關(guān)于正確選擇大泵設(shè)計揚(yáng)程的研究

范順芳黃春華張學(xué)陽（.江蘇省江都水利工程管理處 江都 500 .連云港市贛榆區(qū)水利局 贛榆 00）

關(guān)于正確選擇大泵設(shè)計揚(yáng)程的研究

范順芳1黃春華1張學(xué)陽2
（1.江蘇省江都水利工程管理處 江都 225200 2.連云港市贛榆區(qū)水利局 贛榆 222100）

新中國成立初期設(shè)計低揚(yáng)程大型泵站，由于缺少借鑒，為提高水泵揚(yáng)程保證率，選用水泵設(shè)計揚(yáng)程偏高，使泵站經(jīng)常運(yùn)行效率達(dá)不到國家最低要求，虹吸駝峰頂設(shè)計失誤而產(chǎn)生強(qiáng)烈的啟動振動現(xiàn)象等。本文舉例探討了如何按泵站平均運(yùn)行凈揚(yáng)程正確選用水泵設(shè)計揚(yáng)程，從而大幅度提高泵站經(jīng)常運(yùn)行效率。

泵站運(yùn)行效率 軸流泵 設(shè)計揚(yáng)程 水力損失

1 引言

由于主泵設(shè)計揚(yáng)程偏高選擇的錯誤，我國一般大型泵站不能進(jìn)入較高運(yùn)行效率區(qū)，經(jīng)常運(yùn)行效率達(dá)不到65%的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，個別大型泵站經(jīng)常運(yùn)行效率僅有20%～30%。自興建大型泵站以來，采用選擇大泵設(shè)計揚(yáng)程方法有三種：一為泵站設(shè)計揚(yáng)程加進(jìn)出水流道的水力損失；二為泵站最大啟動揚(yáng)程不允許進(jìn)入軸流泵的馬鞍區(qū)間；三為按泵站經(jīng)常運(yùn)行平均凈揚(yáng)程選擇。從理論分析和運(yùn)行效果兩方面看，前兩種大泵設(shè)計揚(yáng)程選擇方法均是錯誤的。只有第三種按泵站經(jīng)常運(yùn)行平均凈揚(yáng)程選擇大泵設(shè)計揚(yáng)程，才能保證泵站經(jīng)常運(yùn)行在高效區(qū)，才能達(dá)到泵站最高運(yùn)行效率。本文將重點(diǎn)介紹這三種大泵設(shè)計揚(yáng)程選擇的背景和運(yùn)行效果。

2 確定泵站設(shè)計揚(yáng)程加進(jìn)出水流道水力損失

2.1 大型泵站設(shè)計揚(yáng)程的背景

我國首建的大型泵站由江蘇省水利廳組建專題設(shè)計組，在1956年完成初步設(shè)計，擬名“濱江抽水站”（當(dāng)時站址未定），裝置10臺套大型PVP-160型半調(diào)軸流泵機(jī)組，抽引長江水，消除蘇北地區(qū)的頻頻旱災(zāi)，并協(xié)同上海水泵廠等單位進(jìn)行泵站設(shè)備試制。當(dāng)時毫無大型泵站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，也沒有低揚(yáng)程大流量的軸流泵模型試驗(yàn)資料，只能與上海水泵廠協(xié)商，該廠擬仿制（前）蘇聯(lián)的PVP-160半調(diào)節(jié)軸流泵（后來定型生產(chǎn)為64ZL-50型半調(diào)節(jié)軸流泵），主要參數(shù)是大泵設(shè)計揚(yáng)程8.0m，正符合泵站規(guī)劃設(shè)計揚(yáng)程7m，加流道水力損失（0.7m）的要求。所以，共同確定選擇大泵設(shè)計揚(yáng)程為泵站設(shè)計揚(yáng)程加流道水力損失，具有足夠的揚(yáng)程保證率。此次設(shè)計開創(chuàng)了大泵設(shè)計揚(yáng)程選擇的初始意見，為新中國成立初期興建大型泵站所廣泛接受。

事實(shí)上，濱江抽水站并沒有興建，幾經(jīng)變遷，后經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，利用已訂設(shè)備擴(kuò)大規(guī)模，于20世紀(jì)60年代初建成江都第一、二抽水站，建成后，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益特別顯著，此后又相繼建成了江都第三、四抽水站，共稱“江都排灌站”。江都第一、二、三抽水站同樣以濱江抽水站的意見選用大泵設(shè)計揚(yáng)程。

2.2 運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的主要問題

圖1 江都一、二站水泵運(yùn)行效率曲線圖

圖2 江都四站水泵特性曲線圖

江都第一、二、三抽水站建成后，由于泵站進(jìn)出口水位變幅較大，大泵運(yùn)行揚(yáng)程變幅自然較大，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常運(yùn)行揚(yáng)程偏低，經(jīng)常運(yùn)行效率遠(yuǎn)低于泵站高效區(qū)，達(dá)不到65%的國家要求，如圖1（圖中虛線為人為提高運(yùn)行揚(yáng)程后實(shí)測部分效率高效區(qū)曲線）所示，牽引電機(jī)負(fù)載率和運(yùn)行效率也很低。針對這一現(xiàn)象，在20世紀(jì)70年代初將江都第一、二抽水站的半調(diào)節(jié)葉片，由原來0°位運(yùn)行，改造為＋5°運(yùn)行，以提高電機(jī)的負(fù)載率，即電機(jī)的運(yùn)行效率和大泵抽水量。由于抽水量增大，流道水力效率下降，雖不能提高泵站運(yùn)行效率，但可以提高泵站的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。1973年開始設(shè)計的江都四站，在中國科學(xué)院工程院周君亮院士和潘賢德等前輩指導(dǎo)下，將大泵設(shè)計揚(yáng)程下降2m，定為6m，性能曲線如圖2，經(jīng)常運(yùn)行效率可達(dá)65.5%，當(dāng)運(yùn)行凈揚(yáng)程為7.8m（人為提高揚(yáng)程后實(shí)測）葉片安放角度為+4°時，最高運(yùn)行效率可達(dá)76%，見圖3。

圖4 軸流泵的全性能曲線

在江都一、二站運(yùn)行中，另一個重大發(fā)現(xiàn)是，虹吸式軸流泵站啟動揚(yáng)程較高，當(dāng)凈揚(yáng)程較大時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的啟動振動現(xiàn)象，當(dāng)凈揚(yáng)程超過某一數(shù)值時（6.5m）這種振動會永不止息，只能停機(jī)，待潮水來臨，凈揚(yáng)程減低時再開機(jī)。這一現(xiàn)象在我國早期興建的虹吸式軸流泵站中較為普遍。當(dāng)時曾在全國引起熱議，因而得出錯誤的結(jié)論：軸流泵馬鞍區(qū)（鞍底和鞍頂揚(yáng)程之間）為不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，虹吸式泵站啟動揚(yáng)程較高，一旦進(jìn)入這個區(qū)域，便自然出現(xiàn)3個不同流量（如圖4），不同流量便在葉片上翻滾撞擊，引起強(qiáng)烈的水力振動，這就是啟動振動。由此錯誤導(dǎo)致選擇更高水泵設(shè)計揚(yáng)程。

1973年初組建江都四站設(shè)計組，認(rèn)真分析江都一、二站模型試驗(yàn)和原型觀測報告后，參考黃委水科所《關(guān)于金堤河張莊抽水站模型試驗(yàn)報告》，意見與上述錯誤結(jié)論相反，認(rèn)為虹吸式軸流泵站啟動振動原因，不是啟動揚(yáng)程較高進(jìn)入了軸流泵馬鞍區(qū)引起的，在軸流泵馬鞍區(qū)運(yùn)行也是穩(wěn)定的，而是由于虹吸駝峰頂設(shè)計出現(xiàn)了失誤，水泵啟動時，出水側(cè)產(chǎn)生殘余空氣囊，在水流脈動壓力作用下，彈性殘余空氣囊可能產(chǎn)生振蕩，使水泵運(yùn)行揚(yáng)程在高于鞍頂和低于鞍底揚(yáng)程之間，大幅度跳躍變化，水泵流量也在大幅度跳躍變化，而產(chǎn)生強(qiáng)烈的水力振動。因此消除這種振動方法很簡單，消除殘余空氣囊生存的條件，便可杜絕啟動振動發(fā)生。1975年有兩臺機(jī)組投入試運(yùn)行，進(jìn)行了各種揚(yáng)程啟動試運(yùn)行，并未發(fā)現(xiàn)啟動振動現(xiàn)象。1977年江都四站竣工后，歷經(jīng)數(shù)十年安全運(yùn)行，完全證明當(dāng)時設(shè)計思想是正確的，為大型水泵設(shè)計揚(yáng)程正確選用提供了范例，在南水北調(diào)東線工程中得以推廣運(yùn)用。

3 按泵站最高揚(yáng)程選擇水泵設(shè)計揚(yáng)程的危害實(shí)例

湖南省巖汪湖泵站，原裝置64ZL-50型軸流泵，設(shè)計揚(yáng)程8m，經(jīng)常運(yùn)行揚(yáng)程為3～4m，但曾因啟動強(qiáng)烈振動無法開機(jī)排澇。如按江都四站成功處置經(jīng)驗(yàn)，通過改造虹吸駝峰頂出水側(cè)，消除殘余空氣囊，即可杜絕啟動振動現(xiàn)象。然而當(dāng)時卻錯誤地將原設(shè)計揚(yáng)程為8m的軸流泵改造為9m的混流泵，導(dǎo)致改造后的泵站經(jīng)常運(yùn)行效率僅達(dá)20%～30%，而且，由于經(jīng)常運(yùn)行揚(yáng)程遠(yuǎn)低于設(shè)計揚(yáng)程，汽蝕振動嚴(yán)重。

某省興建巨型排澇泵站，為避免最大啟動揚(yáng)程進(jìn)入馬鞍區(qū)，引起啟動振動，不但按站最大揚(yáng)程9.5m（千年一遇），選用40CJ95型巨型泵，葉片角度+4°～-20°，大幅度全調(diào)節(jié)，以確保啟動時水泵揚(yáng)程不會進(jìn)入馬鞍區(qū)，采用大負(fù)角度啟動，水泵也沒有馬鞍區(qū)。該泵高效區(qū)效率h泵為88.7%，配套電機(jī)6000kW，運(yùn)行效率h機(jī)為96.0%，流道設(shè)計水力效率h水為93.0%，計算該站在設(shè)計揚(yáng)程運(yùn)行時效率為h站=h泵h機(jī)h水=88.7%×96.0%×93%=82%?？墒?，該站經(jīng)常運(yùn)行凈揚(yáng)程為3～4m，水泵運(yùn)行效率在80%以下，電機(jī)負(fù)載率當(dāng)在50%以下。眾所周知，當(dāng)電機(jī)負(fù)載率超過75%時，運(yùn)行效率方進(jìn)入高效區(qū)，負(fù)載率越低，運(yùn)行效率越低。加之低揚(yáng)程時，流量必然大增，流道水力效率大幅下降，該站實(shí)際經(jīng)常運(yùn)行效率和汽蝕性能自然出奇的低下。

表1 64BZL-50型水泵汽蝕余量表

4 按平均運(yùn)行凈揚(yáng)程選擇水泵設(shè)計揚(yáng)程

在20世紀(jì)80年代，在討論如何提高我國大型泵站經(jīng)常運(yùn)行效率中，有人提出軸流泵運(yùn)行在高效區(qū)內(nèi)工況當(dāng)然最好，運(yùn)行效率最高，向高偏離和向低偏離高效區(qū)運(yùn)行，同樣是安全的，運(yùn)行效率和汽蝕性能同樣變差，如果考慮到向上偏離高效區(qū)時，受電機(jī)容量限制，必須降低葉片運(yùn)行角度，相應(yīng)地提高水泵汽蝕性能，運(yùn)行將更安全。舉例說明，64ZL-50型軸流泵在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行（表1中揚(yáng)程7.23m），汽蝕性能最好，汽蝕余量最小，為7.02m，當(dāng)運(yùn)行揚(yáng)程何高偏離至9.8m時（向上偏離1.8m）汽蝕余量為8.46m，增大1.44n，如改變?nèi)~片角度至-2°，汽蝕余量可以下降，汽蝕性能變好。當(dāng)運(yùn)行揚(yáng)程向低偏空效區(qū)時，例如4.16m運(yùn)行時，汽蝕余量為9.13m，增大了2m，如果增大葉片角度，汽蝕性能更差。從這個角度看，向高偏離高效區(qū)揚(yáng)程運(yùn)行，比向低偏離更安全。

5 結(jié)束語

軸流泵運(yùn)行揚(yáng)程非常寬廣，高效區(qū)運(yùn)行揚(yáng)程并不狹窄。軸流泵全性能曲線是近乎上下對稱的完整的效率曲線，但因水泵設(shè)計揚(yáng)程選用普遍過高，無法體現(xiàn)完整的泵站效率曲線，只有如圖1所示的高效區(qū)以下的實(shí)線部分，甚或只出現(xiàn)效率下降拐點(diǎn)以下直線段。如果水泵設(shè)計揚(yáng)程選用恰當(dāng)，應(yīng)該可以實(shí)測到完整的泵站效率曲線，不但具有人為提高運(yùn)行揚(yáng)程后虛線所示的高效區(qū)部分，也應(yīng)該有更高偏離高效區(qū)的效率下降拐點(diǎn)