提高低揚(yáng)程泵站裝置效率的措施

蔡伯寧 顧頂峰 王 麗

提高低揚(yáng)程泵站裝置效率的措施

蔡伯寧 顧頂峰 王 麗

一、概述

泵站裝置效率是反映抽水設(shè)備及泵站各部分效率的綜合指標(biāo)。因此，提高抽水設(shè)備及泵站各部分的效率是提高裝置效率的重要手段，也是提高泵站經(jīng)濟(jì)效益的有效途徑?，F(xiàn)結(jié)合某城市翻水站工程，就如何提高泵站裝置效率進(jìn)行初步探討。

二、提高水泵效率措施

城市翻水站工程設(shè)計(jì)揚(yáng)程一般較低，該例中水泵設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為0.5m，水泵設(shè)計(jì)流量為10.0m3/s。水泵效率與水泵的設(shè)計(jì)、制造水平、運(yùn)行工況和使用場(chǎng)合等情況有關(guān)，可從以下幾個(gè)方面采取措施提高水泵效率。

1.選擇最優(yōu)泵型

根據(jù)水泵設(shè)計(jì)所需要的流量、揚(yáng)程選擇合適的水泵型號(hào)，所選水泵在不同工況下運(yùn)行應(yīng)盡可能保持在高效區(qū)。水泵選型應(yīng)通過水力性能曲線對(duì)比，綜合比較流量、揚(yáng)程和效率的大小。低揚(yáng)程大型泵站多采用軸流泵型式。該例設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)立式軸流泵和貫流泵進(jìn)行比選。泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程較低，考慮到流道的水力損失占總揚(yáng)程的比例較大，直接影響裝置效率。貫流泵流道從進(jìn)口至出口呈直線形，流道平順，沒有彎曲，水流流態(tài)平穩(wěn)，流道水力損失小，裝置效率高，高效區(qū)較寬。綜合比較，該工程采用貫流泵機(jī)組結(jié)構(gòu)形式。

2.提高水泵過流部分的光潔度

水泵過流部分包括進(jìn)水喇叭、導(dǎo)葉體、葉輪外殼、葉輪及出水彎管等，其中葉輪是水泵的主要過流部件。實(shí)踐證明，葉輪表面的光潔度直接影響水泵效率，如果水泵出廠時(shí)清砂除刺不徹底或長(zhǎng)期使用受磨損，葉輪表面粗糙，水泵效率會(huì)明顯下降。該例水泵葉片為ZG1Cr18Ni9Ti不銹鋼單片整體鑄造，葉輪外殼采用ZG230-450母體，內(nèi)襯不銹鋼，提高其抗汽蝕性能；導(dǎo)葉體采用結(jié)構(gòu)件，以提高其制造精度和表面質(zhì)量，導(dǎo)葉片采用ZG230-450單片鑄造，并對(duì)導(dǎo)葉表面進(jìn)行打磨加工。通過采用高性能的材料和精密的制造工藝處理，可明顯提高水泵效率。

3.保證安裝質(zhì)量

安裝質(zhì)量差會(huì)使水泵在運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動(dòng)、漏氣、漏水及軸承、填料的磨損等問題，直接導(dǎo)致耗費(fèi)動(dòng)力，嚴(yán)重影響水泵效率。因此，管路安裝要密封，支撐要牢固，防止管力傳給水泵；軸承、填料安裝要正確，在保證水泵不進(jìn)氣的情況下，應(yīng)盡可能減小機(jī)械摩擦；軸流泵各葉片的安裝角度應(yīng)相等，否則會(huì)影響水泵效率。該例采用貫流泵，齒輪傳動(dòng)，安裝時(shí)要注意徑向安裝精度要求，保證安裝質(zhì)量。

4.控制密封間隙

水泵葉輪外緣與泵殼的安裝間隙會(huì)因磨損而增大，特別是從泥沙河流中取水的水泵磨損更快，致使水泵的流量損

失增加，效率下降。因此，水泵在使用過程中，應(yīng)定期檢查泵的密封間隙，及時(shí)進(jìn)行加工修整。該例中水泵體在葉輪外殼頂部設(shè)有觀察孔，便于觀察葉片運(yùn)轉(zhuǎn)情況及安裝、檢修時(shí)測(cè)量葉片間隙，葉片與外殼之間的間隙為2.5mm左右。

三、提高動(dòng)力機(jī)效率

1.合理配備功率

動(dòng)力機(jī)和水泵在功率上必須合理配套。在計(jì)算動(dòng)力機(jī)功率時(shí)，備用系數(shù)不宜選用過大，也不宜選用過小，否則會(huì)引起動(dòng)力機(jī)負(fù)載不足或超載運(yùn)行。動(dòng)力機(jī)負(fù)載不足時(shí)會(huì)使電機(jī)的效率及功率因數(shù)明顯下降；動(dòng)力機(jī)超載運(yùn)行會(huì)引起燒瓦、跳閘等事故。實(shí)踐證明，動(dòng)力機(jī)只有在額定負(fù)載的情況下運(yùn)行時(shí)才有最好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，其效率和功率因數(shù)都達(dá)到最大值。對(duì)使用中的大機(jī)拖小泵或小機(jī)拖大泵的現(xiàn)象，均屬動(dòng)力配套不合理，應(yīng)設(shè)法用水泵變速、換機(jī)或換泵等方法解決。在有電源的地方，盡量選用電動(dòng)機(jī)；在無電源的地方，優(yōu)先選用柴油機(jī)。該例電機(jī)備用系數(shù)采用1.05，最高揚(yáng)程下水泵配用功率為330kW，電機(jī)功率為355kW。

2.控制溫升

動(dòng)力機(jī)周圍的溫度過高，會(huì)降低動(dòng)力機(jī)的運(yùn)行效率。因此，要注意泵站的通風(fēng)散熱，使動(dòng)力機(jī)在規(guī)定的溫升下運(yùn)行。立式軸流泵電機(jī)通風(fēng)散熱較貫流泵要好，該例在水泵效率、管路效率及土建經(jīng)費(fèi)的綜合考慮下，采用豎井式貫流泵方案。電機(jī)采用循環(huán)水冷卻，以保證其溫升符合要求。

四、提高傳動(dòng)效率

傳動(dòng)效率的高低與傳動(dòng)方式有關(guān)。動(dòng)力機(jī)與水泵之間的傳動(dòng)方式有直接傳動(dòng)和間接傳動(dòng)兩種。直接傳動(dòng)一般采用聯(lián)軸器直接傳動(dòng)，其傳動(dòng)效率最高，但由于不能變速和改向及制造低速動(dòng)力機(jī)不夠經(jīng)濟(jì)等原因，其使用推廣受到限制。間接傳動(dòng)主要有皮帶傳動(dòng)、齒輪箱傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和電磁傳動(dòng)。中小型泵站普遍采用皮帶傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)主要用于起動(dòng)容易和易于調(diào)速的大型泵站，電磁傳動(dòng)多用于遙控操作和自動(dòng)化運(yùn)行的泵站。該例選用德國(guó)進(jìn)口弗蘭德齒輪箱傳動(dòng)，其效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠耐用，傳遞功率大。

五、提高管路系統(tǒng)效率

進(jìn)、出水管路是水泵裝置的重要組成部分，管路系統(tǒng)效率高低與管路的長(zhǎng)度、直徑、管材內(nèi)壁的糙率、管路附件的類型和數(shù)量以及流量等有關(guān)。管路損失由沿程損失和局部損失兩部分組成，一般采用下列措施來提高管路系統(tǒng)的效率：

1.縮短管路長(zhǎng)度

在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下進(jìn)、出水管路的長(zhǎng)度應(yīng)最大限度地縮短。由于管路沿程水頭損失與管道長(zhǎng)度成正比，管路越長(zhǎng)則沿程水頭損失越大，管道效率越低。因此在管路的布置上盡可能改折線為直線，節(jié)省彎頭，縮短管長(zhǎng)。

2.采用經(jīng)濟(jì)管徑

為了減少管路損失，水泵進(jìn)出水管口徑應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)管徑。根據(jù)泵站的凈揚(yáng)程和管道的流量，可按以下經(jīng)驗(yàn)公式估算所需要的出口經(jīng)濟(jì)管徑：

式中：d—經(jīng)濟(jì)管徑（m）；

Qmax—出水管道通過的最大流量（m3/s）；

Ha—泵站凈揚(yáng)程（m）。

3.減少不必要的管路附件

由于管路附件的局部阻力系數(shù)很大，過多的管路附件會(huì)引起較大的局部損失揚(yáng)程，消耗大量能源。管路附件的配置原則應(yīng)符合經(jīng)濟(jì)安全的要求，既要設(shè)置簡(jiǎn)單需要的附件，使造成的局部損失最小，同時(shí)又要保證機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行、管理方便。中小型泵站采用離心泵和混流泵的管路附件應(yīng)盡量取消底閥和逆止閥，減少?gòu)濐^。在進(jìn)口加裝喇叭管，出口采用輕質(zhì)節(jié)能型拍門及設(shè)置平衡錘等措施，減少管路局部損失揚(yáng)程。

4.避免“高射炮”式出流

“高射炮”式出流人為地抬高了泵站的實(shí)際揚(yáng)程，使水泵的工作點(diǎn)向左偏移，水泵的流量減少，效率降低，同時(shí)由于出水池的水流紊亂，增加了池內(nèi)的水頭損失，在工程中有可能造成動(dòng)力機(jī)過負(fù)荷。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免“高射炮”式出流。

六、優(yōu)化進(jìn)、出流道

泵站進(jìn)、出水流道主要是對(duì)水流進(jìn)行整流、收縮、導(dǎo)流，并最大限度地回收水流的動(dòng)能。進(jìn)、出水道形狀對(duì)泵站裝置效率影響較大。水泵進(jìn)水條件不良會(huì)產(chǎn)生回流、旋渦，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有渦帶吸入水泵，造成水泵汽蝕、振動(dòng)，產(chǎn)生噪音，降低水泵效率。出水條件不好，會(huì)加大水頭損失，增加揚(yáng)程。該例中進(jìn)出水流道均采用平直管，控制進(jìn)出口流速，通過對(duì)進(jìn)出水流道寬度、高度和型線的控制，采用CFD對(duì)流道進(jìn)行水力優(yōu)化，讓水流得到充分調(diào)整，能較為均勻地流動(dòng)，提高出水動(dòng)能回收率，進(jìn)而減少水力損失，提高裝置效率。

七、控制引河污物

在污物較多的河流上取水，由于水中污物量的增加，會(huì)使水泵的流量減少，揚(yáng)程增加，功率加大，運(yùn)行效率下降。在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)及時(shí)清理泵站進(jìn)水池口攔污柵的污物，避免造成動(dòng)力機(jī)負(fù)荷過大的情況。中小型泵站多采用人工清污的方式，大中型泵站多采用自動(dòng)清污方式。該例中泵站在引河上游設(shè)置清污機(jī)橋的方式，采用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)并配套皮帶機(jī)，及時(shí)自動(dòng)清污，有效減少進(jìn)水側(cè)水力損失，保證水泵工作揚(yáng)程滿足設(shè)計(jì)要求。

八、結(jié)論

泵站裝置效率是反映整個(gè)抽水裝置有效利用程度的一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，裝置效率與水泵、電機(jī)、傳動(dòng)設(shè)備、管路系統(tǒng)及進(jìn)、出水流態(tài)均有密切關(guān)系。設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮各種有效因素來提高整個(gè)泵站的裝置效率，充分發(fā)揮水利工程的實(shí)際效益■

（作者單位：江蘇省淮安市清浦區(qū)水利局 223003 江蘇省鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 224000 江蘇省淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 223005）