東臺新抽水站多泵運行時水泵實際性能分析

李悅李連成陶圣葉(鹽城市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇鹽城224002)1引言堤東灌區(qū)為國有大型灌區(qū)，位于江蘇省東臺市東部，總耕地面積122.41萬畝。東臺新抽水站為東臺市堤東灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程項目之一，工程為灌溉泵站，自通榆河抽水供堤東灌區(qū)用水。東臺新抽水站投入使用后，與其他項目分年度實施，最終共同發(fā)揮效益，改善灌溉面積44萬畝，改善排澇面積122.41萬畝，新增糧食生產(chǎn)能力632萬kg，新增農(nóng)業(yè)產(chǎn)值1200.93萬元，實現(xiàn)年節(jié)水100萬m3，投資效益明顯。東臺新抽水站設(shè)計使用3臺潛水貫流泵，單泵設(shè)計流量8.0m3/s，總設(shè)計流量24m3/s。東臺新抽水站的高效、穩(wěn)定運行，給灌區(qū)用水提供了重要保障。但工程實際運行中，尤其是3臺水泵同時運行時，單機流量略有降低，電機功率有所增大?？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似，本文以此工程為例，以水泵運行時的實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析探索此類泵站在多泵運行時的功率、裝置效率等方面的規(guī)律，驗證原設(shè)計和實驗數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步提高設(shè)計、施工水平積累資料，也為類似工程的水機選型提供參考和依據(jù)。2水泵性能參數(shù)東臺新抽水站設(shè)計流量24m3/s，泵站凈揚程在0m～2.60m之間，為超低揚程泵站，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)計流量，初步選定3臺水泵，單機流量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)相對簡單，底板埋深相對較淺，施工開挖面小、占地小，配套電機功率小，效率高，同時輔機設(shè)備少，運行管理方便。在突破了潛水電機密封等難題后，潛水貫流泵在我國得到了大力推廣，目前在我市城市防洪泵站工程上普遍使用且運行情況良好。本工程設(shè)計使用潛水貫流泵機組。經(jīng)過對部分國內(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，參考國內(nèi)外建設(shè)低揚程泵站的經(jīng)驗，本設(shè)計選取低轉(zhuǎn)速大直徑的水泵。兩種模型泵裝置性能曲線詳見圖1～圖2，真機性能曲線詳見圖3～圖4。圖1GL-2008-03模型泵裝置性能曲線圖2JGZM-3模型泵裝置性能曲線圖3GL-2008-03潛水貫流泵真機性能曲線圖4JGZM-3潛水貫流泵真機性能曲線表1東臺新抽水站工程真機性能對比從以上圖表比較可以看出，采用GL-2008-03水力模型的真機水泵裝置效率略高于JGZM-3水力模型，軸功率也略小一些，兩種模型裝置真機各工況流量均滿足設(shè)計要求。綜合比較，本工程選用GL-2008-03水力模型。東臺新抽水站工程采用2000GZBW-8.6/1.90潛水貫流泵機組，共3臺套。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機連接。單機功率330kW，總裝機功率990kW。工程設(shè)計水位組合為：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)計總揚程2.10m，對應(yīng)設(shè)計流量8.6m3/s。3現(xiàn)場實測成果為及時了解灌區(qū)工程設(shè)施的工程動態(tài)、內(nèi)部和外部的運行狀態(tài)，以及變化規(guī)律，需對泵站運行情況進(jìn)行檢查與觀測。通過觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)問題并及時采取措施，以確保工程的安全運行以及充分發(fā)揮工程效益。另外還可通過對觀測結(jié)果進(jìn)行分析，來驗證原設(shè)計和實驗數(shù)據(jù)。測量方法：測驗按照《水文測驗手冊》中有關(guān)水位、流量測驗的方法施行。根據(jù)河道水流特性等實際情況，采用流速儀法進(jìn)行流量測驗。該方法精度較高，同時對水流特性較為復(fù)雜、水質(zhì)情況較為惡劣等不良條件適應(yīng)性強，適用于本次流量測驗任務(wù)。經(jīng)實地查勘，并綜合東臺新抽水站單機設(shè)計流量，測驗期間上、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)測驗斷面。該測驗斷面等距布設(shè)4根測速垂線，分別用于施測0.2、0.8相對水深處的流速。流量測量使用LS68A型旋杯式流速儀測量，流速測量范圍為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中心進(jìn)行了校準(zhǔn)率定。具體測量時，泵站先后按單機分別開機、單機組合開機等7種工況運行。流量測驗則在每次開機工況變動后，再間隔20min左右，待泵站上、下游引河水流穩(wěn)定后施測。由于流量測驗斷面在起點距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際過水寬度。測量結(jié)果顯示，水泵單機開機時，流量均能滿足設(shè)計要求，各水泵的電機功率也接近。但3臺水泵同時開機時，單機平均流量為7.57m3/s，平均功率為241kW，流量較單機運行時降低了8.2%，功率較單機運行時提高了13.3%。下面根據(jù)上述測量結(jié)果，對水泵不同運行工況下的流量、效率進(jìn)行對比分析。表2本次泵站流量測量成果統(tǒng)計4性能對比分析根據(jù)《泵站現(xiàn)場測試與安全檢測規(guī)程》(SL548—2012)，水泵效率應(yīng)按以下公式計算：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為裝置揚程，m；P為主電機輸入功率，kW。泵的有效功率為泵在單位時間內(nèi)對流體所做的功，等于泵的揚程和質(zhì)量流量及重力加速度的乘積，計算公式如下：Pe=ρgQH水泵效率計算結(jié)果見表3。表3水泵有效功率、效率計算由于流量測驗斷面在起點距5.0～10.0m、15.0～20.0m間，通過此結(jié)果計算出來的水泵效率并未考慮清污機橋、安全格柵、門槽等部位的水頭損失。對設(shè)計運行水位組合時的水力損失估算見表4。表4東臺新抽水站水力損失估算經(jīng)估算，灌溉工況下，設(shè)計運行水位組合時，裝置水力損失取用0.5m。計算考慮水頭損失及裝置傳動效率后的水泵效率，對上述計算結(jié)果進(jìn)行修正與進(jìn)一步對比，具體見表5。表中裝置效率為對應(yīng)流量與揚程下通過真機性能曲線查得的裝置效率。表5水泵效率修正由計算結(jié)果可知，水泵效率平均值為50.31%，水泵實際運行效率較為穩(wěn)定，實測流量偏差均在5%以內(nèi)，大部分在2.5%以內(nèi)。校正后的水泵效率與設(shè)計裝置效率偏差較小。在單機流量相近的情況下，當(dāng)同時運行1號、3號機時，單機平均功率為224kW，而同時運行開1號、2號機或者2號、3號機時，單機平均功率達(dá)236kW。相鄰水泵同時開機的不利影響大于間隔水泵機組同時開機。當(dāng)3臺水泵同時開機時，單機平均功率為241kW，水泵功率為幾種工況下最高，3臺水泵同時開機時的水泵效率也明顯降低，較裝置效率降低13.95%。測量結(jié)果顯示，3臺水泵同時運行時站上水位最低，站下水位最高，凈揚程最大。多泵同時運行時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)計揚程隨之增大。而水機選型時通常只按照單機運行工況進(jìn)行設(shè)計，并未考慮多泵運行造成的額外水力損失。但實際運行中這種影響不容忽視，水泵效率明顯降低，甚至不在水泵的運行高效區(qū)。多臺水泵機組同時開機時，還會影響水流流態(tài)，進(jìn)水池可能會形成旋渦，如果產(chǎn)生進(jìn)氣漏斗旋渦，空氣會進(jìn)入水泵，降低水泵效率，機組還會產(chǎn)生振動和噪聲。5結(jié)語當(dāng)多臺水泵同時開機時，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，且水泵同時運行臺數(shù)越多，不利影響越大。多泵運行時的泵間干擾對水泵水力性能有重要影響，但運行臺數(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，在泵站運行期間可以優(yōu)化運行方式，如無