一体化闸门泵系统设计说明和应用

一体化闸门泵系统设计说明和应用

张文涛

合肥恒大江海泵业股份有限公司  安徽合肥

【摘 要】一体化闸门泵是将潜水泵与钢闸门集成为一个整体，充分利用闸门的坚固框架，以闸门作为泵站的基础结构，将潜水泵直接刚性固定在闸门上，结构紧凑，占地空间小，项目投资大大缩减。辅以先进的监测和远程管理系统，实现远程智能控制，可以将数据上传到云端，通过中央控制，实现多条河流联排联调，提高水系调度的工作效率。此外，根据动态水位数据，泵闸能自动实现闸门启闭以及潜水泵启停，在干旱和洪涝季自动调节水位，真正实现无人值守。文章以浙江某老泵站改造项目为例，较详细地阐述了一体化闸门泵系统设计思路和设备配置，可供类似水利工程泵站设计参考。

【关键词】一体化闸门泵；智能控制；潜水泵；

一、总体方案说明

由于原泵站设计流量不能满足现状排涝需要，需将原闸站3孔平面钢闸门改造为潜水闸门泵，增加10.8m³/s总流量，采用6台口径700mm叶轮内置式潜水贯流泵，一闸两泵布置结构。水泵整体采用北京非攻新材料科技有限公司的FG-HAC高分子纳米防腐涂料，能有效的防海水腐蚀。利用现状闸门槽和液压启闭机QPPYⅠ-2×160kN-4.8m、液压站，重新设计了5.0m×4.7m露顶式平面滑动钢闸门，考虑现场实际运输条件，综合比较后采用门页分半式结构，上下节门叶均采用四道主横梁加分节梁，与两侧的边梁共同形成主受力框架。两侧边梁之间设有纵隔板，所有梁系均采用等高连接型式。上下两节门叶采用高强度螺栓连接方式，中间连接部位放入止水橡皮。利用现状泵房内20/5t桥式起重机进行现场组装水泵、闸门、拍门，并吊装到门槽内，完成安装。

二、水泵选型

1、泵站特征参数

闸门泵设计总流量：10.8m3/s，闸孔数量：3，水泵数量：6，单泵流量：1.8m3/s,本次项目采用一闸两泵方案。闸站水位信息参照下表：一体化泵闸水位信息表，扬程依据水位信息表合理确定，见表1。

表1：一体化泵闸水位信息表

2、水力模型和水泵型式的选择

本次泵站净扬程范围在0～0.42～1.69m，水泵排涝设计净扬程0.42m，综合比选国内优秀水力模型，考虑本次项目的重要性，我司选用南水北调工程天津台“TJ04-ZL-07”优秀模型。按相似定律换算后，确定选用叶轮直径650mm，额定转速590r/min选型方案。实型泵综合性能曲线如下（效率不修正）：

符合上述选型参数要求和闸门泵布置要求的主要市场上成熟产品包括潜水轴流泵（卧式安装）、叶轮内置式潜水贯流泵（市场上也称为全贯流泵）两种，叶轮内置式潜水贯流泵是以湿式电机为基础，将轴流泵叶轮与湿式电机的转子焊接成为一体，一体式转子内置于湿式电机定子的内腔，前端接吸水室，后端连接导叶体，形成一种结构紧凑、可靠性强的新型潜水电泵。

相比较潜水轴流泵（卧式安装）具有以下产品特点：

1）机组采用湿定子电机，其绕组是浸入水中工作，并通过水流对绕组进行冷却，电机结构属于敞开式，无密封要求。

2）机组配套电机属于完全浸入水中的敞开式电机，其冷却介质即为泵送水流，电机定、转子在运行过程中所产生的热量，能及时、有效地被工作水流带走，冷却充分，电机温升非常低，仅比环境水流温度高约10℃左右。

3）机组的叶轮与电机转子做成一体，工作水流从转子内腔流过，结构十分==紧凑，将传统的泵机合二为一，缩短了潜水电泵整机的轴向尺寸，其轴向尺寸约比传统同类型潜水电泵至少可缩短一半以上。

4）电机及泵全部沉入水中，由于水的阻尼隔音作用，不加盖板的水坑，噪声在80dB(A)以下，若加盖板，噪声可保证在60dB(A)以下。

综述，本次项目采用叶轮内置式潜水贯流泵。

3、水泵防腐

本次项目潜水泵机组采用北京非攻新材料科技有限公司的FG-HAC高分子纳米防腐涂料，它是一种双组分、高交联涂料，具有高性能、100%固含量，一次喷涂成型等优势特点，可以抵抗各种浓度酸和盐的腐蚀，同时该产品还有极佳的水解稳定性，在干燥或有水环境下可以抵抗各种温度和基材变形的影响。FG-HAC系列高性能防腐新材料将抗张强度、撕裂强度、硬度和伸长率等在内的各种物理性能指标达到完美平衡。形成高强度涂层，且具有极佳的耐化学腐蚀、耐磨性、耐热辐射性和抗冲击性。此材料的推出，解决了很多的市场应用痛点，如用于城市市政下水道、方沟、涵洞等环境下的防腐蚀，同时提高基材的结构强度，增强支撑力。与国内外传统防腐材料相比，FG-HAC高分子纳米防腐涂料具有超细微的颗粒，更强的附着力和断裂韧性，可有效防止冲击力造成的破损和脱落。同时由于耐磨骨料和涂料的完美结合，使得材料具有了优良的耐磨，耐冲刷性能。在相同腐蚀介质下，具有更长的使用年限。由于材料本身优异的防腐性能，因此被广泛应用于化工储罐，管道防腐，一般性建筑物防腐，海洋防腐等方面。

4、浮箱拍门

规格型号：DN800；

安装（连接）方式：可拆卸式法兰连接，用标准件将以上拍门安装（紧固）于水泵出口端上；

本结构采用全封闭密封结构，以阻隔泥沙水污水的侵入，且外置加油嘴（每12个月），向密封腔内加注黄油；使拍门启闭灵活，无卡阻。

密封结构采用双中空结构，设置2个缓冲消音区，以减缓水泵停机拍门回落时产生的撞击力；要求拍门全淹没或或半淹没时，均均良好的密封性能。

三、闸门设计说明

1、基本参数和设计说明

a) 技术参数

孔口尺寸(宽m×高m)        5.0×4.7

设计水头(米)               4.36

闸门型式                   露顶式平面滑动钢闸门

设计挡水位                 外河侧30年一遇水位2.49m

底坎高程                   -1.87m

孔口数量：                 3孔

门叶数量：                 3扇

b) 材料

门叶主要材料为Q235B，滑块材料为高分子自润滑材料，螺栓材料为A2-70,水封材料为SF6674。

c）启闭机

采用原闸门配套的液压启闭机QPPYⅠ-2×160kN-4.8m（现场原有设备）和液压工作站，经复核可以作为本次一体化闸门泵启闭装置。

d）门槽

门槽继续使用现有结构，新闸门设计时留有一定的安装余量并保证密封可靠。

2、闸门布置及设计

闸门采用平面滑动钢闸门，共三孔，动水启闭。孔口宽5.0m，底槛高程-1.87m，孔口顶高程4.03m。

考察了运输路径及现场道路要求，根据要求分两节制作，单节运输到安装现场进行拼装。

上下节门叶均采用四道主横梁加分节梁，与两侧的边梁共同形成主受力框架。两侧边梁之间设有纵隔板，所有梁系均采用等高连接型式。上下两节门叶采用高强度螺栓连接方式，中间连接部位放入止水橡皮。

工作闸门上游止水，侧止水采用P型，底止水采用H字型，共同形成止水结构。

四、一体化泵闸电气集成控制及监控系统

1、概述

一体化泵闸电气集成控制及监控系统采用智能控制、计算机信息网络、实时在线检测、数据库及专家智能软件等先进技术组成三级或四级分布式智能控制系统，系统软件使用公司为闸站自动化开发的智能控制软件平台，配套使用水泵监控保护装置，使闸站运行做到“无人值班、少人值守”，更进一步保证了水泵的可靠性、安全性实现对泵闸运行过程智能优化控制、安全联锁保护和综合信息管理。

2、集成控制系统组成

泵闸采用一体化智能集成控制系统，该智能控制系统根据泵闸运行调度工艺要求可以实现如下各子系统的电气控制动作：

主闸门液压启闭及限位系统；

主泵调度及控制系统；

格栅（可选）及检修闸门等附属设施；

各路水位、机械部件位置、系统电压、各电机电流等参数的采集、传感及控制；

其它辅助电气设备的控制。

3套水泵PLC软启动控制柜以及6套投入式水位传感器；水泵PLC软启柜即可编程控制器模块（PLC）与软启动装置集成在一个电控柜内，完成对6台潜水全贯流泵、3套工作闸门以及配套格栅的启停控制以及对系统电压、各电机电流等参数的采集；此外，还可以与专用水泵保护装置通讯，监测水泵轴承、绕组的温度等参数。6套投入式水位计分别安装在闸站的内、外河侧、格栅前后等，实时监测内外河的水位，将内外河水位与排涝及补水设定值进行比较，判断出泵闸采用哪一种运行模式，从而做出相应的自动操作。

五、结语

目前越来越多的闸站项目需要改造和提升，特别针对很多河流需要增加排涝或者灌溉功能，采用一体化闸门泵方案，水泵直接安装在闸门上，充分利用原闸站的布置尺寸和设备，不需要额外建设泵站，大大地降低了项目投入，从近几年的实际项目应用来看，是值得推广和推荐的方案。

参考文献

[1] 徐辉，郑源，夏军，孙洪斌. 石港泵站超工况运行技术研究与管理对策. 江苏水利，2021.

[2] 罗超.龙吟桥一体化泵闸设计及结构计算. 中国水运，2023.

[3] 潜水贯流泵（叶轮内置式）产品样本，合肥恒大江海泵业股份有限公司。

[4] SL584-2012潜水泵站技术规范. 中国水利水电出版社，2012.