位 h1，取5.60m（P=20%）；最高外江运行水位 h2，取6.98m（P=2%）；平均外江运行水位h3，取2.90m；进水池设计运行水位 h4，取0.60m；进水池最低设计水位 h5，取-0.20m；进水池平均水位h6，取0.60m。
1、设计净扬程计算：
2、最高净扬程计算：
最高净扬程取上述二种运行工况的最大值，即最高净扬程为
。
3、平均净扬程计算：
经计算，得丰年泵站设计静扬程5.00m，最高净扬程7.18m，平均净扬程2.30m。
2.2.2安装型式比选
适用中型泵站的水泵安装型式主要有立式、卧式和斜式。立式轴流泵在中低扬程时的水力性能较好，占地面积较小，水泵的扬程和流量工作范围大所以应用范围较广。但制造技术要求高，机组造价高，且后期运营维护较为复杂，故目前大口径的轴流泵在国内较少使用。
卧式轴流泵的平面水流管道为S型，水流经过会有一部分水力损失且电机安装空间在S型管道处，较为狭小，故限制了泵口口径，如果选用泵站流量较大时，需搭配多台机组。卧式泵泵房垂直水流方向泵房尺寸较大，占地较大，一般用于大流量、低扬程（一般3m以下）的泵站，工作范围有一定限制[5]。
斜式泵近年来在国内低扬程泵站中运用较多，其优点为水流平稳，运行效率较高。由于斜式泵流道中心与叶轮轴线，故开挖深度只要淹没叶轮即可，施工较为便利。斜式泵泵房顺水流方向泵房尺寸较大，占地较大，一般用于大流量、中低扬程（2～5m）的泵站。
通常，中型泵站装机流量一般约为10~50
而扬程较小，宜选用立式轴流泵。立式轴流泵机组又分为常规轴流泵与潜水式轴流泵两种。常规轴流泵需要修建地面厂房，不适合已有上部建筑的泵站使用；潜水轴流泵无上部建筑，但因其卧式安装，开挖深度较大，不适合站址地下有燃气管、供水管、污水管等管线的泵站使用。以佛山市城西排涝站建设为例，其站址上方有高压电缆无法建设上部建筑，常规轴流泵方案无法实施，又因该站址地下管线密布，无法开挖过深，不能选用卧式安装的潜水贯流泵，故该站最终选用立式安装的潜水轴流泵。
丰年一站位于现有丰年水闸和丰年二站之间，垂直水流方向较为狭窄，所以不能采用卧式泵，另外由于站址前池处水域在国土部门档案中为农用地不能占用，泵房与罗格围堤身之间距离也较为狭窄，也不能采用斜式泵，加上本工程水泵的设计扬程较高，已超过斜式泵和卧式泵的工作范围，所以最终采用立式轴流泵安装。
2.2.3水泵台数与直径选定
选用台数影响泵站厂房基建、电气线路、工程造价。单台泵机功率较大，运行效率高，易于施工、运行、维修及管理，但单台水泵重量较重、流量调节性较差；多台水泵，流量调度灵活，但厂房尺寸大，从而导致工程投资造价高。对排涝泵站来说，一般水泵台数以 3～9 台为宜，当流量小于1 m3/s时可选用2台；对于流量大于1 m3/s 时，可选用不少于3台。当出水管较长，水泵并联布置时，水泵台数应与之相适应；高扬程提水泵站，水泵的型号和台数应满足上下级泵站的流量配合要求，尽量避免或减少因流量配合不当而导致的事故。对于梯级泵站来讲，水泵台数应满足上下级泵站之间的流量搭配要求，需要从经济性和运行调度灵活性综合考虑选择水泵台数[4]。
水泵的直径的选择影响着设计静扬程，因为水流出的速度取决于叶轮旋转时产生的离心力和切线上的线速，直径越大，离心力和线速度就越大。按照城市排涝中实际反映的情况，排涝泵站大泵和小泵搭配使用排涝效果较好，即来水少开小泵，来水多再开大泵，故排涝泵站单泵口径可以搭配选择。
丰年一站因受用地条件和两侧现有建筑物距离的限制，宜选用少台数大直径的机组方案。若使用4台水泵，可采用传统立式轴流泵，勉强可以布置有上部结构的泵房和检修间，且副厂房只能布置在主厂房端部；若使用6台水泵，为满足到站区交通的要求，需采用泵房无上部结构的立式潜水轴流泵，且泵站配电室控制室需远离主泵房布置，电缆敷设长度较长。因此地其他泵站已安装有6台直径为 0.9m 的水泵，故丰年一站不再考虑直径1.2m及以下的水泵，另外直径 1.8m 及以上的立式轴流泵在当地很少采用，也不考虑。按照泵站设计排涝流量为 33.3m3/s，设计净扬程为 5.0m的条件，经查水泵厂提供的资料，该工程可选择的水泵方案有4台1.6m水泵和6台1.4m水泵两个方案，两种方案厂房垂直水流方向长度比较如表1所示。
表1两种方案泵房比较表
由表1可见，4台1.6m水泵的泵房长度比和6台1.4m水泵的泵房长度少 5m，更适用于狭小场地的安装。
综上所述，丰年一站扩建工程水泵初选范围为适用于较大流量、中低扬程的轴流泵，采用立式安装。但最终方案的确定还需根据其水力条件、性能曲线、工作点参数等做进一步比选。
2.4泵站工作性能计算
性能计算是依据排涝泵站流体输配管网设计时的流量分配，确定管网的各段的管径和阻力，计算出管网的水力损耗，求得管网特性曲线，将其叠加于各种水泵的性能曲线上，通过图解法求得各方案的水泵工作点参数，并计算得到单泵流量、总扬程、水泵效率、轴功率等参数，为最终选型和匹配管网动力设备准备好条件。
参考《给水排水设计手册》计算各方案的水力损失，包括进水流道、弯头和管段的水力损失以及出水矩形箱涵、拍门、防洪闸出口等的水力损失，得方案一的水力损失为
；方案二的水力损失为
，将装置性能曲线分别叠加于各种水泵的性能曲线上，得到各方案水泵工作点参数（如图1）。进而得到了两方案工作效率参数（见表2），可知在满足设计排涝流量情况下，两方案水泵工作点均处于高效区，但方案一在各工况的装置效率均高于方案二，且方案一采用常规半调节立式轴流泵，电机装在上层便于通风、防潮，水泵机组轴承荷载小，不易磨损，寿命较长，水泵运行及管理较方便，保养维修条件较好。方案二采用潜水轴流泵机组，因为装置效率比方案一低，故装机容量也比方案一大，运行费用也比方案一大，故在满足泵站排涝的前提下，推荐使用方案一。
图1 水泵工作点计算图：a）1600ZLB-6 型立式轴流泵，b）1400ZDB-70*型立式潜水轴流泵
A：最高运行工况 B：设计运行工况 C：平均运行工况
表2 两方案水泵机组工作点参数表
2.4 最终选型
综合考虑泵站装置效率、装机容量、水泵寿命、运行管理维护要求等因素，最终使用方案一，即4台1600ZLB-6型立式半调节流泵机组，设计叶片角0度。设计工作点参数：单泵流量 Q=8.60m3/s，总扬程 H=5.82m，水泵效率η=88.0%，轴功率 N=571kW。
3水泵选型中应注意的问题
（1）一般泵在一个大修期内，由于磨损扬程可能下降2％~5％，故扬程可留放2％~5％的余量，但所留余量不应超过10％。
（2）如某台水泵既要单独运行，又要并联运行，可使它在并联时每台水泵的工况点接近高效段的左面边界。这样，当单泵运行时，工况点右移，仍可能处在高效段内。
（3）许多泵站都是分期建设的，此时水泵选型应综合考虑近期和远期的情况，既要满足远期的需要，也要使水泵满足近期运行参数的需要。
4结语
综上所述，水泵选型应严格遵守水泵的选型原则，根据泵站工程的性质，根据水泵的类型、安装方式、台数、性能曲线等，结合投资、能耗、效率和运营费用等进行综合考虑，选出最佳方案。
参考文献：
[1]赵娟，白绵绵，袁静.大流量、中高扬程泵站水泵选型探讨[J].陕西水利，2018，4：93-95.
[2]GB 50265-2010，泵站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.
[3]杨学林.某水库输水泵站水泵选型分析[J].珠江水运，2018，14：105-106.
[4]严登丰.泵站工程[M].北京：中国水利水电出版社，2005.
[5]GB 11057-89，离心式、混流式、轴流式水泵运行管理[S].1989.
[6] 徐醒敏.对大型排涝站的设计要点分析[J].中国新技术新产品，2012，12：43-44.
论文作者:余国东
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2019/1/4
标签：水泵论文; 泵站论文; 扬程论文; 轴流泵论文; 流量论文; 泵房论文; 方案论文; 《基层建设》2018年第33期论文;