我國大型泵站水泵設(shè)計揚程選擇過高的錯誤原因分析

呂省三，黃智豐，施 偉

(1.江蘇省江都水利工程管理處;2.江蘇江都亞威機床股份有限公司，江蘇 江都 225200)

0 引言

由于實踐經(jīng)驗的匱乏以及技術(shù)理論的缺失，我國早期興建的大型泵站，存在著水泵設(shè)計揚程偏高，實際運行揚程過低偏離了設(shè)計揚程，致使站運行效率偏低。中小型排灌裝置的運行效率，20世紀80年代開展的“機電排灌節(jié)能技術(shù)改造”后，中小型排灌設(shè)置選用的水泵設(shè)計揚程大幅下降，使運行效率得以大幅度提高。

希望大型泵站更新改造時，能降低大泵的設(shè)計揚程，提高經(jīng)常運行效率。

江都一、二站是我國首批興建的大型泵站，原用水泵為64ZLB－50型軸流泵，設(shè)計揚程8 m。實測站高效運行凈揚程為7～9 m，站運行效率在70%以上;凈揚程在8.6 m時，站最高運行效率達74%;當(dāng)運行凈揚程低于5 m，裝置效率達不到大型泵站不低于65%的要求。但該站的實際平均運凈行揚程僅為4.7 m，說明由于水泵揚程選用偏高，經(jīng)常運行在站高效區(qū)揚程范圍以下，運行效率明顯偏低[1]。

20世紀90年代擴容更新改造后，將水泵設(shè)計揚程降低3 m，(改為6 m設(shè)計揚程)單機流量增容30%。(注意:流量增大，流道水力效率將大幅下降，站運行效率應(yīng)跟著大幅下降。)但改造后實測凈揚程在4 m以上時，站運行效率大幅提高，達65%以上，達到大型泵站運行要求[2]。

如果該站更新改造中不兼顧國家南水北調(diào)東線一級泵站和長遠揚程不提高的話，同時擴容30%，將大泵設(shè)計揚程進一步降低后，該泵站經(jīng)常運行效率達70%左右，應(yīng)是輕而易舉的事。

然而，種種跡象表明，目前正在開展的大型泵站改造工程中，由于某些錯誤認識影響，存在更高地選用大泵設(shè)計揚程的隱患。

筆者擬對以下3個問題提出討論。

(1)因缺少經(jīng)驗，導(dǎo)致早期興建大型泵站選用水泵設(shè)計揚程偏高的遺憾。

(2)錯誤認識是將誘導(dǎo)過高選用大泵揚程的隱患。

(3)攔污柵嚴重堵塞的惡果，使大型泵站較普遍支持更高選用大泵揚程。

1 早期興建的大型泵站選用水泵設(shè)計揚程偏高

首批興建的大型泵站，普遍按較高揚程保證率，甚至按最大揚程選擇水泵，致使水泵經(jīng)常運行揚程偏低地離開高效區(qū)域，站運行效率偏低。隨著模型及原型泵運行觀察研究的深入，人們清楚了水泵在設(shè)計揚程上下，存在大體對稱的高效區(qū)，以64ZBL－50軸流泵為例，設(shè)計揚程為8 m，最高效率87%。分析其全性能曲線，如果將運行效率達80%以上稱為高效區(qū)范圍的話，那么高效區(qū)揚程在5～10 m之間，不管運行揚程向下還是向上偏離設(shè)計揚程，水泵運行效率同樣會下降，所以按平均運行揚程選用水泵設(shè)計揚程才是正確的、高效的。

對于軸流泵，在一定浸沒深度下，汽蝕程度由汽蝕余量(注:進入葉輪入口附近的水流，在被葉片增壓以前產(chǎn)生的壓力下降水柱高度，以m計，稱汽蝕余量)大小決定。在不同的揚程，不同的葉片角度下，水泵汽蝕余量不同，在設(shè)計工況，即設(shè)計揚程，設(shè)計葉片角度下，汽蝕余量最小，汽蝕性能最好，汽蝕聲響和振動最小，運行效率最高，運行最安全可靠。不管是偏低還是偏高，離開設(shè)計揚程或葉片角度加大，都會增大汽蝕余量，偏低越遠，角度越大，汽蝕余量越大，汽蝕聲響和振動越大，運行效率越低。但偏高越遠，受電機功率限制，必須同時減小葉片角度，汽蝕余量增大并不明顯。因為提高揚程，減小葉片角度，都使流量減小，流道水力效率提高，泵站運行效率下降很慢。

從這個意義上來說，水泵運行揚程偏離設(shè)計揚程過低，不但泵站運行效率大幅下降，汽蝕破壞更加嚴重，而偏離設(shè)計揚程過高運行，泵站運行效率下降較慢，葉輪中心如果有足夠的淹沒深度，汽蝕破壞亦將較輕。所以大型泵站最高運行效率揚程應(yīng)高于設(shè)計揚程，當(dāng)選用水泵設(shè)計揚程偏高時，等于摒棄了站高效揚程區(qū)范圍，運行效率自然偏低了。

2 錯誤的認識誘導(dǎo)大泵選用更高的揚程

我國早期興建的大型虹吸式軸流泵站中，虹吸駝峰頂存在設(shè)計缺陷。在啟動過程中，形成了不易排除的彈性殘余空氣囊，引起負壓強烈振動，導(dǎo)致水泵工作揚程在高過鞍頂與低于鞍底之間大幅度跳躍變化，流量也大幅跳躍變化，而在葉片上產(chǎn)生強烈水力振動現(xiàn)象。這種啟動振動現(xiàn)象，被論定為水泵啟動揚程較高，進入馬鞍區(qū)，而軸流泵的馬鞍區(qū)為不穩(wěn)定的運行區(qū)。如圖1:軸流泵在這區(qū)間運行時，會出現(xiàn)Q1、Q2、Q3劇烈變化的3個不穩(wěn)定流量，在水泵葉片上將產(chǎn)生嚴重的水流翻滾撞擊現(xiàn)象，從而引起強烈的水力振動和噪音，這種振動和噪音甚至較關(guān)閉(零流量)揚程運行更強烈，因此，軸流泵應(yīng)避免在此區(qū)間內(nèi)運行。

根據(jù)這片面觀察的結(jié)論，充斥相關(guān)專業(yè)雜志的論文中。有不少知名專業(yè)人士都隨之附和，誤導(dǎo)了相關(guān)從業(yè)人員。

圖1 軸流泵的馬鞍形運行區(qū)

根據(jù)這一錯誤認識，就不難理解，為什么有人將水泵的設(shè)計揚程選得高而又高。本意是要保證大泵站最高運行揚程，甚至水泵啟動揚程也必須低于鞍底揚程，避免進入馬鞍區(qū)。所以出現(xiàn)了“貓背式”出水泵站，啟動揚程并不高，經(jīng)常運行凈揚程僅3～5 m，卻奇高地選用設(shè)計揚程為9.5 m的巨型泵。投運以后，該站經(jīng)常運行凈揚程在3～5 m，甚至更低。泵站經(jīng)常運行效率在40%左右。而該站如果在9.5 m以上揚程運行，效率可達80%左右。按9.5 m設(shè)計揚程配用的電機，經(jīng)常運行負載率不足50%。

所以，出現(xiàn)了某泵站為解決啟動強烈振動問題，耗巨資進行部分機組更新改造，將水泵設(shè)計揚程進一步提高。據(jù)報道，改造以后，站運行效率很低，而且汽蝕振動嚴重。更新改造的結(jié)果，又急待下一次“節(jié)能改造”!

綜上可見，根據(jù)片面觀察而得出的認識，在我國的影響不可輕視。為什么說現(xiàn)象觀察是片面呢?因為出現(xiàn)啟動劇強振動現(xiàn)象的虹吸式泵站，全面現(xiàn)象是在較低凈揚程下啟動時，盡管啟動揚程很高卻并不產(chǎn)生強烈振動，隨著凈揚程逐步提高，從開始產(chǎn)生短促強烈振動，并自動止息。逐步延長振動時間，直到永不止息為止。舉例來說，江都一、二站64ZLB－50型水泵，葉片角度為0°時，水泵最高效率揚程為8 m，鞍底揚程約為7.3 m，鞍頂揚程約為10 m。當(dāng)凈揚程在3 m以下啟動時，最大啟動揚程超過鞍頂揚程進入小流量區(qū)域，整個啟動過程中也不會發(fā)生強烈振動。凈揚程達3 m以上，啟動揚程急劇上升超過鞍頂揚程階段，并不產(chǎn)生振動。待真空破壞閥排氣結(jié)束，關(guān)閉后的停瞬間，啟動揚程迅速下降過程中突然發(fā)生振動。開始為1 min左右，強烈啟動振動自動息止。凈揚程逐步提高，振動時間逐步延長，直至凈揚程達6.5 m以上時，這種振動將永不止息。逐步提高或降低，在運行中的水泵揚程，全程經(jīng)過鞍區(qū)揚程均不會產(chǎn)生強烈振動。在穩(wěn)定運行中的水泵，打開真空破壞閥，提高運行揚程并不產(chǎn)生振動，但再關(guān)閉以后和水泵啟動過程一樣將產(chǎn)生的振動直到永不止息，而被迫停機。這是虹吸式軸流泵站產(chǎn)生的強烈水力振動。如果全面觀察分析這些現(xiàn)象，就絕不會如此簡單錯誤地認為，虹吸式泵站啟動揚程過高進入馬鞍區(qū)，而馬鞍區(qū)為不穩(wěn)定運行區(qū)。軸流泵應(yīng)該避免在這個區(qū)域運行嗎?

20世紀70年代完成的江都四站設(shè)計，確認了軸流泵在馬鞍區(qū)是可以穩(wěn)定運行的，圓滿地杜絕了虹吸式軸流泵站啟動振動現(xiàn)象。合理地將江都四站水泵設(shè)計揚程比一、二、三站降低了3 m。經(jīng)過20多年的運行，充分證明設(shè)計是正確的，成功的。

眾所周知，軸流泵的全性能曲線不是理論計算出來的，而是根據(jù)實測資料繪制的。運行揚程逐步升高至鞍頂揚程附近，都能穩(wěn)定運行，才可繪制出大量流量曲線。運行揚程逐步降低，至鞍底揚程也能穩(wěn)定運行，才能繪制出小流量曲線。如果水泵在馬鞍區(qū)內(nèi)工作不穩(wěn)定，就不可能實測出馬鞍區(qū)性能曲線來。這是一個常識問題。江都排灌站運行實踐告訴我們，軸流泵在鞍底以上揚程完全可以穩(wěn)定運行。江都四站軸流泵的高效揚程為6 m，由于是虹吸式出水，啟動揚程較高，最大啟動揚程達13 m左右。由于虹吸管設(shè)計相當(dāng)，從未發(fā)生啟動振動現(xiàn)象。實測運行凈揚程達7.8 m時，水泵運行全揚程將在8 m以上。當(dāng)進入馬鞍區(qū)，不但能穩(wěn)定運行，而且裝置運行效率達76%。曾作排除進口引河積水非常運行。隨著水位逐漸下降，運行揚程逐步上升。最大運行凈揚程達11.5 m，可能已經(jīng)超出鞍頂揚程，進口最低水位在葉輪中心以下吸上2.5 m，都能穩(wěn)定運行，只是氣蝕聲響和振動較大。

江都一、二站更新改造前選用64ZBL－50型軸流泵，設(shè)計揚程為8 m，就在馬鞍區(qū)內(nèi)。在一站興建初期曾打開真空破壞閥并逐漸降低進水水位試驗運行，當(dāng)水泵運行揚程達10 m時，正處于鞍頂揚程附近，才出現(xiàn)強烈振動現(xiàn)象。此前都能穩(wěn)定運行，關(guān)閉真空破壞閥后，水泵又恢復(fù)穩(wěn)定運行。

在江都一站更新改造工程模型試驗中，我們特別仔細地觀察了水泵振動情況，模型泵工作揚程脈動正常達13 cm左右，當(dāng)工作揚程逐步上升時，在馬鞍區(qū)內(nèi)穩(wěn)定工作，只有在臨近鞍頂揚程時才會失去穩(wěn)定，產(chǎn)生強烈振動。在強烈振動發(fā)生時，只要稍稍改變水泵轉(zhuǎn)速，即改變鞍頂揚程，水泵振動便會立即停止。

軸流泵在臨近鞍頂揚程附近運行時所以會出現(xiàn)強烈水力振動，是因為鞍頂揚程附近H－Q曲線非常平坦，而水泵工作揚程大達0.5 m以上的脈動。這揚程脈動值，鞍頂揚程附近，可導(dǎo)致2 m3·s－1流量的劇烈變化，從而在葉片上產(chǎn)生水流滾翻撞擊等強烈水力振動現(xiàn)象?？梢詳嘌?，在此揚程下，如果改變?nèi)~片安放角度，即改變鞍頂揚程，這種振動會立即消除。

3 攔污柵嚴重堵塞引起的強烈振動和噪聲，令大型泵站選用更高水泵設(shè)計揚程

大型泵站排澇運行中，普遍存在攔污柵嚴重堵塞，江都泵站也曾面臨過此類問題。站下游水草成垛，攔污柵猶如一道草墻，前后水位差一般達2～3 m，最大可達4～5 m。且柵后水位大幅脈動，劇烈翻滾，水泵出流挾氣，電機功率較大幅值振蕩。種種現(xiàn)象說明由于攔污柵嚴重堵塞，進口水位嚴重降低，且脈動異常，使運行揚程擴大。大泵在惡劣的吸上運行狀態(tài)高揚程運行，可能臨近鞍頂揚程附近，產(chǎn)生強烈的水力振動?？傊?，使運行工況極不穩(wěn)定，感到廠房也伴隨機組振動，令人不由產(chǎn)生驚懼不安之感。

1998年9月長江流域發(fā)生大洪水以后，為尋求泵站改造商機，筆者曾受派遣去湖北武漢市相關(guān)單位尋求合作，進行泵站改造。在資料上看到員工們?yōu)楸谜景踩\行，舍身冒死地站在嚴重堵塞的攔污柵后水中，用雙手清除附著在攔污柵上的雜物的報道(江都站也曾臨時停機吊起攔污柵，清理雜草的方法比較安全)。曾經(jīng)想過，不能漠視為泵站高效安全運行，工作人員舍身忘死的情形。泵站改造工程首先要解決攔污柵堵塞的問題。

其實，只要有投資，解決攔污柵堵塞問題并不很困難。江都站的經(jīng)驗是，在進口引河或興建或依托建筑物設(shè)迴轉(zhuǎn)清污裝置，清除雜物很徹底、很方便。

筆者與武漢泵站工作人員所思所想相同，所以比較融洽，一致認為急待改造泵站的大致情況為:

(1)原泵站為虹吸式出水真空破壞斷流。由于江河泥沙淤積、越駝峰洪水位發(fā)生頻率提高、虹吸駝峰底為洪水淹沒、停機不能斷流、洪水期泵站不能開機的幾率提高了。

(2)原用64ZLB－50型軸流泵，設(shè)計揚程7 m(實際為8 m)，經(jīng)常運行凈揚程為3～5 m。由于啟動揚程過高，進入不穩(wěn)定運行馬鞍區(qū)，產(chǎn)生強烈振動、啟動振動。最大水位差為6.5 m左右。由于攔污柵堵塞嚴重，運行揚程過高。所以需要改造虹吸管為直管出水，提高水泵設(shè)計揚程提高至9～9.5 m，才能保證泵站安全運行。

筆者認為，軸流泵馬鞍區(qū)可以穩(wěn)定運行，虹吸式出水泵站啟動振動現(xiàn)象是虹吸駝峰設(shè)計缺陷造成的。啟動過程中隨著出水管中水位上升，存留空氣受壓縮，大部分經(jīng)真空破壞閥或出水口排出，頂部存在不易于排除的殘余彈性氣囊，在水泵工作壓力脈動的作用下，壓縮－反彈－以致產(chǎn)生振蕩，使駝峰頂負壓雙幅值大幅跳躍變化，原型實測江都二站，負壓跳躍變化達4 m水柱。造成軸流泵工作揚程，可能在高于鞍頂和低于鞍底揚程之間反復(fù)跳躍變化，水泵流量在相應(yīng)揚程下，大幅跳躍變化，而在葉輪上產(chǎn)生的強烈水力振動，俗稱啟動振動。[3]根據(jù)江都四站及此后續(xù)建多座泵站成功的經(jīng)驗，僅花數(shù)萬元費用改造虹吸駝峰頂，即可消除這種啟動振動現(xiàn)象。所以不必改造虹吸管。為提高泵站經(jīng)常運行效率，應(yīng)降低水泵設(shè)計揚程，而不是提高。攔污柵堵塞問題應(yīng)優(yōu)先解決。解決最大洪水位時超駝峰繼續(xù)運行的改造工程中，也應(yīng)保留虹吸管。因為廢除舊管，新建直管耗資大增。同時必須新建擋水閘門，在保留虹吸管時，該閘門可為簡單的事故擋洪門，只承載超駝峰水位差的水壓力，造價較低;而采用直管時，該擋洪門必須按泵站斷流的快速閘門設(shè)計，其需承水壓力當(dāng)升至數(shù)十米，閘門及啟閉機的造價將遠大于前者。

上述分析意見，在某幾個單位被認為是奇談怪論，而無法深入交流。唯有武漢市水利局工管處多次參與洽談的2位處長和1位王姓的工程師態(tài)度誠懇，坦言稱“你的分析和教科書相悖，但仔細聽來也不無道理，值得深入探討”。經(jīng)研究決定，進一步共同探求合作，進行泵站改造項目。

4 結(jié)語

當(dāng)前在“大型泵站改造工程”中，有可能在某些錯誤認識的誘導(dǎo)下，選擇更高的大泵揚程，使得大型泵站運行效率，更低得出奇，造成國家資源的浪費。面對這種可能發(fā)生的狀況，不能促使我們警覺。衷心期盼，大型泵站更新改造工程更科學(xué)、更健康地發(fā)展下去。卓有成效。

[1]呂省三.大型泵站運行效率低原因探討[J].治淮，1986(6).

[2]張漢君.江都一、二站更新改造效益分析[J].江蘇水利，2000(4).

[3]董毅，呂省三.大型虹吸式軸流泵站啟動振動原因分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2000(5).