净水技术 | 大型市政雨水泵站水泵型式的选择

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1泵站主要特点及建设条件民星南排水系统属于蕴南片达标建设的待建强排系统之一，实行分流制排水体制，规划服务面积约382hm2，排水系统边界为海安路-何杨支线-白城路-共青森林公园西侧边界-嫩江路-黄浦江-复兴岛运河所围成的区域。根据《室外排水设计规范》（2016版）以及上海市最新的雨水系统规划，设计重现期定位5年，经计算得到泵站设计规模为35m3/s，属于大型市政雨水泵站。泵站的主要特点及建设条件如下。（1）泵站规模大，侧向进水侧向出水，水力流态复杂民星南雨水泵站是按照新版室外排水规范要求高标准建设的雨水泵站，其服务面积达达到382hm（21hm2=104m2），泵站位于上海机床厂内，受 到已有道路条件和周边厂房的限制，为侧向进水侧向出水的形式，水力条件较为复杂。（2）泵站排放水体水位变化大且泵房深度深雨水泵站排放水体为黄浦江，根据水文资料和 《城市排水泵站设计规程》的要求，外排水体黄浦江防汛潮位取5.86m，平均潮位取3.12m，平均低潮位取1.29m，结合泵站集水池的设计水位，水泵设计扬程为8.5m，最低扬程4.8m，最高扬程达到12.9m， 超过一般雨水泵站常用的轴流泵的扬程范围。泵房进水箱涵尺寸为4m x 4m，设计内底标高-5.20m，设计地面标高5.30m，进水管道埋深达到10.5m。（3）泵站用地条件苛刻泵站用地东侧北部边界即现状虬江泵闸管理用地围墙，东部边界即现状黄浦江防汛墙，西侧边线距现状上海机床厂厂房约11.0m，东西宽约57.0~96.5 m，南北长约95.5~97.0m，占地面积约7 073.5m2，远小于常规35m3/s的雨水泵站的建设用地，且形状不规则。根据防汛要求，站内建构筑物需退让黄浦江防汛墙10m，结合围墙等退界要求，雨水泵房最窄处不到40m。（4）泵站安全性及维护便利性要求高民星南雨水泵站位于上海市中心城区，是服务范围内的雨水的最终排口，关系到人民群众的生产生活，一旦不能正常运行，将会发生地区积水，影响周边居民的交通出行和财产安全，因此，雨水泵站需要保证在汛期正常运行，实际上现在雨水泵站在运行维护中的打回笼水制度，正式对于泵站安全运行的重要保证。另外维护的便利性也是现代化泵站的设计要求。水泵是雨水泵站的核心设备，其选型方案的合理性是满足上述总结的特点和建设条件的核心因素，也是泵站在建成后能够安全、稳定、节能、高效运行的关键。2水泵选择原则由于民星南雨水泵站设计规模大，水力流态复杂且位于上海市中心城区和黄浦江沿岸，因此，对水泵选择提出以下原则。（1）作为大型泵站设备，水泵选型应经过实践检验。（2）为便于应对不同的降雨强度，单台水泵设计流量不宜过大。（3）为便于泵站的运行管理，宜采用相同规格的水泵，便于轮换开启，互为备用，也能在一定程度上降低泵房土建复杂性，减少工程投资。（4）为降低不同水泵之间的运行干扰，水泵之间需满足3~4m的间距，考虑泵站有限的用地，需控制水泵台数；另一方面，从投资控制和运行管理的角度出发，也要求水泵台数不宜过多。3水泵形式特点分析根据上述分析，泵站的养成变化较大，且最高杨程达到12.9m，基本排除轴流泵这种泵型，下面针对离心泵和混流泵两种泵性进行分析，最终确定 选择的水泵型式。3.1离心泵主要特点离心泵的作用原理是利用叶轮高速旋转产生的离心力，并在叶轮中心形成真空，使水在大气压的作用下被吸入水泵内，从而使液体的压能、位能和动能得到增加。其型式多样，适用的流量、扬程范围较广， 可通过叶轮设计拥有无堵塞特性，广泛应用于城市排水工程中。3.2混流泵主要特点混流泵的作用原理兼有离心泵和轴流泵的特点，其叶轮高速旋转时，既能产生离心泵的离心力，也具有轴流泵的推升力。其叶轮出水缘相对于泵轴存在一定的倾斜度，转速介于轴流泵和离心泵之间。按照叶轮形式的不同，分为偏向于轴流泵推升力作用方式的导叶形叶轮和偏向于离心泵作用原理的蜗形叶轮。混流泵的输送流量和扬程介于离心泵与轴流泵之间，一般流量较离心泵大，扬程则高于常见的轴流泵。3.3水泵比转速分析比转速ns是在相似定律的基础上导出的一个包括流量、扬程和转速在内的综合特征数,它是计算泵结构参数的基础，可以反映水泵流量、扬程和转速的关系，便于判定水泵的性能、形式及特点，其定义如式（1）。

（1）离心泵和混流泵的比转速范围及叶轮形状如表1所示。表 1 离心泵与混流泵对比表

不同比转速下两种泵型的性能曲线及叶轮方式如图1所示。

注：nq也是比转速的表达方式之一，ns=3.65 nq图 1 水泵性能曲线及叶轮型式图4水泵选型及布置水泵转速与水泵配套电机的极数之间关系如式（2）。电动机转速=60x电动机频率/电动机极对数（2） 常见大型排水泵配套电机的极数为8~20级， 则由式（2）可知，同步转速范围为300~750，代入式（1）计算，可知本工程水泵比转速 411~1 028。由表1可知，宜采用混流泵作为本工程雨水泵。水泵不同安装方式的选择直接影响泵房设计，且会影响日后泵站的运行管理。为了保证泵站能安 全、可靠、长久地运行，应选用高效节能、运行管理方便、养护维修经验成熟的水泵。根据目前市场上水泵产品的供应及使用情况，泵站设计一般采用干式 和湿式两种型式的水泵，干式泵又分为传统干式泵和抽芯式干式泵。干式泵维护保养方便，但土建、安装工作量大，对电机绝缘保护等级相对较低。湿式泵如潜水泵，电机与水泵构成一体，潜入水下运行，安装方便、土建简单、噪声低、维护方便但成本略高等。干式泵和湿式泵各自具有较为明显的优缺点，具体比较如表2所示。表 2 不同水泵安装方式优缺点比较

经综合比较，三种水泵中传统干式泵对泵房土建影响大，结构复杂，土建造价高，抽芯式干式泵土建造价居中，潜水泵土建造价略低；三种水泵选型的运行成本接近；从设备采购价格来说，传统干式泵价格略低，抽芯式干式泵价格居中，潜水泵价格略高。在日常维护的便利程度和维修成本等方面，干式（抽芯式、传统）泵具有较明显的优势。根据选定的水泵流量和扬程，经计算本工程单台水泵功率约为450kW，根据《上海市城市排水有限公司排水泵站标准化设计要求》，水泵电机功率跃300kW，在平面、高程布置等条件允许的情况下，宜选用干式泵，考虑到本工程所选用的雨水泵规模大、扬程略高，本次选用干式（抽芯式）泵。 上海市目前已建成的大型雨水泵站中，雨水泵数量一般在6~10台左右，根据上述选泵原则，结合泵房平面尺寸，水泵的布置形式共有2个方案，分别 是8台水泵，单台设计规模4.75m3/s；10台水泵，单台设计规模3.5m3/s。考虑到上海降雨中雨较多，一年仅2~3次大暴雨乃至特大暴雨，故单台水泵设计规模不宜过大，以免发生频繁启停的现象，因此水泵布置形式选择10台水泵，单台间距约3.7m。 5结论和建议 通过对民星南雨水泵站的水泵选型的设计实践，笔者认为，今后在类似工程设计中有如下几个方面值得研究分析和借鉴。（1）水泵设备的成熟可靠性及对工程特点的适应性是泵站设计中需要进行重点分析和研究的关键因素。（2）抽芯式混流泵对于占地条件紧张、泵房深度大、水位及扬程变幅大和泵站安全运行要求高的大型城市排水泵站是一种较为适用的泵型。来源：《净水技术》，封面图片源自网络，仅供分享交流不作商业用途，版权归原作者和原作者出处。