毛少波
（天津市水利勘测设计院，天津300204）
摘要：泵站的水泵种类繁多，各自有不同的应用特点。贯流泵以其适用大流量、低扬程的特点在越来越多的大中型泵站中应用。海河口泵站位于天津市海河干流入海口处，设计排水流量230 m3/s，属于大（1）型排涝泵站，采用竖井贯流泵，单机33 m3/s。主要论述该泵型的应用。
关键词：海河口泵站；竖井贯流泵；低扬程；大流量；装置试验
水是人类赖以生存的资源，“水往低处流”是自然规律，但人类的生活和生产往往需要改变水的这个规律，进行水的提升。在古代已有各种提水器具，如古埃及的链泵、古希腊的螺旋杆、我国的水车等。随着人类文明的进步，机械的使用极大地改变了我们的生产条件，水泵的出现使水的提升变得更加便捷。水泵就是输送液体或使液体增压的机械，主要利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有轴流泵、离心泵和混流泵等型式。以水泵为主体的构筑物称为泵站，泵站按功能来分，主要有排水、灌溉、供水等类型。
随着人口的增加和城市规模的不断扩大，尤其是受近年来极端天气影响，内涝频发，排水泵站在城市建设中的地位越来越重要。目前，排水泵站主要有立式轴流泵、潜水泵、贯流泵、混流泵等型式。其中，贯流泵由于水流在泵中直进直出，具有符合水流条件、效率高等特点，特别适合于低扬程、大流量的泵站。
天津市海河口泵站采用前置式竖井贯流泵，共7台，单泵流量33 m3/s，总流量230 m3/s，如此大规模的泵站采用前置竖井式贯流泵在华北地区属于首次。
进入21世纪，受全球性气候变化影响，我国极端天气多发频发。2008年以来，全国62%的城市发生过内涝，北京、广州、深圳、武汉等特大城市先后发生了严重内涝，造成重大经济损失和恶劣社会影响。
海河干流位于海河流域尾闾，是海河支流的汇流处和入海口，承担分泄大清河和永定河部分洪水的任务，是一条集防洪、排涝、蓄水、供水、航运、旅游为一体的多功能河道。海河干流自子牙河与北运河汇流口至渤海湾塘沽入海口，全长超过70 km，设计行洪流量800 m3/s。
天津市区处于海河下游，属于九河下梢，历史上就是洪涝灾害频发之地。经过新中国成立以来的一系列治理，海河干流洪水对天津市的威胁降低，但是区域降水产生的涝水仍对天津市的城市功能产生严重影响。
海河干流共承担约天津中心城区2/3面积、环城四区及滨海新区等重要区域的排水任务，由于海河干流为入海尾闾河道，河口仅建有防潮闸，没有建设泵站，受海潮顶托，河口防潮闸的排水能力受到极大限制。尤其是近年来极端天气较多，区域强降雨时有发生，若中心城区发生24 h 200 mm强降雨，受管网及小区泵站等城市排水设施建设滞后、二级河道出口泵站能力不足以及海河排水下泄不畅等因素的共同限制，海河景观平台和两岸下沉路仍会长时间被淹，二级河道会发生漫溢；若东丽、津南、滨海新区同时发生强降雨，海河干流水位势必抬高，中心城区、环城四区积水范围和程度将进一步扩大。
2012年，天津连续遭遇“7·21”“7·25”“7·30”3次强降雨，中心城区和区县建成区多处积水，农田沥涝严重，多条河道出现险情。为完善天津市防洪排涝体系、提高应对极端天气能力、缓解海河干流排涝压力，修建海河口泵站工程是非常必要的。根据规划和规模论证，海河口泵站规模确定为230 m3/s，位于海河入海口，可与海河防潮闸形成互补，共同降低海河干流水位，保证汛期排涝安全。
海河口泵站通过引河从海河干流取水，下游接入海口。泵站设计排水流量为230 m3/s，属于大（1）型泵站，设计扬程2.17 m，最大扬程4.18 m。工程位于海河干流入海口处河道内，属于河口淤积地层，地质条件较差，因此泵站的泵型选择很重要。从技术、经济等方面考虑，泵型选择的主要原则有：机组运行效率高、高效范围宽，以降低运行费用；机组技术成熟、运行安全可靠，以提高用水保证率；机组汽蚀性能好，保证机组在使用寿命期内检修次数少；检修、维护方便，易于运行管理；与土建、电气、金属结构工程综合考虑，经济技术上合理、可行。
本工程泵站设计扬程为2.17 m，属低扬程泵站，立式泵很难在如此低的设计扬程下获得较高的效率，电机配套功率大、运行费用高。采用立式轴流泵配肘形进水流道、虹吸式出水流道，按照《泵站设计规范》，驼峰底部高程应略高于出水池最高运行水位，水泵起动时的扬程要远远高于泵站运行最大扬程，由此带来水泵运行的不稳定，甚至需要增加抽真空系统，给泵站的运行、管理和维护带来不便。同时，立式泵的布置会加大基础开挖，结合本工程所处的地质情况，会增加工程施工难度和投资。综上所述，立式轴流泵方案在本工程中没有明显的优势，不作为推荐方案。
对于低扬程泵站，在实际使用中宜采用装置效率相对较高且开挖深度小、结构简单、便于管理的卧式机组型式。根据本泵站的特点，拟选取竖井贯流泵、斜15°轴伸泵和轴伸贯流泵3种不同的装置方案进行技术经济比较。
方案一：竖井贯流泵。竖井贯流式机组是将电动机和齿轮箱布置在流线形的竖井中，与安装在流道中的水泵相联接，竖井的尺寸根据电动机和齿轮箱的结构尺寸确定，机组结构简单，密封止水要求不高，运行维护方便，电机可采用风冷或水冷却。竖井贯流泵流道中轴线从进口至出口呈直线形，流道平顺没有弯曲，水流流态较平稳，流道水力损失小，装置效率高，高效区较宽，流道形状简单，不但土建工程量小，施工还比较方便。
方案二：斜15°轴伸泵。斜式轴流泵是介于立式泵和卧式泵之间的一种泵型，兼有二者的优点。斜式轴流泵的装置效率较高，泵站的站身高度较立式泵站小，底板埋深小，土建费用相对较低。采用斜式轴流泵的泵站可根据不同扬程选择不同的倾角，小倾角的斜式轴流泵可用于低扬程的泵站。根据本泵站的特征扬程可选择15°轴伸泵。另外，由于斜式轴流泵的水导轴承受力情况较立式、卧式轴流泵复杂，国内已建的斜式轴流泵在水导轴承的运用上或多或少都出现过问题。水导轴承偏心磨损，使用寿命短，水泵运行有振动，齿轮箱噪音相对大。
方案三：轴伸贯流泵。轴伸贯流式机组包括平面轴伸贯流式和立面轴伸贯流式2种型式，分别采用平面S形流道和立面S形流道，电动机和齿轮箱布置在流道外侧，水泵轴伸出流道外与电机、齿轮箱连接，具有结构简单、通风防潮条件良好、运行维护方便、密封止水要求不高等优点，但轴伸贯流式机组装置的进出水流道都有弯头，不同程度地增加了流道的水力损失，影响装置的水力性能，而且机组直径不宜过大，否则会造成机组主轴太长，中间没有支承，导致机组运行不稳定。平面轴伸贯流式泵站采用平面S形流道，叶轮中心安装高程、站身顺水流向长度、厂房跨度与竖井贯流式泵站一致，但机组间距大、站身宽度增大；立面轴伸贯流式泵站采用立面S形流道，叶轮中心安装高程、站身顺水流向长度、厂房跨度与竖井贯流式泵站一致，但站身开挖深度加大，因此轴伸贯流式泵站土建投资最大，机组设备造价与竖井贯流式泵站相同，泵站总投资最大。
根据一些地区已建成同类泵站的泵型比较结果，竖井贯流式机组土建主体结构工程造价是15°斜轴泵的91%，主要设备造价是15°斜轴泵的86%，经济优势比较明显，贯流泵运行维护也较为方便。经综合考虑，确定海河口泵站采用竖井贯流泵。
海河口泵站采用前置式竖井贯流泵，单泵流量33 m3/s，共7台，总流量230 m3/s。该泵站的竖井式贯流泵无论是单泵流量还是泵站总规模，在华北地区均为最大，并且是首次应用。为保证工程的可靠性和安全性，工程建设单位委托了扬州大学进行进出水流道CFD水力优化和水泵装置模型试验。
4.1 进出水流道CFD优化
长期以来，水泵的装置水力设计均通过泵段及装置模型试验进行开发、优化并得以验证。模型试验虽然可以测试水泵装置的运行特性，但制作周期长、成本高，尤其是优化调整还要增加时间和成本。随着计算机技术的发展和计算方法的改进，先进的计算机数值性能预测研究工具——CFD（计算流体动力学）技术将逐步成为泵装置水力优化设计的主流。采用先进的CFD技术与模型实验技术相结合设计开发的水泵及水泵装置，将具有优良的性能。
海河口泵站开展CFD优化，以最终确定进出水流道的型线和设计参数，实现进出水流道CFD优化设计和装置性能预测。不带水泵而单独进行的进出水流道数值计算方法，由于不考虑进出水流道与叶轮、导叶、轮毂等水泵过流部件之间的相互影响，尤其是进水流道的出口和出水流道的进口的边界条件是未知的，因此必须做出一系列的假定。许多研究表明，这种假设可能会影响到水泵装置数值计算和性能预测的准确性，尤其是对水泵装置在非设计工况下的性能预测结果影响更加明显。海河口泵站流道CFD优化设计研究，运用计算流体动力学方法和大型商业软件FLUENT，选择适合海河口泵站特征扬程的水力模型，将水泵的叶轮、导叶与进出水流道及门槽等过流部件作为整体进行水泵装置全流道数值计算，实现进出水流道的水力优化设计和装置性能预测，更加符合水泵装置内部流动特点，更加接近工程实际情况。
对进水流道、水泵、出水流道等过流部件组成的水泵装置内部水流运动现象进行分析、概括、抽象和简化，并依据质量守恒、动量定律和能量守恒等基本原理，可建立起水泵装置内部流动数学模型。在恒定流情况下，基本方程组不包括时间变量而表达为边值问题。由于低扬程水泵装置中的水流速度很低，水的黏度和密度变化不大，可近似为不可压缩，因而可采用时均、不可压、黏性、恒定流动的Navi⁃er-Stokes方程，描述水泵装置内部流动三维流场。海河口泵站进出水流道CFD优化计算研究根据原型贯流泵主要设计参数，开展进出水流道的优化设计，从内部流态、流道水力损失、泵装置效率等方面进行综合评价。流道模型示意，如图1所示。
图1 流道模型示意
海河口泵站贯流泵装置CFD数值计算结果表明，优化设计的竖井式进水流道内部流态平顺、均匀，出口断面的轴向流速分布均匀度和入泵水流偏流角分别为97.16%和3.81°，水力损失为0.045 m，能为水泵提供良好的进水条件，可满足水泵高效运行的要求。水平剖面流场，如图2所示。
图2 水平剖面流场
4.2 水泵装置模型试验
为验证进出水流道CFD优化设计结果，从而更准确地掌握海河口泵站竖井贯流泵装置的能量性能、空化性能和飞逸特性等水力性能，确保泵站安全可靠运行并高效地发挥经济、社会效益，项目开展初期，扬州大学接受委托同时进行该站的泵装置模型试验研究工作。模型试验于2014年11—12月在扬州大学流体动力工程实验室高精度泵站试验台进行。试验台为平面封闭循环系统，由水力循环系统、动力系统、控制系统和测量系统组成。海河口泵站选用经南水北调工程水泵模型同台测试的TJ04-ZL-07水力模型。模型水泵叶轮直径Dm= 300 mm，叶片数z=3，叶轮外壳采用中开结构，以利拆装及叶片角度调节。装置模型试验进出水流道采用已经过CFD优化后的进出水流道，进行能量性能试验、空化特性试验以及飞逸特性试验。海河口泵站竖井贯流泵装置综合性能曲线（原形），如图3所示。
图3 海河口泵站竖井贯流泵装置综合性能曲线（原形）
通过装置试验验证，得出以下结论：
（1）海河口泵站竖井贯流泵装置模型运行平稳、水力性能较好，水泵选型合理，进出水流道水力设计满足设计要求。
（2）确定海河口泵站竖井贯流泵装置主要工况点的性能参数。
（3）建议水泵安装高程，保持水泵汽蚀特性较好。
（4）根据飞逸特性试验结果，泵装置的单位飞逸转速随叶片角度的减小而增大。在叶片角度+1°和最大上下游水位差4.18 m时，飞逸转速达到额定转速（115 r/min）的2倍左右。一般而言，泵站飞逸转速范围为1.4～1.7倍的额定转速，而电机制造厂家按1.5倍的额定转速校验机组安全性。为确保水泵机组在停机过程中的安全，建议水泵机组制造商加强水泵机组转动部件刚度、强度及润滑等方面的设计与校验。
5.1 机组主要技术参数
海河口泵站采用的叶轮直径为3 200 mm、转速为115 r/min，配套的同步电机功率为1 600 kW、额定转速为750 r/min。
5.2 齿轮箱型式的选择
竖井贯流泵机组的齿轮箱型式，可采用平行轴齿轮减速箱、同轴（线）行星齿轮减速箱2种。其中，平行轴齿轮减速箱制造技术成熟、效率高，目前国内多个竖井贯流泵站都采用了这种型式的齿轮减速箱；行星齿轮减速箱为同轴线传动的齿轮箱，采用多个行星齿轮传递荷载，具有体积小、结构紧凑、传动比范围大等特点，但对设计、制造要求较高。竖井贯流泵的上部敞开，高度不受限制，因此推荐选用水泵轴与电机轴上下平行的平行轴齿轮减速箱。齿轮减速箱传动比为6.5，传递功率为1 600 kW。
5.3 流道型式与断流方式的选择
泵站采用平直管式进出水流道。上游进水流道中间布置电机竖井，竖井两侧进水；出水流道为平直管，出口采用快速闸门断流方式。
5.4 机组安装高程的确定
水泵安装高程由吸出高度和进水池最低运行水位计算确定。吸出高度计算公式为：
式中：Pa/Pg为标准条件下的大气压力水头（m），取10.33 m；hc为进水流道水力损失（m），包括门槽的水力损失，取0.3 m；Pr/Pg为常温清水的汽化压力水头（m），取0.24 m；K为汽蚀余量系数，取1.35；Δhr为汽蚀余量（m），按装置模型试验最大值换算得7.5 m。经计算，hs=-0.34 m。
由以上计算结果可知，水泵叶轮中心需淹没0.34 m，但参考类似已建工程的经验，如南水北调金湖泵站叶轮中心淹没4.45 m，叶片顶缘淹没2.775 m；南水北调泗洪泵站叶轮中心淹没4.47 m，叶片顶缘淹没2.945 m。根据进出水流道型式及水泵结构尺寸布置，考虑到泵站运行的可靠性要求以及以往类似工程经验，确定叶轮顶缘淹没在下游最低水位不少于2.0 m。
由于竖井贯流泵的电机、齿轮箱、推力轴承等设备均安装在通风条件差的竖井内，很难通过自然散热来保证井内机电设备的温升在安全范围内，特别是保证电机的温升。这就需要采取一定的冷却措施，在对比风冷、空调和水冷系统的优缺点后，综合考虑冷却效果、安全可靠性和维修成本等因素，采用水冷却系统。
5.5 水泵导轴承的选择
国内已建成大型卧（斜）式机组泵站10多座，采用的水导轴承型式大体上有3类：①滚动轴承；②水润滑非金属材料轴承；③巴氏合金滑动轴承。水润滑非金属材料轴承具有结构简单、造价低、运行维护方便的优点，但存在着承载力低、累计运行时间短等问题；滚动轴承密封要求高，适用于中小型机组；稀油润滑巴氏合金轴承承载力大、技术上可靠、使用寿命长，但轴承造价较高，适用于大型机组或可靠性要求较高的机组。海河口泵站选用稀油润滑巴氏合金轴承，由高位油箱保持轴承及油封内的油压恒定。
竖井式贯流泵是一种新型的水泵，近年来在南方江苏等省已经开始应用。如，南水北调东线徐州市邳州站采用4台竖井贯流泵，三用一备，总设计流量100 m3/s；南通九圩港提水泵站采用5台竖井贯流泵，总设计流量150 m3/s。竖井贯流泵具有符合水流条件、效率高等特点，特别适合于低扬程、大流量的泵站。海河口泵站采用前置式竖井贯流泵，就是利用该特点。
天津市海河口泵站采用前置式竖井贯流泵。工程于2014年底开工，2016年汛前水下部分完工，在天津“7·20”大暴雨中紧急开泵运行，极大地缓解了天津市区及海河干流两岸的排水压力，取得了显著的经济和社会效益。
参考文献：
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中图分类号：TV856；TV675
文献标识码：A
文章编号：1004-7328（2017）03-0056-04
DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.03.018
收稿日期：2017—02—07
作者简介：毛少波（1976—），男，高级工程师，主要从事水利工程勘测设计工作。
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