大型豎井貫流泵避振運(yùn)行研究

汪寶羅

摘 要：浙江省沿海平原地區(qū)因受潮汐、梅雨、臺(tái)風(fēng)等自然因素影響，排澇存在整體揚(yáng)程偏低、運(yùn)行期間揚(yáng)程變幅大、泵站流量大、且泵站為軟土地基等特點(diǎn)，為了適應(yīng)上述特點(diǎn)，工程采用豎井貫流泵的機(jī)型較多。隨著豎井貫流泵大型化發(fā)展，其單機(jī)流量已經(jīng)達(dá)到50m3/s，相當(dāng)于一座大（2）型泵站的規(guī)模，其安全可靠運(yùn)行對(duì)區(qū)域防洪排澇有著至關(guān)重要的作用。為了使得大型豎井貫流泵可適應(yīng)沿海地區(qū)揚(yáng)程變幅大的特點(diǎn)，滿足全工況穩(wěn)定運(yùn)行的要求，本研究將對(duì)水泵振動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行探討，并提出較為有效的避振措施，以此消除或減弱機(jī)組的振動(dòng)，提高排澇工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：豎井貫流泵;避振運(yùn)行;

一、前言

大型泵站水泵的振動(dòng)問(wèn)題，一直是泵站工程中的焦點(diǎn)。我國(guó)已經(jīng)運(yùn)行的大型泵站中，出現(xiàn)了振動(dòng)問(wèn)題的不在少數(shù)，如1997年建成運(yùn)行的淮安三站，是我國(guó)首個(gè)大型燈泡式貫流泵站。該泵站在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組和泵站存在劇烈振動(dòng)問(wèn)題，一定程度上影響了泵站的安全可靠運(yùn)行[1]。而江都四站的4號(hào)和7號(hào)泵在改造后也出現(xiàn)了振動(dòng)[2]。這些大型泵站的振動(dòng)問(wèn)題不僅僅影響到機(jī)組自身的使用壽命，而且也對(duì)工程安全生產(chǎn)和正常發(fā)揮作用產(chǎn)生較大的不利影響? 。

二、大型豎井貫流泵振動(dòng)原因分析

豎井貫流泵與其他類型的水泵一樣，誘發(fā)設(shè)備及廠房振動(dòng)主要原因是由水力因素或機(jī)械因素導(dǎo)致的。

1、水力因素造成的振動(dòng)

水力因素造成的振動(dòng)分為兩類：1）流道設(shè)計(jì)不合理、型線優(yōu)化不到位，由此造成裝置內(nèi)出現(xiàn)脫流、回流等非正常流態(tài);2）水泵導(dǎo)葉為固定導(dǎo)葉，當(dāng)水泵偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)運(yùn)行，造成水泵出口速度三角形的改變程度超過(guò)了導(dǎo)葉調(diào)節(jié)范圍，使得出水流道流態(tài)趨于混亂。

豎井貫流泵的流道控制尺寸，如：長(zhǎng)、寬、高、當(dāng)量擴(kuò)散角等、以及流道收縮、擴(kuò)散段的型線均直接關(guān)系到水流入泵是否均勻，以及在流道邊壁是否出現(xiàn)局部脫流，甚至是嚴(yán)重的偏流。當(dāng)流道設(shè)計(jì)合理時(shí)，入泵水流平穩(wěn)、均勻度高、出水流道的水流呈現(xiàn)出規(guī)律性的螺旋運(yùn)動(dòng)，但無(wú)偏流、脫流等非正常流態(tài);反之，入泵、出泵水流混亂、葉輪、導(dǎo)葉體范圍內(nèi)的壓力脈動(dòng)明顯增加。

在所有工況下，設(shè)計(jì)工況水泵效率最高，運(yùn)行也相對(duì)最穩(wěn)定，究其原因大致是：設(shè)計(jì)工況下，葉輪出口的水流與導(dǎo)葉的翼型配合度高，水流經(jīng)導(dǎo)葉的整流作用后，以比較平順的狀態(tài)進(jìn)入出水流道，此時(shí)水泵流態(tài)較好，機(jī)組運(yùn)行也較穩(wěn)定。但是一旦水泵偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，其流量隨著揚(yáng)程的變化而發(fā)生增加或減少。因流量發(fā)生劇烈的變化，軸向流速便相應(yīng)的發(fā)生變化，但是因水泵轉(zhuǎn)速保持不變，故水流速度的切向分量也維持不變，因此，葉輪出口處水流的絕對(duì)速度與設(shè)計(jì)工況相比，無(wú)論是其矢量角度還是大小均發(fā)生了變化。當(dāng)水泵嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)后，其流速矢量便不能與導(dǎo)葉翼型相匹配，偏離設(shè)計(jì)工況越多，葉片出口速度矢量與導(dǎo)葉翼型越不匹配，便造成流態(tài)明顯變差。該過(guò)程表現(xiàn)在外特性上，就是葉輪出口至導(dǎo)葉出口這一段范圍內(nèi)的水流壓力脈動(dòng)顯著增加，而壓力脈動(dòng)又激發(fā)了葉輪外殼的振動(dòng)和葉輪本體的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成水泵共振甚至發(fā)生葉片開(kāi)裂等嚴(yán)重后果。而未經(jīng)導(dǎo)葉完全整流的水流進(jìn)入出水流道后，還會(huì)產(chǎn)生左、右兩孔流道的流量差異、壁面脫流等等不利于穩(wěn)定運(yùn)行的非正常流態(tài)。

2、機(jī)械因素造成的振動(dòng)

豎井貫流泵由電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、推力軸承、葉輪、導(dǎo)軸承等幾大件組成。在運(yùn)行過(guò)程中，這些部件的生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題或安裝質(zhì)量問(wèn)題均可能引發(fā)機(jī)組的振動(dòng)，如：軸不對(duì)中、氣隙不均、軸承磨損、轉(zhuǎn)動(dòng)部件不平衡、連接件松動(dòng)、齒輪嚙合故障等。

三、大型豎井貫流泵避振運(yùn)行的意義

常規(guī)的半調(diào)節(jié)排澇泵，一旦出現(xiàn)偏離工況的情況，如進(jìn)入超低揚(yáng)程范圍，或者是發(fā)生機(jī)械故障等情況，機(jī)組振動(dòng)加劇，此時(shí)，運(yùn)行管理人員只能選擇讓機(jī)組繼續(xù)帶病運(yùn)行，或者被迫停機(jī)。無(wú)論是繼續(xù)運(yùn)行，還是停機(jī)，均對(duì)排澇不利。

對(duì)于大型豎井貫流泵而言，因其單機(jī)流量大，目前正在建設(shè)的或者即將開(kāi)工建設(shè)的豎井貫流泵的單機(jī)流量均在30m3/s以上，個(gè)別巨型機(jī)組的單機(jī)流量達(dá)到了50m3/s。對(duì)于這類機(jī)組，其單機(jī)流量就相當(dāng)于一座中型排澇泵站甚至是大（2）型泵站，對(duì)區(qū)域的防洪排澇起到舉足輕重的作用。且這些泵站往往都位于河流的口門處，若因機(jī)組的故障而造成停機(jī)，則會(huì)造成上游上百公里范圍的澇水無(wú)法順利排出，造成的內(nèi)澇影響也更為嚴(yán)重。

因此，對(duì)于這類主力排澇泵站，應(yīng)盡可能的保證其運(yùn)行期間設(shè)備安全可靠運(yùn)行，避免因振動(dòng)原因，造成機(jī)組退出運(yùn)行。所以，對(duì)于這類工程有必要對(duì)機(jī)組采取避振運(yùn)行的措施，這樣既可以增強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行的適應(yīng)性，也可提高工程的可靠性。

四、機(jī)組避振主要措施

所謂水泵避振措施是指，為了保證水泵機(jī)組不產(chǎn)生有害振動(dòng)，或者在產(chǎn)生有害振動(dòng)后，通過(guò)相應(yīng)的方法使得水泵的振動(dòng)減弱乃至消失而采取的工程措施。機(jī)組避振主要分兩個(gè)階段：1、源頭控制，減少振動(dòng)產(chǎn)生的可能性;2、當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，采取工程措施避開(kāi)振區(qū)運(yùn)行。

1、所謂源頭控制，是指在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)通過(guò)合理的機(jī)組選型及流道設(shè)計(jì)，使得流道先天就具有良好的流動(dòng)特性，同時(shí)嚴(yán)格控制入泵流速，合理選擇直徑和轉(zhuǎn)速，避免因過(guò)泵流速過(guò)大，激發(fā)壓力脈動(dòng)，或因nD過(guò)大，降低抗汽蝕能力;

2、在運(yùn)行期間，通過(guò)工程措施避免機(jī)組進(jìn)入振區(qū)運(yùn)行?？赏ㄟ^(guò)變頻調(diào)速技術(shù)和槳葉調(diào)節(jié)技術(shù)，使得機(jī)組脫離振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行。槳葉調(diào)節(jié)技術(shù)避振運(yùn)行在江都四站的4號(hào)泵和7號(hào)泵組中已經(jīng)得到了良好的應(yīng)用[2]。本文側(cè)重介紹利用變頻技術(shù)進(jìn)行避振運(yùn)行。

五、基于變頻調(diào)速避振運(yùn)行的原理

前文已述，由于水力因素引起的振動(dòng)，主要?dú)w結(jié)于嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)后，泵內(nèi)部流態(tài)由平順向混亂轉(zhuǎn)化，水流對(duì)流道邊壁以及過(guò)流部件的撞擊加劇，從而造成的流道內(nèi)相應(yīng)部位壓力脈動(dòng)顯著增加。而這些發(fā)生在水泵流道內(nèi)部的變化也可通過(guò)水泵外特性進(jìn)行反應(yīng)，如效率明顯降低、噪音增加、殼體振幅加大等。

當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，揚(yáng)程H、流量Q、軸功率P、效率η等外特性均將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)相似定律，可以獲取變化后新的水泵特性。利用變頻調(diào)速規(guī)避振區(qū)運(yùn)行正是利用了水泵外特性隨轉(zhuǎn)速n變化的規(guī)律。這種方法主要應(yīng)用在揚(yáng)程變幅很大的工程，如浙江沿海平原地區(qū)的低揚(yáng)程排澇泵站中。這些工程基本都是采用泵閘相結(jié)合的排澇模式，當(dāng)閘排能力減弱時(shí)，需要由閘排切換到泵排，此時(shí)進(jìn)、出水池對(duì)應(yīng)的水位差為0m附近，即超低揚(yáng)程。又因這類工程的出水池為感潮河段甚至為海，受潮汐影響，出水池要求百年一遇高潮位仍能排澇，這樣就造成最高揚(yáng)程達(dá)到4-5m，甚至達(dá)到6m。因此，對(duì)于水泵來(lái)說(shuō)，要求其在進(jìn)、出水池水位差0～6m的范圍均可以正常運(yùn)行。

對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，在水泵選型時(shí)，可通過(guò)工況點(diǎn)的合理選擇，使得最高揚(yáng)程對(duì)應(yīng)的工況點(diǎn)不進(jìn)入馬鞍型振動(dòng)區(qū)。但是卻無(wú)法保證超低揚(yáng)程工況下，水泵不處于效率極低的工況運(yùn)行。因此，從水泵選型的角度，只能做到顧頭不顧尾。而根據(jù)裝置模型試驗(yàn)的成果，流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)遵循兩頭大，中間小的規(guī)律。即最高揚(yáng)程和最低揚(yáng)程對(duì)應(yīng)的壓力脈動(dòng)大，中間揚(yáng)程的壓力脈動(dòng)小。因此，從設(shè)計(jì)上無(wú)法規(guī)避水泵進(jìn)入超低揚(yáng)程工況下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。為了保證水泵全工況下均可以穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)水泵進(jìn)入超低揚(yáng)程工況時(shí)，就需要通過(guò)變頻降速的方式，改變水泵轉(zhuǎn)速n，以此調(diào)整水泵出口速度三角形，使得它與固定導(dǎo)葉翼型的匹配度提高，改善機(jī)組流態(tài)。通過(guò)這樣的調(diào)整，水泵的外特性將發(fā)生明顯的變化，流量Q減小、效率η提高、軸功率P減少、殼體的振幅ΔH減小，噪音降低。施衛(wèi)東等人已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下軸流泵壓力脈動(dòng)進(jìn)行了研究[3]。該研究表明通過(guò)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，對(duì)軸流泵的壓力脈動(dòng)會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。

雖然這種調(diào)整會(huì)造成排澇流量降低，但是對(duì)于排澇工程而言，穩(wěn)定運(yùn)行的意義更為重要。從對(duì)水泵的考核要求看，也只要求設(shè)計(jì)揚(yáng)程下，排出設(shè)計(jì)流量，最大、最小揚(yáng)程下穩(wěn)定運(yùn)行即可。

六、基于變頻調(diào)速避振運(yùn)行的調(diào)度原則

在實(shí)際應(yīng)用中，變頻避振運(yùn)行的遵循如下原則：

1、在超低揚(yáng)程下，此時(shí)振動(dòng)主要由于水力因素產(chǎn)生，因此，旨在通過(guò)降速運(yùn)行改善流道內(nèi)的流態(tài)，將水泵裝置效率由工頻時(shí)的20%～30%，提升至60%左右。

2、在脫離超低揚(yáng)程后，此時(shí)振動(dòng)主要是由于機(jī)械故障產(chǎn)生，此時(shí)需要結(jié)合振動(dòng)擺度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)水泵振動(dòng)值超過(guò)100μm時(shí)，實(shí)行降速運(yùn)行。通過(guò)階梯化的降速，使得機(jī)組的振動(dòng)值減小至80μm的正常水平。

3、當(dāng)水泵進(jìn)入中高揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)，此時(shí)降速后，將會(huì)造成水泵進(jìn)入馬鞍型振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，因此，在中、高揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)，需要設(shè)置變頻運(yùn)行的頻率下限值。

4、若因前池水位下降，出現(xiàn)因汽蝕而引起的振動(dòng)時(shí)，也可通過(guò)變頻降速運(yùn)行，改善水泵振動(dòng)特性[4]。

七、小結(jié)

從作為提升供水泵站節(jié)能性的技術(shù)手段，發(fā)展為提升大型排澇泵站運(yùn)行可靠性的技術(shù)手段，變頻技術(shù)在浙江省的澥浦排澇泵站中得到成功應(yīng)用，這也是國(guó)內(nèi)大型豎井貫流泵站中首次利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組避振區(qū)運(yùn)行。經(jīng)過(guò)泵站實(shí)際應(yīng)用表明，機(jī)組變頻運(yùn)行過(guò)程中無(wú)任何不良表現(xiàn)，啟動(dòng)順利，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，振動(dòng)小。變頻運(yùn)行不僅大大增強(qiáng)了大型豎井貫流機(jī)組運(yùn)行適應(yīng)能力，包括對(duì)異常振動(dòng)的處理能力，還降低了運(yùn)行噪音，實(shí)現(xiàn)工程的綠色、節(jié)能的理念。

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