南水北調(diào)東線工程水泵機(jī)組選型問(wèn)題探討

0工程概況和泵選型問(wèn)題線路的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)需要多個(gè)鏈接的大型引水工程的工程，因此站已成為該項(xiàng)目的中心部門(mén)。其中的水泵機(jī)組選型問(wèn)題更是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)總體規(guī)劃,南水北調(diào)東線工程共設(shè)13個(gè)梯級(jí),總揚(yáng)程65m,共需新建泵站51座,安裝水泵機(jī)組278臺(tái),總裝機(jī)流量7197.3m3/s,總裝機(jī)功率52.9萬(wàn)kW。整個(gè)工程分三期實(shí)施,其中第一期工程除利用江蘇省江水北調(diào)工程現(xiàn)有的6個(gè)梯級(jí)14座泵站(包括5座加固改造泵站)外,另需新建泵站21座,安裝水泵機(jī)組96臺(tái),新增裝機(jī)功率22.766萬(wàn)kW。目前,雖然南水北調(diào)東線工程已開(kāi)工建設(shè),但絕大多數(shù)泵站的水泵機(jī)組型式尚未最終確定。再者,即使已經(jīng)確定了初設(shè)方案,由于該工程建設(shè)周期長(zhǎng),隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,可能也需要對(duì)既定方案做出調(diào)整。另外,該工程的前期準(zhǔn)備工作已持續(xù)了幾十年,關(guān)于水泵選型方面的文獻(xiàn)也不少,但大多僅涉及到某單一性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)或泵型,對(duì)該工程水泵機(jī)組選型問(wèn)題進(jìn)行全方位研究探討的文獻(xiàn)尚未見(jiàn)到。鑒于上述分析,本文擬就該工程水泵選型涉及到的主要熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行探討,希冀對(duì)該工程的決策和設(shè)計(jì)部門(mén)有所裨益,并藉此與業(yè)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者交流。一般認(rèn)為,大型水泵機(jī)組包括水泵、動(dòng)力機(jī)(電動(dòng)機(jī))、傳動(dòng)裝置和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等,選型問(wèn)題的探討將圍繞這些組成部分進(jìn)行。1按水泵流量為導(dǎo)向的揚(yáng)程設(shè)計(jì)與我國(guó)已經(jīng)建成的提水灌溉泵站、排澇泵站和灌排兩用泵站相比,南水北調(diào)東線工程水泵機(jī)組主要有以下運(yùn)行特點(diǎn)。1)低揚(yáng)程大流量。根據(jù)該工程總體規(guī)劃,各個(gè)泵站的流量大多為150m3/s,單臺(tái)機(jī)組流量為30m3/s左右,每座泵站的裝機(jī)數(shù)量為4~5臺(tái),設(shè)計(jì)揚(yáng)程在2.3~9.0m之間,大多數(shù)泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為5.0m左右。2)揚(yáng)程和流量變化幅度不大。筆者目前尚未得到這方面的詳細(xì)資料,做此推測(cè)基于如下理由:(1)該工程從江蘇省揚(yáng)州市附近的長(zhǎng)江下游干流取水,此處的長(zhǎng)江水位應(yīng)變化不大。(2)該工程泵站為多梯級(jí)串聯(lián)式提水,各泵站之間統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)調(diào)度,完全能實(shí)現(xiàn)對(duì)各泵站的水位變化幅度進(jìn)行有效控制。(3)已開(kāi)工建設(shè)的寶應(yīng)泵站驗(yàn)證了這一推測(cè)。該泵站共安裝4臺(tái)立式混流泵,單臺(tái)機(jī)組流量33.4m3/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程7.6m,最低揚(yáng)程6.4m,最高揚(yáng)程8.0m,揚(yáng)程變化幅度很小。3)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),可靠性要求高。該工程泵站設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間大多為5000h,少數(shù)泵站為6000~8000h。目前有這樣一種傾向,一是對(duì)該工程泵站的功能和特點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足;二是過(guò)分夸大該工程對(duì)水泵機(jī)組的技術(shù)要求。因此,在進(jìn)行選型工作時(shí),首先應(yīng)全面了解所研究的對(duì)象。2泵類(lèi)型的選擇2.1按葉輪種類(lèi)劃分水泵的種類(lèi)很多,但適用于南水北調(diào)東線工程的泵型并不是很復(fù)雜。即按主軸方向可分為臥(軸)式、立(軸)式和斜(軸)式;按葉輪種類(lèi)可分為混流式(泵)和軸流式(泵),混流泵也稱(chēng)斜流泵。注意不應(yīng)將按主軸方向劃分的斜軸泵與按葉輪種類(lèi)劃分的斜流泵混淆。將上述兩種分類(lèi)方式組合,就構(gòu)成了臥式軸流泵、臥式混流泵、立式軸流泵、立式混流泵、斜式軸流泵、斜式混流泵等。至于貫流泵,可以認(rèn)為是一種特殊結(jié)構(gòu)(流道形式)的臥式泵,由于適用的揚(yáng)程較低,所以葉輪多為軸流式。2.2不同水泵的優(yōu)缺點(diǎn)分析在選擇水泵以前,必須對(duì)適用范圍內(nèi)的各種水泵有一個(gè)比較全面的了解。以下簡(jiǎn)要分析這些水泵的優(yōu)缺點(diǎn)。2.2.1方面的作用1)臥式泵的主要優(yōu)點(diǎn):(1)水泵的主要部件經(jīng)常處于水面以上,比立式泵受腐蝕的影響小;(2)檢查、維修和保養(yǎng)方便,拆卸時(shí)不必像立式泵那樣搬移電動(dòng)機(jī);(3)單位面積上的荷重小,對(duì)軟地基有利;(4)起重機(jī)的起吊荷重小,提升高度小,泵房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2)臥式泵的主要缺點(diǎn):(1)占地面積較大;(2)啟動(dòng)時(shí)必須灌引水(排氣)操作;(3)受吸入性能(汽蝕)限制,水泵安裝層不能太高并需采取措施保證進(jìn)水池處于高水位時(shí)動(dòng)力機(jī)房?jī)?nèi)不進(jìn)水。2.2.2水快、占地面積1)立式泵的主要優(yōu)點(diǎn):(1)葉輪淹沒(méi)在水里,有利于保證不發(fā)生汽蝕;(2)啟動(dòng)時(shí)不必灌引水(排氣),上水快,有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行;(3)占地面積小。2)立式泵的主要缺點(diǎn):(1)主要部件浸沒(méi)在水里,表面有水垢附著,容易被腐蝕;(2)拆卸時(shí)需移動(dòng)電動(dòng)機(jī);(3)拆卸時(shí)起吊高度大,泵房高度也隨之增高;(4)載荷集中,單位面積地基上的荷重大,對(duì)軟地基不利;(5)泵房結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;(6)水泵本身的價(jià)格比臥式泵高。2.2.3式泵的優(yōu)缺點(diǎn)斜式泵是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種安裝方式,使用量有逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于斜式泵研究的文獻(xiàn)較少,一般認(rèn)為它主要有以下優(yōu)缺點(diǎn)。1)優(yōu)點(diǎn):(1)進(jìn)出水流道彎度小,水力損失小,因而裝置效率通常高于立式泵和臥式泵;(2)水工建筑物投資比立式泵低。2)缺點(diǎn):泵軸斜置后,受力復(fù)雜,對(duì)導(dǎo)軸承要求較高,且安裝不便。2.2.4個(gè)高壓泵全泵貫流泵實(shí)際上是一種適用于低揚(yáng)程泵站的具有特殊結(jié)構(gòu)和進(jìn)出水流道形式的臥式軸流泵。貫流泵的結(jié)構(gòu)型式較多,在我國(guó)的應(yīng)用也已有20多年的歷史(主要是中、小型泵),但對(duì)其研究,尤其是裝置性能方面的研究卻相對(duì)較少。該泵型主要有以下優(yōu)缺點(diǎn)。1)優(yōu)點(diǎn):(1)進(jìn)出水流道為一近似直線,水力損失小,裝置效率高,尤其適用于設(shè)計(jì)揚(yáng)程低、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、重視運(yùn)行成本的場(chǎng)合;(2)水工建筑物簡(jiǎn)單,泵站投資低;(3)載荷分散,單位面積地基上的荷重小,適用于地基不良的場(chǎng)合。2)缺點(diǎn):(1)對(duì)密封要求較高;(2)為了減少燈泡比,需采用行星齒輪減速器,泵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。另外,有學(xué)者認(rèn)為貫流泵的機(jī)組效率并不像人們期望的那樣高。2.3泵選型標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一對(duì)于南水北調(diào)東線工程這樣的多梯級(jí)大型泵站群,水泵選型涉及到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、地質(zhì)、氣象、環(huán)境、人文等方方面面的影響因素,是一個(gè)系統(tǒng)工程,很難制定出一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但是,水泵選型應(yīng)遵循若干基本原則。2.3.1按按已設(shè)計(jì)的加權(quán)平均揚(yáng)程,按水泵結(jié)構(gòu)直接節(jié)流,按按這1/s,分國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50265—1997《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)由建設(shè)部批準(zhǔn)實(shí)施。其中與水泵選型相關(guān)的主要規(guī)定如下:1)在平均揚(yáng)程時(shí),水泵應(yīng)在高效區(qū)運(yùn)行;在最高與最低揚(yáng)程時(shí),水泵應(yīng)能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。分析:對(duì)于最高與最低揚(yáng)程,含義應(yīng)該是很清楚的,此不贅述。需要提醒一點(diǎn),在最高揚(yáng)程時(shí),進(jìn)水池往往處于最低水位,選泵時(shí)一定要對(duì)該運(yùn)行工況進(jìn)行“汽蝕校核”,才可能保證水泵“安全、穩(wěn)定運(yùn)行”。對(duì)于平均揚(yáng)程,《規(guī)范》中也有具體規(guī)定,即按下式計(jì)算加權(quán)平均凈揚(yáng)程,并計(jì)入水力損失確定;或按泵站進(jìn)、出水池平均水位差,并計(jì)入水力損失確定。式中H為加權(quán)平均凈揚(yáng)程,m;Hi為第i時(shí)段泵站進(jìn)、出水池運(yùn)行水位差,m;Qi為第i時(shí)段泵站提水流量,m3/s;ti為第i時(shí)段歷時(shí),d。分析:由于南水北調(diào)東線工程泵站的運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),所以筆者認(rèn)為應(yīng)按上式計(jì)算的加權(quán)平均凈揚(yáng)程,并計(jì)入水力損失確定平均揚(yáng)程。2)應(yīng)優(yōu)先選用國(guó)家推薦的系列產(chǎn)品和經(jīng)過(guò)鑒定的產(chǎn)品。當(dāng)現(xiàn)有產(chǎn)品不能滿足泵站設(shè)計(jì)要求時(shí),可設(shè)計(jì)新水泵。新設(shè)計(jì)的水泵必須進(jìn)行(泵段)模型試驗(yàn)或裝置模型試驗(yàn),經(jīng)鑒定合格后方可采用。采用國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品時(shí),應(yīng)有充分論證。分析:必須把好泵段模型試驗(yàn)和裝置模型試驗(yàn)這一關(guān)。我國(guó)已加入WTO,進(jìn)口產(chǎn)品也不能例外,應(yīng)與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品享受“同等待遇”,不能認(rèn)為外國(guó)人說(shuō)好就是好,花高價(jià)錢(qián)進(jìn)口低質(zhì)量產(chǎn)品的項(xiàng)目也并非少見(jiàn)。3)具有多種泵型可供選擇時(shí),應(yīng)綜合分析水力性能、機(jī)組造價(jià)、工程投資和運(yùn)行檢修等因素?fù)駜?yōu)確定。4)對(duì)于葉輪名義直徑大于或等于1600mm的軸流泵和混流泵,應(yīng)有裝置模型試驗(yàn)資料;當(dāng)對(duì)過(guò)流部件型線做較大更改時(shí),應(yīng)重新進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)。5)軸流泵站和混流泵站的裝置效率不宜低于70%;凈揚(yáng)程低于3m的泵站,其裝置效率不宜低于60%。分析:該規(guī)定是泵站的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo),對(duì)南水北調(diào)東線工程這樣運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的泵站尤其重要。一個(gè)不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品是不合格品或廢品;同樣,一座不符合規(guī)范的泵站就是不合格工程或劣質(zhì)工程。從目前情況看,人們對(duì)水泵(泵段)效率已經(jīng)引起了足夠重視,但對(duì)裝置效率和機(jī)組效率尚未引起高度重視。2.3.2無(wú)流量水泵系統(tǒng)這實(shí)際上涉及到各種泵型的適用范圍。在這方面,沒(méi)有嚴(yán)格的界限。對(duì)南水北調(diào)東線工程這樣的低揚(yáng)程大流量泵站,大致是:臥式軸流泵,設(shè)計(jì)揚(yáng)程3m以下;立式軸流泵,5m以下;臥式混流泵,3~7m;立式混流泵,4m以上;斜式泵介于立式和臥式之間;貫流泵應(yīng)視為臥式泵。2.3.3根據(jù)經(jīng)濟(jì)角度確定泵型從上述分析可以看出,僅根據(jù)泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程,常常無(wú)法確定出唯一適用的泵型。例如,南水北調(diào)東線工程相當(dāng)一部分泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為5m左右,則立式軸流泵、臥式混流泵、立式混流泵以及斜式軸流泵和混流泵都在適用范圍以內(nèi),這時(shí)候就需要從經(jīng)濟(jì)上對(duì)它們進(jìn)行綜合對(duì)比分析,才能篩選出最適宜的泵型。從經(jīng)濟(jì)角度考慮,各種水泵型式的大致排序?yàn)?臥式軸流泵→臥式混流泵→立式軸流泵→立式混流泵。經(jīng)濟(jì)分析的內(nèi)容不僅應(yīng)包括一次性投資的設(shè)備費(fèi)和土建工程費(fèi),也應(yīng)包括運(yùn)行動(dòng)力費(fèi)和維護(hù)管理費(fèi)。2.3.4水泵出現(xiàn)汽蝕時(shí)的免發(fā)生汽蝕我們知道,水泵一旦發(fā)生汽蝕,會(huì)產(chǎn)生一系列危害現(xiàn)象,因此,在進(jìn)行水泵選型和泵站設(shè)計(jì)時(shí),必須避免水泵發(fā)生汽蝕。對(duì)于南水北調(diào)東線工程這樣運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的泵站,更需對(duì)水泵汽蝕引起高度重視。不但確保水泵在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)不發(fā)生汽蝕,也須確保在進(jìn)水池水位最低(對(duì)于倒灌裝置,此時(shí)灌注水頭最低;對(duì)于吸上裝置,此時(shí)幾何吸上高度最大)時(shí)不發(fā)生汽蝕。1)水泵發(fā)生汽蝕時(shí)的危害現(xiàn)象:(1)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音;(2)對(duì)過(guò)流部件的某些部位產(chǎn)生腐蝕和破壞;(3)性能曲線下降,嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)斷流,不能工作。2)避免發(fā)生汽蝕的方法。一臺(tái)水泵在運(yùn)行中發(fā)生了汽蝕,但在完全相同的條件下,換上另一臺(tái)水泵就可能不發(fā)生汽蝕,這說(shuō)明水泵是否發(fā)生汽蝕與其本身的抗汽蝕性能有關(guān)。反之,同一臺(tái)水泵在某一吸入裝置條件(例如幾何吸上高度3m)下運(yùn)行時(shí)發(fā)生了汽蝕,但在改變裝置條件(例如幾何吸上高度2m)下則不發(fā)生汽蝕,這說(shuō)明水泵是否發(fā)生汽蝕還與裝置條件有關(guān)。由此可見(jiàn),水泵發(fā)生汽蝕的條件是由泵本身和吸入裝置兩方面決定的。知道了水泵發(fā)生汽蝕的條件,也就找到了避免發(fā)生汽蝕的途徑。首先,在水泵選型中應(yīng)盡可能選用抗汽蝕性能好的水泵。但水泵的抗汽蝕性能不可能無(wú)限度地提高。另一方面,過(guò)度提高水泵的抗汽蝕性能,常常以降低水泵的效率為代價(jià)。實(shí)際上,對(duì)大型泵站而言,在水泵抗汽蝕性能難以大幅度提高的情況下,泵站設(shè)計(jì)者只能通過(guò)改變安裝形式和吸入方式來(lái)避免水泵發(fā)生汽蝕。例如一座設(shè)計(jì)揚(yáng)程為5m的泵站。僅就揚(yáng)程而言,可選用臥式泵,也可選用立式泵。但由于臥式泵的安裝高度較高,可能無(wú)法避免水泵發(fā)生汽蝕,就只能選用立式泵。在這種情況下,即使立式泵站的裝置效率比臥式泵站低,可能仍然是合算的。因?yàn)樗靡坏┌l(fā)生較嚴(yán)重的汽蝕,其效率的下降幅度常常很大。3)水泵發(fā)生汽蝕時(shí)的對(duì)策。一旦水泵發(fā)生汽蝕,可采取如下對(duì)策:(1)增大吸水管直徑;(2)降低水泵安裝高度;(3)將水泵限制到小流量工況運(yùn)行;(4)將葉輪的材質(zhì)更換為抗汽蝕性能更好的材料。對(duì)于南水北調(diào)東線工程這樣的大型泵站,一旦建成,要實(shí)現(xiàn)上述(1)和(2)幾乎是不可能的。(3)和(4)實(shí)際上是以犧牲泵站的容量為代價(jià)。列出此條,目的并不在于介紹水泵發(fā)生汽蝕時(shí)的補(bǔ)救方法,而是想進(jìn)一步說(shuō)明在水泵選型和泵站設(shè)計(jì)中,避免水泵發(fā)生汽蝕的重要性。3電機(jī)的特性對(duì)比電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多,適用于南水北調(diào)東線工程水泵機(jī)組配套用的電動(dòng)機(jī)主要是三種交流電動(dòng)機(jī),即鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、繞線式異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的特性對(duì)比見(jiàn)表1。從表1可以看出,三種電動(dòng)機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。最終選擇哪一種電動(dòng)機(jī),取決于優(yōu)先考慮哪方面的因素。如果主要考慮水泵的起動(dòng)問(wèn)題,并減少一次性設(shè)備投資,應(yīng)選擇異步電動(dòng)機(jī);如果進(jìn)一步考慮減少起動(dòng)電流,避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊并減小泵站配電設(shè)備容量,則應(yīng)選擇繞線式異步電動(dòng)機(jī)。如果主要考慮泵站運(yùn)行費(fèi)用,則應(yīng)選擇同步電動(dòng)機(jī)。需要強(qiáng)調(diào)是,同水泵一樣,不管最終選擇哪一種電動(dòng)機(jī),都需要進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)分析。4直聯(lián)傳動(dòng)類(lèi)型就大型水泵而言,電動(dòng)機(jī)與水泵之間的動(dòng)力傳遞方式有聯(lián)軸器(直聯(lián))和齒輪減速器兩種。對(duì)于高揚(yáng)程水泵,由于轉(zhuǎn)速比較高,絕大多數(shù)采用直聯(lián)傳動(dòng)。對(duì)于低揚(yáng)程水泵,由于轉(zhuǎn)速大多很低,采用直聯(lián)傳動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)體積龐大、造價(jià)高,故而需要考慮采用齒輪減速器傳動(dòng)方案。4.1齒輪實(shí)際實(shí)際應(yīng)用適用于南水北調(diào)東線工程泵站的齒輪減速器主要是圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和行星齒輪減速器。1)圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)軸線平行,單級(jí)推薦傳動(dòng)比i≤8~10。其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造精度容易保證。適用于臥式泵以及電動(dòng)機(jī)與水泵軸線平行的立式泵。2)圓錐齒輪減速器的兩條軸線垂直或成一定角度相交,單級(jí)推薦傳動(dòng)比i=8~10。該類(lèi)減速器適用于水泵和電動(dòng)機(jī)軸線垂直相交(例如立式泵配臥式電動(dòng)機(jī)),或水泵與電動(dòng)機(jī)軸線成一定角度相交(例如斜式泵配臥式電動(dòng)機(jī))的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)是制造和安裝比較復(fù)雜,成本高。3)行星齒輪減速器的動(dòng)力輸入和輸出軸在一條軸線上,單級(jí)推薦傳動(dòng)比i=2~12。其主要優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)效率高(單級(jí)可達(dá)96%~99%),承載能力大,工作平穩(wěn),體積和重量比普通齒輪減速器小得多;缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,制造精度要求較高。該類(lèi)減速器適用于所有泵型,尤其適用于貫流泵,可減小燈泡比。換句話說(shuō),如果不采用行星齒輪減速器,或者該類(lèi)減速器的質(zhì)量不能保證,南水北調(diào)東線工程中的泵站就不可能選用貫流泵(采用直聯(lián)或其他類(lèi)型齒輪減速器時(shí),燈泡比太大)。4.2齒輪傳動(dòng)的原因1)優(yōu)點(diǎn):(1)重量輕,造價(jià)低。南水北調(diào)東線工程用泵的轉(zhuǎn)速一般不大于200r/min。在這種情況下,假定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000r/min,則低速大功率電動(dòng)機(jī)的重量和造價(jià),比相同功率高速電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器之和的重量和造價(jià)高。由于大功率電動(dòng)機(jī)的重量減輕,制造、運(yùn)輸和安裝也都比較方便。(2)泵機(jī)組分成了電動(dòng)機(jī)、齒輪減速器和水泵三大部分,使泵站的起吊裝置荷重變小,不但能降低泵站造價(jià),拆卸維修也比較方便。2)缺點(diǎn):(1)與直聯(lián)用的聯(lián)軸器相比,齒輪減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可以認(rèn)為多了一個(gè)故障點(diǎn)。(2)與聯(lián)軸器相比,齒輪減速器的傳動(dòng)效率稍低。通過(guò)上述分析可以看出,任何事物都具有多面性,減速傳動(dòng)也一樣。南水北調(diào)東線工程水泵機(jī)組是否采用齒輪減速器傳動(dòng),應(yīng)進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。有人提出采用齒輪減速器傳動(dòng)后,機(jī)組效率不應(yīng)降低。這種提法有一定的片面性。4.3方案對(duì)比建議國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中關(guān)于這方面的報(bào)道不少,但究竟水泵轉(zhuǎn)速低到多少時(shí)才應(yīng)該采用,或者說(shuō)應(yīng)該考慮采用齒輪減速器傳動(dòng)方案,目前還沒(méi)有一種統(tǒng)一的說(shuō)法。日本的低揚(yáng)程泵站比較多,整體技術(shù)也可以代表國(guó)際先進(jìn)水平,舉兩個(gè)該國(guó)的例子供參考。1)日本《泵站工程技術(shù)手冊(cè)》中建議:“對(duì)于低揚(yáng)程泵站,當(dāng)電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)大于10(相當(dāng)于同步轉(zhuǎn)速低于600r/min)時(shí),就有必要對(duì)直聯(lián)方案和帶齒輪減速器的方案進(jìn)行對(duì)比,然后再做出決定?！睂?duì)此建議應(yīng)注意兩點(diǎn):(1)它給出了一個(gè)定量指標(biāo)。據(jù)此指標(biāo),南水北調(diào)東線工程水泵機(jī)組都應(yīng)該考慮采用齒輪減速器傳動(dòng)方案。(2)它只是建議進(jìn)行方案對(duì)比,是否采用,要看對(duì)比結(jié)果,即看兩種方案中哪一種方案的綜合經(jīng)濟(jì)效益高。2)該《手冊(cè)》后面所附的“水泵設(shè)備工程設(shè)施布置圖集”中列舉了6個(gè)低揚(yáng)程泵站,除我國(guó)內(nèi)蒙古紅圪卜泵站的斜式軸流泵未采用齒輪減速箱外,其余3座安裝立式泵和2座安裝臥式泵的泵站均采用了齒輪減速器傳動(dòng)。5葉片的角調(diào)節(jié)問(wèn)題南水北調(diào)東線工程用泵是否需要進(jìn)行葉片安裝角調(diào)節(jié),或者說(shuō)是否需要配備葉片安裝角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),目前在業(yè)內(nèi)尚有爭(zhēng)議。要想弄清這個(gè)問(wèn)題,需要首先弄清葉片安裝角調(diào)節(jié)的作用。5.1調(diào)節(jié)葉片安裝角1)減小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,改善水泵的起動(dòng)性能。葉片安裝角越小,相應(yīng)的流量和軸功率也越小,所需的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流也隨之減小。因此,可將葉片安裝角調(diào)到最小時(shí)起動(dòng)水泵;待起動(dòng)后再將葉片安裝角調(diào)到所需的角度運(yùn)行。2)根據(jù)泵站揚(yáng)程的變化調(diào)節(jié)葉片安裝角,使水泵在高效區(qū)運(yùn)行。需要指出的是,這種方法適應(yīng)揚(yáng)程變化的范圍不大,主要適用于等效率曲線傾斜(ns<1000)的水泵。對(duì)于一些揚(yáng)程變化范圍大的泵站,僅采用調(diào)節(jié)葉片安裝角的方法來(lái)達(dá)到保持水泵在高效區(qū)運(yùn)行的目的是不可能的。在這種情況下,最有效的方法是調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。3)根據(jù)泵站所需的流量調(diào)節(jié)葉片安裝角,使水泵的流量滿足要求,而效率保持不變。這種調(diào)節(jié)適用于等效率曲線平坦(ns>1000)的軸流泵。5.2調(diào)節(jié)葉片邊界問(wèn)題根據(jù)上述對(duì)水泵葉片安裝角調(diào)節(jié)作用的分析,結(jié)合南水北調(diào)東線工程泵站的特點(diǎn),不難得出結(jié)論,即該工程絕大多數(shù)泵站所用水泵實(shí)際上不需要配備葉片安裝角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其理由如下:1)目前我國(guó)已建成的大多數(shù)大型排水泵站,配套的動(dòng)力機(jī)均為同步電動(dòng)機(jī),它的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比異步電動(dòng)機(jī)小。但據(jù)業(yè)內(nèi)某資深專(zhuān)家介紹,他們?cè)诙鄠€(gè)泵站做過(guò)試驗(yàn),即使將葉片安放角調(diào)到最大,也未曾發(fā)現(xiàn)存在起動(dòng)困難問(wèn)題。如果該工程新建泵站中的一部分水泵機(jī)組配套異步電動(dòng)機(jī),則起動(dòng)更不存在問(wèn)題。再者,我國(guó)的中小型離心泵(包括潛水泵)基本上全部采用異步電動(dòng)機(jī)。按規(guī)定應(yīng)采用關(guān)閉出水口閥門(mén)起動(dòng),實(shí)際使用中常常不加出水口閥門(mén),或保持出水口閥門(mén)開(kāi)啟,也未曾發(fā)現(xiàn)有報(bào)道存在起動(dòng)困難問(wèn)題。由此可見(jiàn),所謂的調(diào)節(jié)葉片角度起動(dòng)并無(wú)必要。2)如果泵站的揚(yáng)程和流量變化幅度不大,則通過(guò)調(diào)節(jié)葉片安放角,來(lái)改變揚(yáng)程或流量,使水泵保持在高效區(qū)運(yùn)行的功能也無(wú)必要。需要說(shuō)明的是,參考文獻(xiàn)中僅列出了設(shè)計(jì)揚(yáng)程和設(shè)計(jì)流量,未列出最高揚(yáng)程、最低揚(yáng)程、最大流量和最小流量等泵站參數(shù),該結(jié)論就不一定是全面的。3)就整個(gè)水泵而言,葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)加工精細(xì),造價(jià)高,操作維護(hù)也比較復(fù)雜。從經(jīng)濟(jì)角度看,可能也不合算。由此可見(jiàn),那種僅依據(jù)南水北調(diào)東線工程泵站所選水泵是否配備了葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),來(lái)評(píng)價(jià)水泵優(yōu)劣或選型是否合理的觀點(diǎn)值得商榷。6泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)變速調(diào)節(jié)是指水泵在運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)裝置流量和揚(yáng)程發(fā)生變化時(shí),通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速,以滿足泵站裝置要求的調(diào)節(jié)方法。上一節(jié)中討論的齒輪減速箱傳動(dòng),是一種動(dòng)力傳遞方式。一旦齒輪箱傳動(dòng)比確定,泵站建成后,在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)法改變水泵轉(zhuǎn)速,所以也就談不上調(diào)節(jié)。一些文獻(xiàn)將其列入變速調(diào)節(jié)范疇,似不妥。6.1降速調(diào)節(jié)、控制運(yùn)行參數(shù)1)變速調(diào)節(jié)適用于流量和揚(yáng)程,尤其是揚(yáng)程變化幅度較大的泵站。我們知道,水泵轉(zhuǎn)速改變時(shí),其流量和揚(yáng)程分別和轉(zhuǎn)速之比的一次方和二次方成正比。通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速就可以相應(yīng)改變其流量和揚(yáng)程,滿足裝置變化的需求。2)變速調(diào)節(jié)能使水泵在高效區(qū)附近運(yùn)行,降低運(yùn)行費(fèi)用。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化不大時(shí),水泵效率變化很小,但軸功率與轉(zhuǎn)速之比的三次方成正比。與調(diào)節(jié)泵站裝置,即調(diào)節(jié)閘閥開(kāi)度的方式相比,采用變速調(diào)節(jié)的裝置效率高,運(yùn)行費(fèi)用低。3)降速調(diào)節(jié)可改善水泵的抗汽蝕性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速n降低時(shí),n.D值也隨之下降,即水泵的圓周速度降低。試驗(yàn)證明,這時(shí)水泵的抗間隙汽蝕性能明顯提高,抗翼型汽蝕性能也得到一定改善。4)改善水泵起動(dòng)性能。由于水泵的軸功率與轉(zhuǎn)速之比的三次方成正比,所以可將其調(diào)節(jié)到低速狀態(tài)起動(dòng),從而減小起動(dòng)功率。當(dāng)配套動(dòng)力機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)時(shí),由于其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,需要選取較大的配套功率備用系數(shù),即加大電動(dòng)機(jī)功率。采用低速狀態(tài)起動(dòng)后,可選取較小的配套功率備用系數(shù),適當(dāng)減少配套電動(dòng)機(jī)功率,從而降低泵站的配電裝置容量和投資。6.2水泵傳動(dòng)控制方式變速調(diào)節(jié)方式主要有三種,即改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)以及采用液力耦合器傳動(dòng)和變頻調(diào)速。1)改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨極對(duì)數(shù)改變而變化。如果將電動(dòng)機(jī)做成雙極對(duì)數(shù),則該電動(dòng)機(jī)就有兩個(gè)額定轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù),就可以改變水泵轉(zhuǎn)速,達(dá)到調(diào)速的目的。這種調(diào)節(jié)方式已在廣東省東深引水工程中成功采用。其主要優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)可靠;缺點(diǎn)是“有級(jí)”變速,不能滿足泵站參數(shù)“漸變”的需求。2)液力耦合器是一種傳動(dòng)裝置,也可以起到離合器和調(diào)速裝置的作用。其調(diào)速功能是通過(guò)增加或減少耦合器內(nèi)的工作油量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)大范圍無(wú)級(jí)調(diào)速,缺點(diǎn)是在低速下工作時(shí)傳動(dòng)效率比較低。3)變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是近20多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種調(diào)速技術(shù),目前已在中小型低壓電動(dòng)機(jī)上廣泛采用。其主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠,可實(shí)現(xiàn)大范圍無(wú)級(jí)調(diào)速,缺點(diǎn)是設(shè)備費(fèi)比較高。國(guó)內(nèi)一生產(chǎn)企業(yè)稱(chēng)其已研制出高電壓大功率(最高電壓10kV,最大功率3150kW)變頻調(diào)速器,并在電力、化工等行業(yè)較大范圍推廣應(yīng)用。6.3調(diào)節(jié)方式變前面假定南水北調(diào)東線工程泵站的流量和揚(yáng)程變化不大,但這只是筆者的一種假設(shè)。是否需要采用變速調(diào)節(jié),則取決于這兩個(gè)參數(shù)變化的幅度有多大,以及變化的參數(shù)是流量還是揚(yáng)程。如果流量和揚(yáng)程都在整體規(guī)劃控制之中,變化幅度不大,則不必進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果變化的主要參數(shù)是流量,則最佳調(diào)節(jié)方式是改變泵站的水泵機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)。如果變化的主要參數(shù)是揚(yáng)程,且變化幅度較大,為了減小運(yùn)行費(fèi)用,應(yīng)考慮采用變速調(diào)節(jié)。筆者認(rèn)為,綜合考慮技術(shù)上的可行性、運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性等諸多因素,其優(yōu)選順序應(yīng)是:雙速電動(dòng)機(jī)→變頻調(diào)速器→液力耦合器。7節(jié)奏和建議7.1水泵選型及水泵設(shè)計(jì)1)臥式軸流泵、臥式混流泵、立式軸流泵、立式混流泵、斜式軸流泵和貫流泵等,都是適宜南水北調(diào)東線工程泵站的備選泵型,這些泵型本身并無(wú)先進(jìn)和落后之別。重要的是應(yīng)“因站制宜”,綜合考慮設(shè)備費(fèi)、泵站投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和可靠性等因素,進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析,選擇合理的泵型。2)水泵(泵段)效率固然重要,但最終反映運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的