淺談通過改善汽蝕性能提高泵站裝置效率

趙本禹 路 松

一、基本情況

解臺抽水站位于徐州市賈汪區(qū)解臺閘下660m處京杭運(yùn)河不牢河南岸，是江蘇省江水北調(diào)工程的第八級翻水站，也是國家南水北調(diào)東線工程的重要梯級站。該站安裝36ZLB-100型立式軸流水泵，配用JSL14（TH）-10立式異步電動機(jī)22臺套，泵站總裝機(jī)容量6160kW，設(shè)計(jì)流量50m3/s。

該泵站采用濕室型泵房結(jié)構(gòu)，分上下兩層，上層為電機(jī)層（廠房），下層為水泵層（進(jìn)水池）。機(jī)組采用一列式布置，配電設(shè)備采用一側(cè)式布置。泵房寬11.1m，總長80.86m，分4塊底板澆筑。泵房西端設(shè)檢修間，東端設(shè)中心控制室。泵站采用開敞式進(jìn)水池進(jìn)水，各進(jìn)水池之間由隔墩分隔，各水泵機(jī)組均為單獨(dú)進(jìn)水。出水池與泵房分建，平面布置呈“Π”形，為減少出水管長度，出水池緊靠站身，兩者底板分置于土基上，水泵采用鑄鐵管導(dǎo)出水，拍門斷流。為防止雜物進(jìn)入泵房，在進(jìn)水側(cè)距水泵4.25m處設(shè)攔污柵。

二、工程效益

解臺抽水站是江蘇省南水北調(diào)的重要梯級泵站。擔(dān)負(fù)著向不牢河解臺閘上翻水調(diào)水的重要任務(wù)，為不牢河沿線工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航運(yùn)、發(fā)電提供可靠的水源保證，同時還擔(dān)負(fù)徐州市區(qū)生活用水及向微山湖補(bǔ)水的任務(wù)。自1984年投入運(yùn)行以來，已累計(jì)運(yùn)行85萬臺時，抽水76.5億m3。1989年江蘇發(fā)生百年罕見旱情，解臺站連續(xù)運(yùn)行348天，翻水8.6億m3，解除了徐州地區(qū)近280萬畝農(nóng)田旱情。2002年，為保證徐州地區(qū)的工農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)居民生活用水及微山湖生態(tài)用水，連續(xù)運(yùn)行308天，翻水8.9億m3。解臺站的調(diào)水大大緩解了徐州地區(qū)水資源嚴(yán)重匱乏的局面，保證了京杭運(yùn)河這條黃金水道的常年通航，改善了運(yùn)河沿線和徐州市湖西地區(qū)300萬畝農(nóng)田的灌溉條件，為保證市區(qū)居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和徐州發(fā)電廠用水發(fā)揮了顯著作用，取得了明顯的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

三、存在的主要問題及原因分析

解臺站自建成至今已運(yùn)行近20年，從目前運(yùn)行情況看，該站存在問題較多，效率逐年下降，效益日益降低，機(jī)組完好率難以達(dá)標(biāo)。水泵汽蝕十分嚴(yán)重，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，在平均運(yùn)行3400臺時情況下，葉片汽蝕深度達(dá)15～18mm，嚴(yán)重的甚至造成穿透、斷裂。汽蝕面積達(dá)170～810cm2不等，占葉片單面面積的30%～80%。水泵葉輪室內(nèi)壁嚴(yán)重汽蝕侵蝕，侵蝕范圍在整個圓周內(nèi)，寬度達(dá)100～150mm，并有40%的機(jī)組被穿透而無法使用。由于嚴(yán)重汽蝕影響，造成機(jī)組的振動加劇，噪音增大，螺栓松動，效率下降。同時，縮短了大修周期，增加了泵站維修工作量，平均每臺大修間隔時間為3405小時，汽蝕嚴(yán)重的僅有1926小時。至1998年7月，共大修機(jī)組111次，嚴(yán)重影響了泵站的正常生產(chǎn)。每年都因主泵損壞更換葉片、葉輪外圈、導(dǎo)葉體、軸承等部件耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，建站18年來共更換葉片761片，導(dǎo)葉體116只，喇叭管119只，水泵軸55根，橡膠軸承475只，直接維修費(fèi)用在400萬元以上。

表1 6#、17#、19#機(jī)組檢查情況

1.汽蝕產(chǎn)生的原因

當(dāng)液體在泵內(nèi)流動時，若局部壓力低于一定值，在液體內(nèi)的雜質(zhì)、微小固體顆?；蛞后w與固體接觸面的縫中存在的氣泡或汽核，會迅速生成為人眼可見的氣泡或汽泡，為簡化起見，把汽核、氣核統(tǒng)稱為氣核。氣泡流稱為空泡。氣核進(jìn)入低壓區(qū)生成為空泡，空泡隨液流到達(dá)壓力較高的區(qū)域時，受到周圍液體的壓縮，并經(jīng)過反彈膨脹，直到最后破滅。這一過程稱為汽蝕。

2.水泵選型不當(dāng)

解臺站設(shè)計(jì)選型時，選用了36ZLB－100型軸流泵。水泵廠為滿足流量要求，將該泵轉(zhuǎn)速提高至590r/min,配280kW10極電動機(jī)。由于轉(zhuǎn)速的提高，水泵的nD值達(dá)505，而一般軸流泵系列nD值應(yīng)在435以下，nD值偏大是該站水泵汽蝕的主要原因。水泵轉(zhuǎn)速提高后，使水泵內(nèi)的水力損失急劇增加，水泵效率大大下降。提速后的水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=5.5m，實(shí)際揚(yáng)程達(dá)到H=5.8～6.3m。因此，提速后的36ZLB—100型泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程遠(yuǎn)低于水泵長期運(yùn)行的實(shí)際揚(yáng)程。水泵在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行,加大了流液進(jìn)口沖角,使葉片背面產(chǎn)生旋渦發(fā)生汽蝕。

3.進(jìn)水池設(shè)計(jì)參數(shù)不合理

進(jìn)水池的寬度、懸空高、后壁距等參數(shù)均未按優(yōu)化參數(shù)組合，造成進(jìn)水池內(nèi)有漩渦、回流現(xiàn)象。原水泵喇叭口懸空高Z達(dá)1m，Z/D（D為喇叭口直徑）為0.83，超過最佳范圍。解臺站設(shè)計(jì)流道底板高程22.5m,葉輪中心高24.02m,喇叭管懸高1.0m,設(shè)計(jì)下游最低抽水位25.5m，葉輪中心臨界淹沒水深為1.5m,水泵中心距半園形后壁圓心0.83m，后壁距X高達(dá)2.33m，X/D為1.94。后壁距的增大，使水泵后部形成回流空間。試驗(yàn)觀測表明，當(dāng)后壁距從0.5D增大到1.25D時，所要求的臨界淹沒深度增大近4倍，使水泵汽蝕更加嚴(yán)重。

4.進(jìn)水池長度偏短

按泵站設(shè)計(jì)規(guī)范7.1.1.2條規(guī)定，彎道終點(diǎn)與前池進(jìn)口之間直線長度應(yīng)大于水面寬度的8倍。解臺站進(jìn)水池寬度80m，進(jìn)水流道內(nèi)水流表面流態(tài)紊亂,形成渦流和回流,造成水力損失增加,把大量的氣體帶入泵體,加劇了水泵的汽蝕。很顯然，150多米長的引水河是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的。

5.低水位運(yùn)行

解臺站設(shè)計(jì)葉輪中心高程為24.02m，葉輪中心臨界淹沒水深為1.5m，因此解臺站設(shè)計(jì)下游最低運(yùn)行水位25.5m。由于用水高峰時強(qiáng)行開機(jī)，迫使水泵運(yùn)行在最低下游水位以下。低水位運(yùn)行，使水泵進(jìn)水池水流紊亂，漩渦加劇，進(jìn)水口壓力下降，減小了汽蝕余量。

6.攔污柵堵塞

前池內(nèi)雜草、污物嚴(yán)重，已成為泵站引水中的一大難題。解臺站位于大運(yùn)河南側(cè)，由于航運(yùn)交通繁忙，抽水時，大量的雜草、污物進(jìn)入攔污柵前，原設(shè)計(jì)清除雜物工作十分困難，嚴(yán)重時使攔污柵前后水位差高達(dá)0.5m，最多達(dá)1m以上，使泵室水位低于運(yùn)行水位，淹沒深度達(dá)不到水泵運(yùn)行的要求，更加劇了水泵的汽蝕、振動。

四、技術(shù)改造

1.調(diào)整葉片角度。將葉片角度由0°改為-2°。

2.改換葉片材質(zhì)。將鑄鐵葉片改為4只銅質(zhì)葉片（改裝機(jī)組為6#機(jī)）。

3.加長水泵軸頸、降低喇叭管進(jìn)水高度。將鑄鐵葉輪轂，導(dǎo)葉體改為鋼板焊接件，水泵軸頸由原設(shè)計(jì)110mm增至120mm，喇叭管懸高由1.0m降至0.65m。

4.改善進(jìn)水流態(tài)。在進(jìn)水流道喇叭管后加設(shè)ω型導(dǎo)流墻，高度為1.5m。導(dǎo)流墻用鋼板焊接而成（改裝19#機(jī)組）。

經(jīng)過一段時間試運(yùn)行后，分別對原機(jī)組和改造的機(jī)組進(jìn)行了性能測試。從測試結(jié)果分析來看，三臺機(jī)組揚(yáng)程基本一致，6#機(jī)組稍高；流量17#最大，6#和19#基本一樣；輸入功率17#機(jī)最大，19#機(jī)最小，只有17#機(jī)的72.5%；裝置效率19#機(jī)最高，達(dá)54.19%，而6#和17#機(jī)明顯低于19#機(jī)組。

對6#、17#、19#三機(jī)組又進(jìn)行了檢查，檢查情況如下：

由檢查結(jié)果可知，6#機(jī)與19#幾運(yùn)行臺時相差約1000臺時，6#葉片為銅質(zhì)，葉片汽蝕情況比19#機(jī)好，但葉輪外圈汽蝕情況要比19#機(jī)嚴(yán)重的多。17#機(jī)運(yùn)行臺時于19#機(jī)接近，但葉片和葉輪外圈汽蝕情況都比19#嚴(yán)重。

綜合測試和檢查的結(jié)果可以看出，19#機(jī)的性能要比其他兩臺要好得多，安裝ω型導(dǎo)流墻，對延長機(jī)組壽命，減輕管理上的負(fù)擔(dān)，提高水泵的效率，提高泵站的經(jīng)濟(jì)效益，有較大的經(jīng)濟(jì)價值，是一項(xiàng)較好的措施，從而也可以看出改善水泵的進(jìn)水流態(tài)，對改善水泵汽蝕性能有較大作用。另外，改善葉片材質(zhì)對提高汽蝕性能也有較大效果