摘 要：水泵站是一种以水能输送为目的、水泵为手段的水能中转站，主要有灌溉、供水、排水等多种用途。根据建设目的不同，水泵站的建设规划也存在很大区别，在水泵选型、配套电机选型等方面需要考虑的实际问题都不相同。随着用水矛盾的出现和用水资源减少，科学合理地进行水泵站规划和设计已经成为当下水泵站修建的重要基础。文章从水泵站的基本概念入手，对水泵作了简单介绍，针对水泵站的用途和分类进行了简要论述，并就水泵的结构和工作原理进行分析。同时，深入分析了水泵站各个环节的设计方案，并对水泵站的整体布置作了简单分析，以期综合得出优良的水泵站规划设计方法，提升相关工作水平。
关键词：水泵站 规划设计 方法
水泵站在我国发展的历史较长，具有比较丰富的规划设计经验。尤其是在一些比较缺水的地区，水泵站是较为普遍的一个存在。这给生活用水以及农田灌溉提供着可靠的水源，对地区发展作出了不可估量的贡献。
1 水泵站简介
水泵站是一个通过水泵机械将水能从低处运输到高出的水能中转站，其核心设备就是水泵和配套电机。相关附属机械设备主要有供水排水、供油通风、照明防火等设备；建筑设施主要有泵房、进水池、出水池、管理中心和变电站等。水泵站的分类十分广泛，从用途来说可以分为供水泵站、排水泵站、灌溉泵站以及综合型泵站等；从水泵选型来说可以分为混流泵泵站、轴流泵泵站以及离心泵泵站等；从能源性质来说可以分为电力泵站、太阳能泵站、水力泵站、风力泵站以及内燃机泵站；从设计流量来说又可以分为小、中、大型泵站；从是否移动的角度来说又可以分为移动式泵站、半固定泵站以及固定式泵站。目前，我国排灌泵站中设计流量最大的是江都排灌泵站，其设计流量达到了470m2/s，扬程能够达到八米左右；单级扬程最高的东雷二级泵站，其扬程达到了215m。从世界范围内来说，设计流量最大的泵站是卡克霍夫泵站，其设计流量达到了530m3/s；扬程最高的是埃德蒙斯顿泵站，其总扬程达到了590m。
2 水泵的用途及分类
水泵是一种流体机械，是一种把机械能转化为液体动能和势能的机械装置，起到输送液体的目的。水泵一般可以分为叶片式泵和容积式泵两种，叶片式泵主要是通过液体与叶片的相互作用达到输送液体的目的，比如离心泵；而容积式泵是通过泵内空腔做周期性变化达到输送液体的目的，比如往复泵。根据使用途径的区别，输送液体介质的区别等，泵主要可以用于以下用途，污水处理、城市供水、化工生产、火力发电、石油开采与运输、矿山冶金、水利灌溉、船舶系统等。由此可见，泵的运用范围十分广阔。根据工作原理，泵可以分为离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵、射流泵、螺杆泵、潜水泵、蒸汽泵、自吸泵等类型；根据用途可以分为清水泵、排污泵、渣浆泵、输油泵以及化工泵等。此外，还可以根据叶轮级数将泵分为单级和多级；根据泵吸入口数量将泵分为单吸和多吸。
3 水泵的结构和工作原理
水泵类型众多，对不同类型的水泵而言，其基本结构存在一定的差异，在性能上也会表现出不同。就单级单吸清水离心泵而言，其是水泵中结构最为简单的水泵之一。从设计的角度来讲，单级单吸离心泵主要包括了叶轮、轴、压水室、进水口、泵体等主要部件，还有键、泵盖、密封等附属部件。主要部件的设计参数不同，就会直接影响到离心泵的基本性能。比如设计叶轮时，叶轮的比转速较大，超过一百甚至两百，那么泵的扬程就会相对较低，泵也可以归入中高比转速泵这一分类；如果比转速较低，不足六十甚至只有十几，那么泵的扬程就会很高，这类泵也被称为低比转速离心泵和超低比转速离心泵。所以，水泵设计需要根据实际需求科学合理地进行。
水泵在启动后，需要进行适当加水，才能将水吸入泵中。当然并非所有泵都是如此，自吸泵具有一定的自吸功能，在一定吸水高度时，自吸泵就可以不需加水，自动将水吸入到泵中。水泵将水从进水口吸入，通过叶轮将水排入压水室，再通过出水口排入输水管道。从水泵站的实际情况来看，单级双吸离心泵是使用范围最广的水泵类型，其次是轴流泵和单级单吸离心泵。单级双吸离心泵相对单级单吸离心泵而言，其进水口有两个，而且左右对称，能够有效降低水泵吸水过程产生的轴向力。
4 水泵站规划设计
4.1 泵站平面整体布置
泵站主要包括了泵房、进水池、控制中心和变电站这四个部分，每个部分的布置需要结合实际地理环境和建设需求进行科学合理的规划设计。
（1）泵房的布置。
泵房是泵站的核心环节，是水泵机组的布置场所。泵房的布置主要可以分为两个部分，一个部分是泵房的地理位置，一个是内部机组布置。泵房地理位置主要应该根据实际地理环境，尽量选择平整开阔、地质条件稳定、便于建设相关附属设施的场地进行泵房建设规划。
内部机组布置主要是水泵机组布置，水泵机组布置可以分为纵向和横向两种布置方式。纵向布置需要注意六个要点。第一，泵房大门保持通畅能够容纳最大设备，水管外壁和墙体的净距应该在最大设备宽度的基础上增加一米；第二，泵体和水管间距保持在一米以内，确保操作人员能够顺利通行；第三，配电设备和水管外壁需要保持一定的安全距离，该安全距离应该大于两米；第四，墙体与水泵外壁突起处保持一定间距，确保可以顺利进行配件安装和水泵检修；第五，电机外壁突出与墙体要保持一定的距离，确保在电机检修时具有足够的空间，一般该距离是在电机轴长的基础上加上0.5m；第六，相邻机组之间的水管外壁凸起部分净距要大于并保持在一米及以上。横向布置就是水泵主轴成一条直线，横向布置的基本间距要求和纵向布置保持一致，但是需要注意的是，横向布置容易导致泵房跨度增大，因此可以考虑将吸水阀门安装在泵房之外。
（2）进水池布置。
进水池布置需要结合泵房机组布置的情况进行确定，如果泵房内部机组采取纵向布置，那么进水池需要布置在泵房正面；如果泵房内部机组采取横向布置，那么进水池需要布置在泵房侧面。进水池的容量需要根据实际流量需求，设计合理的进水池开挖方案。 （3）控制中心布置。
控制中心的作用就是对各个机组的运行情况进行监测管理，并根据实际需求对机组进行及时调整。通常情况下，控制中心是和泵房连接在一起的，以便能够直观全面地对机组进行观察。但是，泵房机组在运行过程中，噪音十分巨大。尤其是多台机组同时运行时，会产生一定程度的共鸣导致噪音加倍，对人会造成较大的影响。所以，控制中心布置可以与泵房连接，但是必须做好隔音措施，确保控制中心能够正常工作。
（4）变电站布置。
变电站布置一般应该远离水池，选择开阔无障碍物、不存在地质风险的区域进行布置。同时需要注意的是，变电站布置在考虑安全的前提下，还需要考虑节省供电成本以及变电站检修工作方便等。
4.2 水泵机组选型
水泵机组是水泵站规划设计的核心设备，只有选择合理的水泵机组，才能使水泵站发挥出预想中的作用。水泵选型应该根据工程水量和水压变化两个方面的情况进行。基本要求是，在满足工况的条件下尽可能减少成本；从技术层面对水泵扬程、流量等进行完善地计算，进而确定水泵型号和数量；从经济和管理的角度确定泵的布置方式和工作方式，最大程度降低维修费用和工作能耗。此外，水泵选择还需要考虑以下几个方面的问题，第一，水泵类型与水质相对应，清水使用清水泵，污水使用污水泵；第二，在水泵符合吸水要求的情况下，尽量减少泵站埋深；第三，水泵机组选型、数量要先于泵房设计；第四，泵型应该便于维修，并且能够就近购买，减少相关开支。
水泵的具体选定方案根据工作效率和最大扬程可以分为两类，第一，多台小泵并联；第二，几台大泵并联。选择大泵还是小泵，需要根据实际情况确定，并且两种方案之间各有优缺点。比如，针对某供水方案，方案一是4台350S75A的水泵并联，单台水泵的流量范围在900～1300m3/h之间，扬程在55～70m之间，转速为1450 r，效率为84%，相应配套电机的功率为280kW[1]。方案二是2台500S98B水泵并联，单台水泵的流量范围在1400～2000m3/h之间，扬程在60～85m之间，转速为970r，效率为78%，相应的配套电机功率为560kW。这两种方案对比来看，方案一的养护成本明显小于方案二，效率相对方案二也更高；方案一的水泵汽蚀余量是5.5m，而方案二的水泵汽蚀余量是4m，方案一的汽蚀余量远大于方案二；方案一的配套电机功率为280kW，四台配套电机的总功率是1120kW，而方案二单台配套电机的功率是560kW，两台配套电机的总功率也是1120kW，与方案一持平。但是，方案一机组数量较多，所需的泵房面积大于方案二。对比来看，方案一在大部分方面均优于方案二，所以，选择方案一来达成输送要求。
4.3 吸水井的设计和安装
吸水井的设计需要结合实际的设计参数进行计算，如果某泵站水泵叶轮外径D=800mm，d=600mm。那么经过计算可知，吸水管的进口直径DN≥（1.3～1.5）d= 810mm；吸水管喇叭口长度L≥（3.0～7.0）（D-d）=810mm；吸水井井底到喇叭口的直接距离s≥0.8D=640mm；喇叭口的淹没深度h≥（0.5～1.0）m，一般取大值即h≥1m。通过计算可以得出吸水机的长度是11800mm，宽度为2350mm；吸水井的高度一般是淹没深度+喇叭口距离井底深度+有效水深+超高+冻土层[2]，这就需要根据实际测量结构进行计算。
吸水井的安装可以分为两个部分，即喇叭口垂直安装和水平安装。垂直安装需要注意四个安装要点：第一，淹没深度应该大于0.5～1m，如果没有达到这一要求，则需要设置水平隔板，水平隔板需根据实际情况具体确定；第二，喇叭口到井底的距离要大于0.8D，确保吸水管进口流速符合设计要求；第三，水井井壁到喇叭口的距离要大于0.75D，确保具有足够的空间进行其他操作；第四，喇叭口之间的距离要保持在1.5D以上，避免距离过近造成相互干扰。水平安装的淹没深度要大于垂直安装，淹没深度要保持在0.5m～1.5m以上；井底和喇叭口间距要大于0.33D，确保吸水管进口流速。其他方面水平安装和垂直安装基本保持一致。
4.4 引水设备的设计
引水设备可以分为带底阀吸水管、不带底阀吸水管以及水射器引水。带底阀吸水管可以分为三类，一是人工引水，将水从水泵顶部的灌水孔引入泵内，同时将排气阀打开；二是倒灌引水，如果压力管中有水，并且没有止回阀，水压较低时，可以直接打开闸阀把水引入泵内；三是高架泵箱引水，通过在泵房设置高架水箱，在水泵启动时，将水箱中的水引入水泵。带底阀引水法的特点是装置简单，容易操作；但是底阀的水头损失较大，且需要经常养护清理。
不带底阀吸水管的引水方式主要是通过真空泵进行引水，其最大特点就是水泵启动快，运行可靠，自动化控制容易实现。这种引水方式最常用的是水环式真空泵，该泵的基本原理就是在泵体内安装偏心叶轮，在泵启动之前引水灌满泵壳，通过叶轮旋转从而形成水环。当泵壳和水环分离时，叶轮的间距逐渐变大，压力逐渐减小，进气口和进气管吸入空气。在后半转，泵壳和水环逐渐靠拢，压力升高，空气从排气口排除。水环式真空泵排气量为：
。
式中K为漏气系数，一般取值范围是1.05～1.10；是水泵站中，最大水泵泵壳内的空气容积；是水泵站中最大水泵的吸水管内的空气容积；是水柱表示的大气气压；是水泵的实际安装高度；T为水泵的引水时间，一般应该保持在五分钟以内，消防类水泵不应该大于3 min。
水射器引水的基本原理是在水射器的喷嘴处施加一定压力产生高速水流，使喉管处形成真空，将泵内的空气抽离[3]。水射器的结构很简单，安装方便，操作简单，便于维护，是十分常见的引水设备，但是水射器的效率较低，需要大量的高压水。
5 水泵站管理养护规划设计
管理养护也是水泵站规划设计的一个重要环节，可以分为日常管理和养护维修两个方面。
其中日常管理可以分为三个方面。首先是管理对象，对水泵站而言，管理对象不仅应该包括各类硬件设备和建筑，还应该包括控制中心的软件系统，把水泵站的各个环节囊括其中；其次，是管理措施，管理措施制定要结合水泵站的实际情况，对不同的管理对象制定不同的管理措施。比如，对泵房机组的管理，就应该加强机组运行数据的采集，分析判断机组运行状况，并对存在异常的机组进行及时检修。在管理措施的基础上，还需明确管理人员的配置，详细划定管理人员的职责区域，明确具体的管理办法；最后，加强对管理工作的监督，可以通过安装监控系统切实对每个环节的管理工作进行监督。
而养护维修又可以分为养护和维修两个部分，养护主要是对相关机械设备进行润滑、除污、清杂等养护工作；维修主要是对存在故障问题的机组或零部件进行修理和更换，以便及时排除问题，维持机组设备的正常运行。
6 结语
水泵站从整体结构上来说并不复杂，但是每个环节的具体工作仍需要投入大量精力。水泵站规划设计的重点在于泵站整体布局、机组设计与选型、吸水井和引水设备的设计与安装、泵站的日常管理和养护维修等。只有从这些重点出发做好每一个环节的规划设计，才能使水泵站的整体设计结果符合实际需求。
参考文献
[1] 任克和.浅谈水泵站的规划设计[J].中华民居，2013（9）：336-337.
[2] 宋永占，徐存东，赵廷红，潘琳，等.景电灌区取水泵站优化设计方法研究[J].中国给水排水，2014（9）：45-49.
[3] 樊建军，胡晓东，张朝升.取水泵站的优化设计与节能改造[J].中国给水排水，2003（8）：72-74.