大屯水庫入庫泵站初期運行性能分析

張林，董衛(wèi)軍，桑國慶

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東濟南250014；2.濟南大學，山東濟南250022）

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大屯水庫入庫泵站初期運行性能分析

張林1，董衛(wèi)軍1，桑國慶2

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東濟南250014；2.濟南大學，山東濟南250022）

對大屯水庫入庫泵站運行初期的性能數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析表明，在水庫從空庫逐步蓄水至設計庫容的一個完整充庫過程中，水泵機組運行平穩(wěn)，隨著庫水位的抬高，單機抽水流量基本保持不變，抽水功率會顯著增加。進一步對影響泵站效率的各因素逐項進行研究表明，過流通道損失偏大和水泵最高效率點揚程偏高是泵站低揚程工況下效率偏低的主要原因。

平原水庫；入庫泵站；運行性能；特性曲線

大屯水庫設計最大庫容5 209萬m3，死庫容745萬m3。設計充庫時間為4～6月和10～12月，分兩次充庫122 d，年度完成兩次蓄滿放空循環(huán)。入庫泵站設計為壩后濕式廠房，水流從魯北干線末端通過引水渠進入泵站前池和進水池、經(jīng)水泵裝置提水后進入出水池，再經(jīng)壓力箱涵、穿壩涵洞和入庫閘門進入水庫。

根據(jù)水庫調(diào)節(jié)計算成果，再考慮進、出水池水力損失（按1.0 m估算），確定水泵平均揚程6.75 m，最低揚程2.20 m，最高揚程11.40 m。入庫泵站設計安裝4臺1200HD-9型立式混流泵機組，其中3用1備。

1　泵站初期運行情況

2013年泵站試運行以來，大屯水庫經(jīng)歷了從空庫逐步蓄水至設計庫容的一個完整過程，相應地泵站也經(jīng)歷了一個從以最低揚程運行到以最高揚程運行的工況變化過程。2013年11月～12月、2015年5月～6月期間，泵站以3臺機組運行共計46 d，每2 h記錄一次運行數(shù)據(jù)，取其日平均值，分別擬合繪出泵站的揚程～流量性能曲線、揚程～效率性能曲線、揚程～功率性能曲線如圖1～圖3所示。其中的揚程H為水庫水位與泵站進水池水位之差，流量為泵站3臺機組的總流量，功率為泵站3臺機組的電機總輸入功率，效率為機組做功與總輸入功率之比。

2　泵站運行性能分析

2.1揚程～流量特性

從圖1中可見，揚程～流量性能曲線基本呈略向下傾斜形狀，泵站流量大致保持不變，Q≈12m3/s，即單機抽水流量約4 m3/s。從A點到B點，揚程增加了300%，流量僅下降不足5%。所以，魯北干線在調(diào)度運行時，可以認為渠道末端分水流量保持不變，這有利于減少沿線各節(jié)制閘的調(diào)節(jié)，從而保持全線流量和水位穩(wěn)定。

圖1　泵站揚程～流量性能曲線

圖2　泵站揚程～功率性能曲線

圖3　泵站揚程～效率性能曲線

一般混流泵的流量隨揚程的增加而顯著降低，圖1顯示的泵站流量基本與揚程無關的特性，應與泵站較長的過流通道有關。水流自進水池入庫，其間除了水泵自身的過流通道外，還要流經(jīng)進水鋼管、出水鋼管、側(cè)翻拍門、出水池、穿壩涵洞、入庫閘門等設備和建筑物，其過流阻力基本與流量成平方關系，正好與水泵自身揚程～流量特性相反，所以抑制了圖1中曲線的斜率。可知過流通道對泵站的過流特性產(chǎn)生較大影響。

2.2揚程～功率特性

從圖2中可見，揚程～功率性能曲線呈明顯的上升形狀，隨著ΔH的增加（即庫水位抬高）而顯著增加。所以，魯北干線在調(diào)度運行時，應盡量抬高渠道末端水位，以相應抬高泵站進水池水位，降低泵站揚程，從而可以降低電機功率，實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟運行。

2.3揚程～效率特性

從圖3中可見，擬合得到的揚程～效率性能曲線呈明顯的上升形狀，沒有得到理想的單峰曲線。隨著ΔH的增加（即庫水位抬高）而大幅提升，從A點至B點，揚程增加了300%，效率從25%增加到65%。水庫高水位時的泵站效率遠高于低水位時的效率，這也是圖2中與之間并不成等比例關系的原因，盡管泵站做功隨庫水位抬高而等比例增加，但效率的提升大幅降低了所需電機輸入功率的增加幅度，從而抑制了圖2中揚程～功率曲線的斜率。進一步分析泵站效率：

式中ρ為水的密度；g為重力加速度；H1為水泵揚程，H1=H+ΔH；ΔH為進、出水鋼管、側(cè)翻式拍門、等過流通道的水頭損失；ΔP為電機總輸入功率與輸出軸功率之差。泵站效率η為水泵效率η1、電機效率η2和過流通道效率η3三項的乘積，任何一項的變化都會導致泵站效率的變化。

1）過流通道效率。泵站運行過程中ΔH沒有實際測得，假設Q保持不變，推算ΔH≈1.5 m。根據(jù)式（1）可知，η3隨H的增加而單調(diào)遞增，所有能夠降低ΔH的措施，如泵站設計中采用新型側(cè)翻式拍門、增加出水池和入庫涵洞幾何尺寸，在運行過程中保持入庫閘門全開等，都能夠提高η3，從而提高η。將η3對H求二階導數(shù)，可得

η3=2ΔH/（H+ΔH）3＜0（2）

可知隨著H的增加，η3的增長速率逐漸降低。所以降低ΔH，在低揚程工況下能夠尤為顯著地提高η3，從而可以提高η。

2）電機效率。根據(jù)電機出廠資料計算得到的單臺電機的η2隨P的變化曲線如圖4所示，以M點為界，該曲線可大致分為兩段：P＞200 kW時，η2保持在90%以上高效運行，并可視其基本不變；P＜200 kW時，η2與P基本呈線性關系，當P下降時，η2也迅速下降。泵站3臺機組運行時P＞900 kW，所以電機工作點均處于高效運行段，并且距離M點較遠?？梢娫诒谜菊麄€運行揚程范圍內(nèi)，η2基本不變，從而對η不會對產(chǎn)生影響。

圖4　電機效率曲線

3）水泵效率。圖5為水泵出廠試驗中的揚程～效率性能曲線，因試驗臺限制，沒有獲得6 m揚程以下的數(shù)據(jù)。H1～η1曲線呈明顯的單峰形狀，其最高效率點（E點）揚程H≈8.7 m，超出設計平均揚程約2 m。以E點為界，在高揚程側(cè)，η1效率下降幅度相對較小，在最高揚程10 m時，η1≈80%。在低揚程側(cè)，η1大幅下降，在平均揚程6.75 m時，η1已較最高效率下降了約5個百分點，偏離E點越遠，則η1的下降速度也越快。對照圖3、圖4、圖5，按式（1）計算，在較低揚程4 m以下時，η1低于60%；在最低揚程2 m以下時，η1低于40%。

根據(jù)初期運行情況和以上分析可知，選用混流泵來適應泵站揚程大幅變化運

行工況的水泵選型思路是可行的，1200HD-9型混流泵能夠滿足大屯水庫入庫泵站運行要求，但其E點揚程偏高，使得實際運行過程中η1的高效區(qū)段沒有得到充分利用，H～η曲線沒有得到預期的單峰形狀，這不僅使得低揚程工況下泵站效率偏低，而且在偏離E點較遠的工況下運行，長期運行水泵性能下降后有可能出現(xiàn)振動、汽蝕等不良現(xiàn)象?；炝鞅谜救绾芜M行水泵選型以擴大高效運行范圍，需要在日后同類型泵站設計進一步研究。

圖5　水泵效率曲線

3　結語

1）選用混流泵來適應大屯水庫入庫泵站揚程大幅變化工況的水泵選型思路是可行的，初期運行實踐表明，泵站運行平穩(wěn)，各項性能指標滿足泵站設計要求。

2）可以預設泵站單機流量保持為4 m3/s不變，這有利于魯北干線在調(diào)度運行時減少沿線閘門調(diào)節(jié)，保持全線流量和水位穩(wěn)定。

3）泵站功率隨泵站揚程增加而顯著增加，魯北干線在調(diào)度運行期間，應盡量抬高渠道末端水位，降低泵站揚程，實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟運行。

4）深水高壩型平原水庫的入庫泵站水泵選型問題還需進一步深入研究，以擴大泵站高效運行范圍。

（責任編輯遲明春）

TV675

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1009-6159（2016）-07-0020-02

2016-02-23

張林（1974—），男，高級工程師

山東省省級水利科研與技術推廣項目SDSLKY201505，2014年國家青年基金51409119。