引江濟淮工程派河口泵站水泵模型的選擇

余 泳

（安徽省水利水電勘測設(shè)計院 合肥 230088）

1 工程概況

派河口泵站樞紐位于引江濟淮工程江淮溝通段，擔負將江水輸送至派河段輸水河道的任務(wù)，河道長度為30km，泵站年運行小時數(shù)2949h。泵站設(shè)計流量301.5m3/s（含船閘用水量6.5m3/s），最高凈揚程5.3m，設(shè)計凈揚程4.8m，最低凈揚程0.2m。

2 水泵模型的初步選擇

派河口泵站設(shè)計凈揚程4.8m，宜選用軸流泵模型。經(jīng)廣泛收集國內(nèi)先進的軸流泵水力模型，其中有水利部2004年《南水北調(diào)工程水泵模型同臺測試》中的25個水力模型（TJ04-ZL-*）；揚州大學研制并經(jīng)天津軸流泵同臺測試的2個水力模型（TJ05-ZL-01～02）。

經(jīng)比選上述軸流泵水力模型后，選擇高效區(qū)與該站揚程相近的TJ04-ZL-06、TJ04-ZL-19水力模型。這兩種模型均有成功運用的實例，具體見表1。

表1 各層土的物理性指標建議值表

3 兩種水泵模型的比選

一般低揚程軸流泵站水泵選型的目標可概括為：設(shè)計揚程保流量、平均揚程高效率、最高揚程能運行、最低揚程無異常。派河口泵站的進出水池水位均有較大的調(diào)節(jié)余地，低揚程的情況出現(xiàn)幾率小，即經(jīng)常運行工況位于較高揚程。所以派河口泵站選型的目標要使得水泵裝置在較高揚程工況下高效運行。為便于比較，兩種模型均按原型葉輪直徑3.1m，轉(zhuǎn)速136.4r/min換算。流量、揚程和空化余量的換算公式按照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》（SL 140-2006）中規(guī)定的公式計算，效率不做修正。

3.1 按等流量加大揚程的方法比選

派河口泵站在可研階段采用的是等流量加大揚程法（揚程加損失），即認為泵段的流量等于泵裝置的流量，泵段的揚程等于泵裝置的揚程加上水力損失，不同工況的水力損失系數(shù)S為常數(shù)。設(shè)計工況38m3/s時的水力損失參考同類型泵站約為0.7m，閘門門槽的損失按0.2m計，折算成損失系數(shù)S為0.00062。

比較TJ04-ZL-06和TJ04-ZL-19運用等流量加大揚程方法的選型結(jié)果，從圖1、圖2原型泵段綜合性能曲線可以看出，該站若選用TJ04-ZL-19模型時原型的效率高于選用TJ04-ZL-06模型時原型的效率，選用TJ04-ZL-06模型時原型的運行范圍向上偏離了高效區(qū)。TJ04-ZL-19模型的空化性能優(yōu)于TJ04-ZL-06模型的空化性能。故可研階段推薦采用TJ04-ZL-19水泵模型。

3.2 按等揚程加大流量的方法比選

水泵裝置模型試驗表明，進水流道和出水流道的損失系數(shù)S不是常數(shù)，這是由于低揚程泵裝置中泵與流道的內(nèi)部流動是相互影響的，葉輪對進出口流態(tài)的影響，尤其是水泵的后導葉體出口水流不均勻，有剩余環(huán)量，出水流道中的損失與泵密切相關(guān)。因此采用等流量加大揚程方法的選型存在一定的偏差，裝置試驗時往往表現(xiàn)為水泵的揚程偏高。

為了達到選泵合理，應(yīng)了解泵段性能和裝置性能之間的大致關(guān)系。為此引用一些近年南水北調(diào)等重要工程的模型裝置試驗數(shù)據(jù)，并和泵段數(shù)據(jù)加以比較，統(tǒng)計出一般規(guī)律：

流量系數(shù)（泵裝置流量/泵段流量）為0.92～0.95，立式軸流泵常用0.94；

表2 加大流量法水泵性能參數(shù)比較表

揚程系數(shù)（泵裝置揚程/泵段揚程）為0.98～1.09，立式軸流泵常用1.0；

效率系數(shù)（泵裝置揚程—泵段揚程）為-6%～-10%，立式軸流泵常用-8%。

因此，對于軸流泵較合理的選型方法是采用選型系數(shù)法，即等揚程加大流量的方法。

比較TJ04-ZL-06和TJ04-ZL-19運用加大流量法的選型結(jié)果，從表2及原型泵段綜合性能曲線（圖3，圖4）可以看出，該站若選用TJ04-ZL-06模型時原型的效率高于選用TJ04-ZL-19模型時原型的效率。選用TJ04-ZL-06模型時原型在設(shè)計及以上揚程工況點運行時運行范圍位于高效區(qū)，選用TJ04-ZL-19模型時原型的運行范圍向下偏離了高效區(qū)，這樣不僅效率較低，也會影響機組運行的穩(wěn)定性。TJ04-ZL-19模型的空化性能優(yōu)于TJ04-ZL-06模型的空化性能。但考慮到派河口泵站葉輪中心高程為-0.575m，最低淹沒深度4.175m，若選用TJ04-ZL-06模型空化余量能夠滿足要求，且水泵正常運行工況位于較高揚程，故初設(shè)階段推薦采用TJ04-ZL-06水泵模型。

圖1 TJ04-ZL-06水泵原型泵段綜合性能曲線圖（加大揚程法選型）

圖2 TJ04-ZL-19水泵原型泵段綜合性能曲線圖（加大揚程法選型）

圖3 TJ04-ZL-06水泵原型泵段綜合性能曲線圖（加大流量法選型）

圖4 TJ04-ZL-19水泵原型泵段綜合性能曲線圖（加大流量法選型）

3.3 參考同類型泵裝置進行比選

無論是加大揚程法還是加大流量法選型都是基于水泵泵段的性能，但現(xiàn)有泵站的試驗表明，泵段和帶上進出水流道的水泵裝置的性能有較大的差別，在這種情況下，按已有的水泵模型裝置的試驗成果進行水泵選型與按泵段性能進行水泵選型相比，準確性更高。大量的試驗結(jié)果表明，不同葉輪在同一裝置下的水力損失與同一葉輪在不同裝置下的水力損失相比，葉輪的影響明顯大于裝置型式的影響，因此在利用現(xiàn)有水泵模型裝置的試驗成果進行水泵選型時，應(yīng)選用具有相同水泵模型的模型裝置。派河口泵站擬采用肘型進水流道、低駝峰式出水流道。現(xiàn)有南水北調(diào)的山東長溝站、山東八里灣站分別采用06、19號水泵模型，這兩座泵站的水泵裝置都是肘型進水、低駝峰式出水。

從圖5、圖6可以看出參考同類型泵裝置進行換算后的效率及運行范圍與等揚程加大流量的方法相近，選用TJ04-ZL-06水泵模型性能較優(yōu)。

圖5 TJ04-ZL-06水泵原型裝置綜合性能曲線圖（按長溝站裝置模型換算）

圖6 TJ04-ZL-19水泵原型裝置綜合性能曲線圖（按八里灣站裝置模型換算）

4 結(jié)語

（1）低揚程水泵裝置最優(yōu)工作點的位置與水泵模型和流道密切相關(guān)，水泵選型時應(yīng)盡量參考同一水泵模型和相同流道型式的水泵裝置試驗數(shù)據(jù)。

（2）對于低揚程軸流泵站，若缺少已有同類型泵站裝置試驗數(shù)據(jù)，采用“等揚程加大流量”較傳統(tǒng)的“等流量加大揚程”的選型方法更為合適。從比選結(jié)果可以看出，TJ04-ZL-06較TJ04-ZL-19更適合于派河口泵站。下階段可適當加大原型的葉輪直徑，使得原型機組的運行工況更靠近高效區(qū)，運行更穩(wěn)定