東臺(tái)新抽水站多泵運(yùn)行時(shí)水泵實(shí)際性能分析

東臺(tái)新抽水站多泵運(yùn)行時(shí)水泵實(shí)際性能分析

李?lèi)偫钸B成陶圣葉(鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇鹽城224002)1引言堤?hào)|灌區(qū)為國(guó)有大型灌區(qū)，位于江蘇省東臺(tái)市東部，總耕地面積122.41萬(wàn)畝。東臺(tái)新抽水站為東臺(tái)市堤?hào)|灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程項(xiàng)目之一，工程為灌溉泵站，自通榆河抽水供堤?hào)|灌區(qū)用水。東臺(tái)新抽水站投入使用后，與其他項(xiàng)目分年度實(shí)施，最終共同發(fā)揮效益，改善灌溉面積44萬(wàn)畝，改善排澇面積122.41萬(wàn)畝，新增糧食生產(chǎn)能力632萬(wàn)kg，新增農(nóng)業(yè)產(chǎn)值1200.93萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)年節(jié)水100萬(wàn)m3，投資效益明顯。東臺(tái)新抽水站設(shè)計(jì)使用3臺(tái)潛水貫流泵，單泵設(shè)計(jì)流量8.0m3/s，總設(shè)計(jì)流量24m3/s。東臺(tái)新抽水站的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，給灌區(qū)用水提供了重要保障。但工程實(shí)際運(yùn)行中，尤其是3臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，單機(jī)流量略有降低，電機(jī)功率有所增大?？紤]到本市城市防洪泵站工程使用的水泵型式與泵站布置方式均與此工程類(lèi)似，本文以此工程為例，以水泵運(yùn)行時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析探索此類(lèi)泵站在多泵運(yùn)行時(shí)的功率、裝置效率等方面的規(guī)律，驗(yàn)證原設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)、施工水平積累資料，也為類(lèi)似工程的水機(jī)選型提供參考和依據(jù)。2水泵性能參數(shù)東臺(tái)新抽水站設(shè)計(jì)流量24m3/s，泵站凈揚(yáng)程在0m～2.60m之間，為超低揚(yáng)程泵站，宜選用軸流泵，根據(jù)水泵軸放置型式可分為立式軸流泵、貫流泵及斜軸泵。根據(jù)本工程設(shè)計(jì)流量，初步選定3臺(tái)水泵，單機(jī)流量8m3/s。由于斜軸泵泵軸受力復(fù)雜，材質(zhì)要求較高，貫流泵中的豎井式和燈泡式主要適用于大型泵站。將立式軸流泵方案與潛水貫流泵方案進(jìn)行方案比選。兩種方案工程投資相差不大，貫流泵土建結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，底板埋深相對(duì)較淺，施工開(kāi)挖面小、占地小，配套電機(jī)功率小，效率高，同時(shí)輔機(jī)設(shè)備少，運(yùn)行管理方便。在突破了潛水電機(jī)密封等難題后，潛水貫流泵在我國(guó)得到了大力推廣，目前在我市城市防洪泵站工程上普遍使用且運(yùn)行情況良好。本工程設(shè)計(jì)使用潛水貫流泵機(jī)組。經(jīng)過(guò)對(duì)部分國(guó)內(nèi)水力模型進(jìn)行初步比選，工程水泵模型擬將GL-2008-03和JGZM-3兩種水力模型進(jìn)行原型泵比選，兩種水泵模型在低揚(yáng)程貫流泵站工程建設(shè)中均應(yīng)用廣泛。水泵流量和轉(zhuǎn)速的一次方、直徑的三次方成比例，參考國(guó)內(nèi)外建設(shè)低揚(yáng)程泵站的經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)選取低轉(zhuǎn)速大直徑的水泵。兩種模型泵裝置性能曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖1～圖2，真機(jī)性能曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖3～圖4。圖1GL-2008-03模型泵裝置性能曲線(xiàn)圖2JGZM-3模型泵裝置性能曲線(xiàn)圖3GL-2008-03潛水貫流泵真機(jī)性能曲線(xiàn)圖4JGZM-3潛水貫流泵真機(jī)性能曲線(xiàn)表1東臺(tái)新抽水站工程真機(jī)性能對(duì)比從以上圖表比較可以看出，采用GL-2008-03水力模型的真機(jī)水泵裝置效率略高于JGZM-3水力模型，軸功率也略小一些，兩種模型裝置真機(jī)各工況流量均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。綜合比較，本工程選用GL-2008-03水力模型。東臺(tái)新抽水站工程采用2000GZBW-8.6/1.90潛水貫流泵機(jī)組，共3臺(tái)套。葉輪直徑1800mm，轉(zhuǎn)速175r/min，葉片安放角0°；水泵采用齒輪箱與電動(dòng)機(jī)連接。單機(jī)功率330kW，總裝機(jī)功率990kW。工程設(shè)計(jì)水位組合為：進(jìn)水側(cè)水位0.90m，出水側(cè)水位2.50m，此工況下水泵設(shè)計(jì)總揚(yáng)程2.10m，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)流量8.6m3/s。3現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成果為及時(shí)了解灌區(qū)工程設(shè)施的工程動(dòng)態(tài)、內(nèi)部和外部的運(yùn)行狀態(tài)，以及變化規(guī)律，需對(duì)泵站運(yùn)行情況進(jìn)行檢查與觀測(cè)。通過(guò)觀測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)采取措施，以確保工程的安全運(yùn)行以及充分發(fā)揮工程效益。另外還可通過(guò)對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，來(lái)驗(yàn)證原設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)量方法：測(cè)驗(yàn)按照《水文測(cè)驗(yàn)手冊(cè)》中有關(guān)水位、流量測(cè)驗(yàn)的方法施行。根據(jù)河道水流特性等實(shí)際情況，采用流速儀法進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)。該方法精度較高，同時(shí)對(duì)水流特性較為復(fù)雜、水質(zhì)情況較為惡劣等不良條件適應(yīng)性強(qiáng)，適用于本次流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)。經(jīng)實(shí)地查勘，并綜合東臺(tái)新抽水站單機(jī)設(shè)計(jì)流量，測(cè)驗(yàn)期間上、下游水位等因素，最終擬定在抽水站進(jìn)水池西側(cè)交通橋位置布設(shè)測(cè)驗(yàn)斷面。該測(cè)驗(yàn)斷面等距布設(shè)4根測(cè)速垂線(xiàn)，分別用于施測(cè)0.2、0.8相對(duì)水深處的流速。流量測(cè)量使用LS68A型旋杯式流速儀測(cè)量，流速測(cè)量范圍為0.08～3.50m/s，該儀器已于2018年3月在南京東部水文儀器檢測(cè)中心進(jìn)行了校準(zhǔn)率定。具體測(cè)量時(shí)，泵站先后按單機(jī)分別開(kāi)機(jī)、單機(jī)組合開(kāi)機(jī)等7種工況運(yùn)行。流量測(cè)驗(yàn)則在每次開(kāi)機(jī)工況變動(dòng)后，再間隔20min左右，待泵站上、下游引河水流穩(wěn)定后施測(cè)。由于流量測(cè)驗(yàn)斷面在起點(diǎn)距5.0～10.0m間、15.0～20.0m間，緊鄰上游各有一處橋樁阻水，因此表2中“水面寬”均為剔除橋墩阻水影響因素后的實(shí)際過(guò)水寬度。測(cè)量結(jié)果顯示，水泵單機(jī)開(kāi)機(jī)時(shí)，流量均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，各水泵的電機(jī)功率也接近。但3臺(tái)水泵同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)，單機(jī)平均流量為7.57m3/s，平均功率為241kW，流量較單機(jī)運(yùn)行時(shí)降低了8.2%，功率較單機(jī)運(yùn)行時(shí)提高了13.3%。下面根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，對(duì)水泵不同運(yùn)行工況下的流量、效率進(jìn)行對(duì)比分析。表2本次泵站流量測(cè)量成果統(tǒng)計(jì)4性能對(duì)比分析根據(jù)《泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與安全檢測(cè)規(guī)程》(SL548—2012)，水泵效率應(yīng)按以下公式計(jì)算：式中：η為裝置效率；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為出水管流量，m3/s；H為裝置揚(yáng)程，m；P為主電機(jī)輸入功率，kW。泵的有效功率為泵在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)流體所做的功，等于泵的揚(yáng)程和質(zhì)量流量及重力加速度的乘積，計(jì)算公式如下：Pe=ρgQH水泵效率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。表3水泵有效功率、效率計(jì)算由于流量測(cè)驗(yàn)斷面在起點(diǎn)距5.0～10.0m、15.0～20.0m間，通過(guò)此結(jié)果計(jì)算出來(lái)的水泵效率并未考慮清污機(jī)橋、安全格柵、門(mén)槽等部位的水頭損失。對(duì)設(shè)計(jì)運(yùn)行水位組合時(shí)的水力損失估算見(jiàn)表4。表4東臺(tái)新抽水站水力損失估算經(jīng)估算，灌溉工況下，設(shè)計(jì)運(yùn)行水位組合時(shí)，裝置水力損失取用0.5m。計(jì)算考慮水頭損失及裝置傳動(dòng)效率后的水泵效率，對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正與進(jìn)一步對(duì)比，具體見(jiàn)表5。表中裝置效率為對(duì)應(yīng)流量與揚(yáng)程下通過(guò)真機(jī)性能曲線(xiàn)查得的裝置效率。表5水泵效率修正由計(jì)算結(jié)果可知，水泵效率平均值為50.31%，水泵實(shí)際運(yùn)行效率較為穩(wěn)定，實(shí)測(cè)流量偏差均在5%以?xún)?nèi)，大部分在2.5%以?xún)?nèi)。校正后的水泵效率與設(shè)計(jì)裝置效率偏差較小。在單機(jī)流量相近的情況下，當(dāng)同時(shí)運(yùn)行1號(hào)、3號(hào)機(jī)時(shí)，單機(jī)平均功率為224kW，而同時(shí)運(yùn)行開(kāi)1號(hào)、2號(hào)機(jī)或者2號(hào)、3號(hào)機(jī)時(shí)，單機(jī)平均功率達(dá)236kW。相鄰水泵同時(shí)開(kāi)機(jī)的不利影響大于間隔水泵機(jī)組同時(shí)開(kāi)機(jī)。當(dāng)3臺(tái)水泵同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)，單機(jī)平均功率為241kW，水泵功率為幾種工況下最高，3臺(tái)水泵同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)的水泵效率也明顯降低，較裝置效率降低13.95%。測(cè)量結(jié)果顯示，3臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)站上水位最低，站下水位最高，凈揚(yáng)程最大。多泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)水泵搶水造成站上水位下降，站下大流量排水造成壅水使水位抬高，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程隨之增大。而水機(jī)選型時(shí)通常只按照單機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，并未考慮多泵運(yùn)行造成的額外水力損失。但實(shí)際運(yùn)行中這種影響不容忽視，水泵效率明顯降低，甚至不在水泵的運(yùn)行高效區(qū)。多臺(tái)水泵機(jī)組同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)，還會(huì)影響水流流態(tài)，進(jìn)水池可能會(huì)形成旋渦，如果產(chǎn)生進(jìn)氣漏斗旋渦，空氣會(huì)進(jìn)入水泵，降低水泵效率，機(jī)組還會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。5結(jié)語(yǔ)當(dāng)多臺(tái)水泵同時(shí)開(kāi)機(jī)時(shí)，不可避免地造成各泵進(jìn)出水流之間的干擾，使得各水泵進(jìn)流速度分布不均勻甚至紊亂。各泵之間的干擾形成的影響是不利的，這種不利干擾導(dǎo)致泵的效率下降，功率消耗增加，特別是相鄰泵之間的干擾更為明顯，且水泵同時(shí)運(yùn)行臺(tái)數(shù)越多，不利影響越大。多泵運(yùn)行時(shí)的泵間干擾對(duì)水泵水力性能有重要影響，但運(yùn)行臺(tái)數(shù)與流量、功率之間的影響數(shù)值關(guān)系，還需更多的資料積累進(jìn)一步分析確定。據(jù)此，在泵站運(yùn)行期間可以?xún)?yōu)化運(yùn)行方式，如無(wú)