浅淡低扬程大型泵站出水流道形式及其断流方式的选择

　　摘要：低扬程泵站出水流道选型和设计不合理，可能无谓增大工程造价，泵站运行经济性较差，需要特别重视。

　　关键字：低扬程泵站,出水流道,断流方式,泵装置效率

　　一、 引言

　　二、

　　随着我国工农业生产发展的需要和机电设备生产能力的提高，我国的泵站工程得到了迅速的发展。至今，我国已经拥有大型泵站三百余座，机电排灌事业的发展，特别是大型泵站的发展，在提高了各地抗御自然灾害的能力，促进国家经济快速、稳定、健康的发展的同时，也使得我们认识到，在技术水平、工程质量、工程管理以及经济效益指标方面与国外先进水平还有着一定的差距。总结国内外泵站工程的发展经验可知，泵站工程对高效节能的要求越来越高。

　　三、 低扬程大型泵站泵装置效率

　　目前，各水泵设计研究单位一般比较注重水泵泵段性能，将主要的精力都用于如何提高泵段效率上，为了提高1%的水泵效率，往往需付出极大的努力，而市面上各生产厂家在水泵产品性能样本及使用说明上标明并向用户保证的也仅仅是泵段效率。因此，水泵设计制造的目标与用户的要求是有所不同的，用户要求的是包括进出水流(管)道在内的泵装置效率。经过多年大型泵站的建设、应用的经验以及科研成果表明，由于出水流道一般为渐扩弯管，且长度较大，就水力损失而言，远远大于进水流道。特别当水泵扬程较低时，出水流道水力损失占泵扬程比例一般为10%~15%，而泵扬程特别低时会超过20%。因此，低扬程大型泵站在设计过程中合理的进行出水流道形式选择，对于改善出水流态，减小出水水力损失，提高泵装置效率有很大的意义。

　　四、 出水流道的形式

　　大型水泵出水流道是指从水泵导叶出口到出水池之间的过流通道。在目前国内已建成的工程中，出水流道常采用渐扩且由圆渐方断面，以减小水流流速，从而达到减小流动水力损失的目的。

　　出水流道的前段为出水室，一般常见的有弯管出水室和蜗壳出水室，后段通常称为出水流道，其形式有虹吸式、平直管式、屈膝式、猫背式、斜式以及双向出水式等。其中，目前工程实例中最常用的有虹吸式及平直管式两种。

　　虹吸式出水流道一般由上升段、驼峰段、下降段和出口段组成，一般采用弯管出水室与其相连。

　　直管式出水流道进口接弯管出水室或蜗壳出水室，纵向沿水平、向上或向下倾斜布置至出水池，其出口上缘需淹没在出水池最低运行水位以下约0.3m~0.5m。

　　五、 出水流道的断流方式

　　泵站机组停机，特别是事故停机时，必须有可靠的断流措施，使倒流不能发生，以保证机组能及时停稳，防止飞逸事故，确保机组的安全。

　　泵站的断流方式应根据出水池水位变化幅度、泵站扬程、机组特性等因素，并结合出水流道的选择并经技术经济比较确定。断流方式应符合以下要求：①运行可靠;②设备简单，操作灵活;③维护方便;④对机组效率影响较小。常见的大型泵站断流方式有真空破坏阀、拍门和快速闸门三种。

　　(一) 真空破坏阀断流

　　真空破坏阀仅用于虹吸式出水流道。虹吸式出水流道的驼峰段在运行过程中为负压，因此，机组停机时只要将安装在驼峰顶部的真空破坏阀打开，放入空气使真空破坏，就可迅速切断水流，防止出水池水流倒灌。

　　(二) 拍门断流

　　拍门是一种单向阀，其顶部采用铰链与门座相连，倾斜5°~10°布置。当水泵起动后，在水流冲力作用下，拍门自动打开;停机时，借自重和倒流水压力的作用自动关闭，截断水流。目前工程中常用的有重力式拍门、浮箱式拍门、液压拍门以及侧翻式拍门等。

　　(三) 快速跌落闸门断流

　　快速跌落闸门是安装在泵站出水流道末端与出水池相接处，能在机组启动时迅速开启和正常或事故停时迅速关闭以防止倒流的闸门。常采用液压启闭机或带锁定释放装置的快速卷扬式启闭机作为启闭装置。

　　六、 出水流道形式及断流方式的比较

　　(一) 出水流道型式比较

　　大型泵站的出水流道的形式，常见的有虹吸式和直管式两种。

　　1. 泵型比较

　　根据国内已建成的工程实例分析可知，适合立式泵的出水流道形式有虹吸式、直管式等;适合卧式泵的出水流道形式有直管式等。

　　2. 出水池水位比较

　　根据实际工程出水池水位变幅情况，各形式出水流道有着不同的适应性。

　　虹吸式出水流道对出水池水位变幅适应性最差，根据虹吸形成原理，出水池最高工作水位不得高于出水流道的驼峰底部，且由于驼峰真空值的要求，其相对于出水池最低运行水位高度也有限制。

　　直管式出水流道适用于出水池最低工作水位相对于叶轮中心高程较高的泵站。

　　3. 水头损失

　　虹吸式出水流道各断面逐渐过渡，由于采用真空破坏阀断流，出口断面不受闸门或拍门等断流设施的限制，因而流道出口无闸门或拍门局部损失，但由于流道较长，弯道较多，使得沿程损失及弯管局部损失增大，故流道总水头损失较大;而直管式出水流道则与之相反。

　　4. 工程投资

　　虹吸式出水流道断面形状变化复杂，施工困难，模板消耗量较大，尤其是堤后式虹吸式块基型泵站，在斜坡上浇筑混凝土流道，施工难度较大，且质量也难以保证;而直管式流道断面开状较为简单，便于施工，施工质量也较易得到保证。

　　(二) 断流方式比较

　　1. 水头损失

　　采用真空破坏阀断流的虹吸式出水流道出口局部水头损失最小，但沿程损失较大;而直管式出水流道则相反。

　　2. 可靠性

　　采用真空破坏阀，断流设施操作简单，反应迅速，安全可靠，且维修工作量小;采用快速闸门或拍门断流，其结构及相应附属设备比较复杂，且突然断电情况下可能产生冲击力，在运行可靠性上不如真空破坏阀，特别是拍门长期浸没在水下，受出水冲击力影响，门铰容易因锈蚀和疲劳而损坏，导致拍门掉落，造成停机倒流，危胁机组的安全。

　　3. 投资

　　采用快速闸门或拍门进行断流，其断流设备随着机组增大而复杂，尺寸增大，金属材料消耗增多，且快速闸门一般需与液压启闭机相配使用，设备投资相对来说较大。

　　七、 工程实例

　　蚌埠市天河泵站工程是安徽省世界银行贷款蚌埠综合环境整治水利项目之一。天河泵站为单排涝泵站，位于天河穿越淮干天河封闭堤的控制建筑物天河闸附近。其主要作用为，在天河水受淮河高水位顶托不能自排时，利用水力机械提水外排，从而保证天河在防洪库容减小的情况下，流域内的防洪除涝安全。

　　泵站设计流量55.0m3/s，特征净扬程介于3.72m~6.07m之间，属于低扬程、大流量排水泵站。该泵站规划参数见表1。根据泵站设计参数的特点，考虑该泵站为重要的排涝泵站，机组在具有较好的装置性能的同时，排涝期间机组运行的可靠性应放在首位。根据泵站设计参数特点及要求，选择了立式轴流泵作为本站主泵型。

　　根据立式轴流泵的安装特点以及天河站的进出水池水位变幅情况，适合的出水流道型式有虹吸式、直管式等。虽然大型立式轴流泵一般推荐采用虹吸式出水流道及真空破坏阀的断流方式，以保证泵站停机断流的可靠性，但是，考虑到天河泵站出水池最高运行水位(23.57m)与最低运行水位(18.70m)相差4.87m，若采用虹吸式出水流道，驼峰底高程需高于23.57m，而出口需淹没在18.70m以下，从机组运行、工程投资以及施工难度方面，相对来说都是较为不合理的。

　　近年来，实际生产中所掌握的各种断流设备的特性和设计方法，也使得直管式出水流道也被广泛应用于安装大型立式轴流泵的工程当中。因此，天河泵站最终确定选用肘形进水流道、弯管出水室、直管式出水流道接明池的进、出水形式。在初拟了水泵装置单线图后，为了得到更好的水力性能，减小流道内水力损失，特委托扬州大学水利科学与工程学院对天河泵站的进、出水流道进行了三维流动数值模拟及优化设计工作。优化后，肘形进水流道流态平顺均匀，流道内无引发涡带的旋涡流动，进水流态可保证水泵安全、高效的运行;出水流道偏流和回流不大，水力性能良好，出水流态平顺，基本消除了旋涡等不良流态，水力损失较小。

　　八、 总结

　　从大型泵站设计角度考虑，虽然出水流道相较进水流道仅是一定形状、尺寸的输水通道。但是，低扬程泵因为流量较大，流道布置空间受限，容易造成不必要且相对于提水扬程比重很大的水力损失。因此，低扬程泵站的出水流道应与泵结构相适配，以形成先进、合理的泵装置型式，其相应的断流方式也应结合泵站具体情况、机组特性等，从安全性、可靠性以及经济性等因素的角度进行综合比较，选择最合适的断流方式。

　　参考资料：

　　[1] 水泵及水泵站(第三版).武汉大学 刘竹溪 刘景植主编.中国水利水电出版社.2006年4月

　　[2] 大中型水泵装置理论与关键技术.仇云宝著.中国水利水电出版社.2005年3月

　　[3] 泵站过流设施与截流闭锁装置.严登丰著.中国水利水电出版社.2000年12月

　　[4] 蚌埠市利用世行贷款水环境综合整治工程天河排涝站工程初步设计报告.蚌埠市水利勘测设计院.2009年8月

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