立式长轴泵在河南省某供水泵站工程中的应用

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　　摘  要：文章以河南省某取水规模为25.3万吨/天的大中型泵站设计为例，从立式长轴泵的特点、水泵选择的原则、水泵安全防护措施及考虑因素、经济比较、安全运行考虑因素等方面综合分析了立式长轴泵在供水工程中的设计应用案例，为类似工程的设计提供参考。
　　关键词：立式长轴泵;特性;安全防控;经济技术
　　中图分类号：TH38 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）14-0183-02
　　Abstract： This paper takes the design of a large- and medium-sized pumping station with a water intake scale of 253，000 tons/day in Henan Province as an example. This paper comprehensively analyzes the design and application cases of vertical long shaft pump in water supply project from the aspects of the characteristics of vertical long shaft pump， the principle of pump selection， pump safety protection measures and considerations， economic comparison， safe operation consideration and so on， thus providing a reference for the design of similar projects.
　　Keywords： vertical long shaft pump; characteristics; safety; prevention and control; economy and technology
　　1 項目概况
　　城市供水是城市建设的命脉，对经济发展和社会生活等诸多方面都有着深刻的影响。保障供水安全是供水企业必须实现的基本目标，对于维护稳定和构建和谐社会具有重要意义。加强安全供水保障首先要建立供水水源安全保障体系，供水水源的取水工程的安全也显得尤为重要，尤其是在取水泵站的水泵选型上。河南省某供水泵站工程设计取水规模为25.3万吨/天，取水口按远期设计规模一次建成，设备分期安装。采用河道岸边式取水，取水头部设有间距为10cm×10cm的不锈钢格栅，经两根DN1400的复合钢管重力自流至原水提升泵房，经过泵房加压后向净水处理厂供应原水，其中向四水厂供水的水泵机组B采用4台立式长轴泵（3用1备），流量1986m3/h，扬程35m，主要解决城市自来水厂生活饮用水水源供水问题。
　　2 立式长轴泵设计方案
　　2.1 水泵选择的原则
　　（1）以现行国家或行业规程、规范为依据，广泛收集适合本泵站特点的泵型资料，优先选用国家推荐的系列产品和经过鉴定的产品，选出满足工程设计流量、设计扬程和水质的新型设备。（2）在流量、扬程满足使用要求的情况下，尽量选择高效率、低转速的水泵，以降低叶轮旋转部件的线速度，减少水泵磨损，延长叶轮使用寿命，提高水泵效率。（3）选用汽蚀性能好的水泵，在各运行工况下，水泵不气蚀、不超载，且能在高效区内运行;水泵运行效率高，高效区范围宽、运行费用低、降低供水成本。（4）在满足泵站选型先进，机组运行可靠，装置效率高的前提下，应选择投资省、附属设备简单的水泵产品。（5）机组安装、检修方便，便于维护和管理。（6）为了保证工程原水输水管线系统的安全运行，满足原水输水水管线的断流、控流、测流、分流及检修要求，需在输水管线上设置检修阀、放空阀、复合式进排气阀、流量调节阀、水力压力监测设备等水力机械设备，设备选择应按结构简单，运行检修维护方便，安全可靠，经济合理的原则。
　　2.2 立式长轴泵的特点
　　立式长轴泵的特点是大流量，低扬程，水泵结构紧凑，启动前无需灌泵和抽真空，占地面积较小，工作效率高。水泵安装形式为湿式安装，水泵导向轴的润滑采用外接冷却水，输送介质为生活饮用水水源原水[1]。本工程水泵机组B采用的水泵型号为400VTC立式长轴泵，流量1986m3/h：扬程35m，电机功率315kW，水泵的转速为1480r/min。
　　2.3 水泵特性参数
　　水泵正常运行水位58.50m，最高运行水位63.00m，最低运行水位54.50m，管道总水头损失（沿程和局部）为21m，管道末端出水控制水位高程70m，水泵末端富裕2m自由水头，因此水泵的最大、最小和设计扬程分别为：38.5m，30.0m，34.5m。
　　3 水泵安全防护考虑因素
　　3.1 防洪分析
　　根据《泵站设计规范》（GB50265-2010），工程等级按照工业、城镇供水泵站重要程度等级定为重要，泵站等级为Ⅱ级，泵站规模大（2）型;泵站永久性建筑物级别：主要建筑物2级、次要建筑物3级，临时性建筑物4级;2级建筑物防洪标准为50年一遇设计，200年一遇校核。取水口处50年一遇洪峰流量为1900m3/s，相应水位为63.44m，该位置相应校核流量按河流历史最大行洪流量2400m3/s，此时水位为63.62m，因此泵房室内地面标高采用63.5m。
　　3.2 水锤分析
　　停泵水锤在没有水锤防护措施时可能会造成输水管道破裂，水泵倒转损害，泵房淹没等事故的发生。常规的防护措施是根据水锤模拟计算结果对水泵的出水阀门采用分阶段关闭以减少停泵水锤，并在输水管道沿线设置补水、补气排气等设施以消除弥合水锤。本工程水锤防护措施为：水泵出口设置多功能止回阀和电动偏心半球阀，输水管道沿线设置复合式进排气阀，管道末端设置调流调压阀，可保证本工程安全运行。 　　3.3 控制系统
　　控制系统按照无人值守控制模式采用计算机自动控制系统。同时，考虑在水泵附近安装就地按钮箱，实施手动控制，用于检修和调试工况，在水泵控制柜（变频柜、软起柜）柜面上实施手动控制。综合办公楼中控中心接收现场根据液位、流量、设备状态等参数信号，由计算机根据接收信号以及预定的控制要求对水泵实施自动控制，不需要人工干预。
　　控制系统主要实现以下功能：（1）控制操作：对站内任何一台可控设备进行控制和人工干预，并能对各现地控制站的参数进行设定和修改。（2）显示功能：用图形实时地显示各被控设备的运行工况;动态显示工艺流程图，并能在流程图上选择查看详图;动态显示各种模拟信号、数字信号、各类累加信号等的数值和范围清单。（3）数据管理：能建立生产数据库、操作信息库、故障信息库。（4）数据处理：利用实时和历史数据，计算主要生产指标，并进行成本分析。（5）报警功能：当某一测量值超出给定范围，可发出声光报警，并可依据报警信息显示相应的动态画面。（6）报表功能：即时报表、日报表、月报表、年报表。（7）安全功能：按不同操作级别分级加密，并记录操作人员信息及操作信息。（8）打印功能：可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警的实时打印。
　　3.4 辅助控制系统
　　3.4.1 主泵房起重设备。为便于泵组的安装检修和设备吊运，在泵房内设1套起重设备。单台泵组的最大起吊件为机组B水泵，重量约为3.6t，选用起吊重量为5t的电动悬挂式起重机1台，起重机起升高度为9.00m，跨度为4.5m。
　　3.4.2 水力监测系统。（1）压力监测。为监测原水提升泵站单台水泵出口压力，在每台水泵出水口处均设置1套压力变送器，量程为0--1.0MPa，输出4～20mA模拟量信号。在每台水泵出水口处均设置1套现地压力表。（2）流量监测。为监测原水提升泵站出口流量，在泵站出水压力总管后引出的2根输水干管上各自设置1台电磁流量计作为测流设备，在输水管线的末端设置电磁流量计。
　　3.4.3 水位监测。在原水提升泵站泵房下部的两格吸水池内均设置1套超声波液位计，总计2套，用来监测吸水池内的水位变化情况。所有的测量数据均送入泵站计算机监控系统，控制系统在高、低限液位时报警并根据设定的水位自动启停水泵。
　　3.5 系统运行设计
　　3.5.1 立式长轴泵便于后期运行维护。本工程属于大（2）型重要城市供水泵站工程，停水检修将会对居民生活，城市工业产生巨大的影响，立式长轴泵电机位于地面以上，同卧式双吸离心泵半地下泵站相比，检修更为方便，可以减少维修对城市居民生活的影响。
　　3.5.2 减少水泵运行震动对水泵的损伤。立式长轴泵传动转轴十来米，较长的转轴易造成轴承易磨损、机组摆渡加大，震动加剧，因此要从规划设计和厂家制造等方面共同采取安全措施。从规划设计上考虑，水泵基础采用承载力较大和抗震能力较强的钢筋混凝土结构。从设备制造商角度考虑，除水泵本身材质外，其关键件导轴承也必须采用较好的耐磨材质，如树脂聚合物类非金属弹性轴承材料。联轴器采用哈夫节夹套式联轴器可以保障泵轴在运行时的同轴度，减少震动和摆度，同时方便拆卸检修维护[2]。
　　3.5.3 水泵防堵措施。现状取水口河水中含沙量较少，漂浮物较少，且为水源地以一级保护区，因此在取水口设置钢格栅（10cm×10cm），原水提升泵站吸水池吸水池侧壁及底部均设有DN100的冲洗管道，对吸水池底部进行冲洗，同时泵房吸水池间隔一定时间进行清沙检修[3]。同时建议根据运行情况，定期对取水口拦污栅进行清涛和巡检。
　　3.5.4 水泵启动方式及变频系统。根据《泵站设计规范》要求，水泵机组应优先选择全电压直接起动方式，但是当电机起动时，母线电压降不宜超过额定电压的15%，否则应采取降压起动方式起动。因为城市用水量存在波动性，泵站运行过程中需调节水量，变频调速可通过调整水泵的转速实现对水量的调节，因此10kV高压水泵机组中选择1台采用变频调速的运行方式，其余水泵机组采用定频运行方式。采用变频调速的水泵机组应选用变频型电机，其启动方式为变频启动。电机软启动方式可保证电机平滑加速，满足机械系统对启动力矩的要求;减小启动电流，避免电动机启动发热造成绝缘破坏;减小电机启动时电压暂降。因此定频水泵电动机全部采用软起动方式启动。
　　4 结论及建议
　　（1）立式长轴泵可以将蓄水池布置在泵房的下方，节省投资和占地，运行维护方便，更适合取水位多变的泵站运行，对水位的变化适应性较强，可广泛应用于城市供水，电力、石化等各行业输送水泵站。（2）采用离岸式布置方式，水泵房可以远离河岸或河堤，采用引水管道将水源输送至泵房吸水池，为泵站施工创造便利条件，减少岸边式泵站的施工措施费，降低施工成本。（3）立式长轴泵可以更好发挥水泵对水位变幅的适应性能，尤其对于河道水位随季节变化较大的泵站项目，水位运行落差对水泵的运行影响相对较小。（4）项目在施工图过程中应注意加强厂家、设计院之间的沟通联络，尤其在水泵、10kV高压电机配置、水泵控制系统方面加强沟通与对接，防止在变频、水泵启动，信号互通等方面在不同厂家之间出现问题。（5）项目在建成后运行过程中，要根据实际运行水位、受水区流量需求，做好运行调试和稳定运行的参数调节工作，保障水泵平稳、高效、安全运行。
　　参考文献：
　　[1]劉庆宝.LC型立式长轴泵震动原因分析及处理[J].中国高新技术企业，2014（19）：59-60.
　　[2]李子君.立式长轴泵改造分析[J].科技创新与应用，2014（21）：126-127.
　　[3]胡良明.不同水位泵房进水流道堵塞对流速分布的影响[J].人民黄河，2019，41（8）：153-162.
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