南水北調(diào)泗洪站變頻調(diào)節(jié)燈泡貫流泵運(yùn)行性能分析

馬曄錦

(南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800)

1 概 述

泗洪站是南水北調(diào)東線工程第四梯級泵站，設(shè)計(jì)流量120m3/s，主要任務(wù)是將洪澤湖水送至睢寧站；有地方排澇和通航功能。泗洪泵站有后置燈泡貫流泵機(jī)組5臺(tái)套，調(diào)水設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.23m，最大凈揚(yáng)程4.73m，平均凈揚(yáng)程1.60m，排澇設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程3.14m。

為確保水泵性能，招標(biāo)文件提出效率保證指標(biāo)：水泵應(yīng)有寬廣高效率區(qū)，在平均揚(yáng)程時(shí)應(yīng)接近最高效率點(diǎn)。水泵效率應(yīng)以相似條件下運(yùn)行模型泵裝置在試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)所測定特性為基礎(chǔ)，效率不作修正。水泵模型裝置效率在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況下應(yīng)不小于75%；在平均揚(yáng)程工況下應(yīng)不小于77%，調(diào)水工況時(shí)加權(quán)平均效率不小于72.5%；加權(quán)平均效率計(jì)算方法如下：η=0.4ηdes+0.55ηav+0.05ηmax，式中ηdes、ηav、ηmax分別為設(shè)計(jì)揚(yáng)程、平均揚(yáng)程和最大揚(yáng)程下水泵模型裝置效率。

設(shè)備采購采用國內(nèi)外廠家技術(shù)合作模式，國外負(fù)責(zé)燈泡貫流泵機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力設(shè)計(jì)和模型裝置驗(yàn)收試驗(yàn)；關(guān)鍵部件包括水泵葉輪(含輪轂)、密封件由國外生產(chǎn)，其余零部件由國內(nèi)根據(jù)國外廠家提供的圖紙和工藝生產(chǎn)加工，國外負(fù)責(zé)質(zhì)量控制，為適應(yīng)工況變化，采用變頻調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

2 燈泡貫流泵裝置初步方案水力設(shè)計(jì)

針對泗洪站特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)值流體力學(xué)解法(CFD)，綜合參照數(shù)據(jù)庫經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解析水泵葉片和導(dǎo)葉形狀及流力分布，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，決定水泵設(shè)計(jì)方案，給出水泵葉片和導(dǎo)葉設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，自動(dòng)繪制出3D模型并通過最先進(jìn)激光造型機(jī)自動(dòng)加工形成高精度設(shè)計(jì)模型?？s短水泵模型設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，而且該水力模型有寬廣高效率區(qū)，良好汽蝕性能，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近保證良好水力性能。表1和圖1給出了不包括葉輪和導(dǎo)流葉片情況下的流道水力損失分布，圖2為調(diào)水平均揚(yáng)程工況下速度分布。

表1 流道各部分水力損失

圖1 不同工況下流道水力損失分布

圖2 調(diào)水平均揚(yáng)程工況下速度分布

3 燈泡貫流泵裝置優(yōu)化方案水力設(shè)計(jì)

江蘇省南水北調(diào)泗洪站原建設(shè)單位會(huì)同相關(guān)院校對泗洪站貫流泵裝置進(jìn)、出水流道進(jìn)行CFD分析研究，進(jìn)一步復(fù)核泗洪站燈泡貫流泵裝置初步方案進(jìn)、出水流道設(shè)計(jì)和進(jìn)一步完善泗洪站泵裝置水力設(shè)計(jì)。修改后進(jìn)水流道長度從原8.4m改為7.5m，進(jìn)水流道原檢修門前平直段改為漸變段；出水流道總長度改為14.6m，出水流道出口底部高程抬高1m。表2給出了不包括葉輪和導(dǎo)流葉片情況下流道水力損失分布，圖3為調(diào)水平均揚(yáng)程工況下速度分布。

圖3 調(diào)水平均揚(yáng)程工況下速度分布

表2 流道各部分水力損失

4 模型裝置試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺(tái)及測試裝置

試驗(yàn)臺(tái)中流道裝置和模型泵系按照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》(SL 140—2006)規(guī)定制作，模型泵葉輪外徑為327mm (模型比1/9.33)，模型泵規(guī)定揚(yáng)程與原型泵供水平均揚(yáng)程保持一致(1.60m)，此時(shí)模型泵轉(zhuǎn)速為984.2r/min。泵模型試驗(yàn)整體布置見圖4。

圖4 泵模型試驗(yàn)整體布置

試驗(yàn)中采用的主要測試設(shè)備包括電磁流量計(jì)、電子壓力表、電子壓力顯示器、壓力傳感器、扭矩檢測器、電子轉(zhuǎn)矩表和溫度傳感器等，精度均滿足規(guī)程規(guī)范要求，試驗(yàn)臺(tái)綜合誤差為±0.327%。

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

根據(jù)批準(zhǔn)的試驗(yàn)大綱，本次試驗(yàn)變化七種轉(zhuǎn)速[500r/min、 600r/min、 700r/min、 800r/min、900r/min、984.2r/min(額定轉(zhuǎn)速)、1134.7r/min(115.3%n：實(shí)驗(yàn)裝置上限轉(zhuǎn)速)]進(jìn)行性能測定。不同特征工況下試驗(yàn)結(jié)果與合同保證值對比見表3，滿足合同要求。模型泵裝置性能曲線見圖5，原型泵裝置性能曲線見圖6。

表3 驗(yàn)收試驗(yàn)性能與保證值對比

圖5 模型泵裝置性能曲線

圖6 原型泵裝置性能曲線

4.3 空化特性

在調(diào)水平均揚(yáng)程工況下按效率下降1%測試結(jié)果計(jì)算C=1088.9，滿足保證值C=1000 以上要求。調(diào)水平均揚(yáng)程工況下空化性能見圖7。

圖7 調(diào)水平均揚(yáng)程(Q=21.5m3/min)工況下空化性能(轉(zhuǎn)速984.2r/min)

4.4 飛逸特性

在模型泵飛逸轉(zhuǎn)速為700r/min條件下，利用試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出在調(diào)水平均揚(yáng)程1.6m時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速為143.9r/min，在調(diào)水最大揚(yáng)程4.73m時(shí)飛逸轉(zhuǎn)速為247.5r/min。在設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)時(shí)要求電機(jī)生產(chǎn)廠家按照水泵最大飛逸轉(zhuǎn)速復(fù)核電機(jī)強(qiáng)度。

根據(jù)驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)收組認(rèn)為，水泵裝置模型試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到合同文件要求，一致同意通過水泵裝置模型試驗(yàn)驗(yàn)收。

5 試運(yùn)行檢驗(yàn)

2013年4月23—25日，泗洪站進(jìn)行單機(jī)試運(yùn)行和全站聯(lián)合試運(yùn)行，單機(jī)連續(xù)試運(yùn)行24h以上，全站5臺(tái)機(jī)組聯(lián)合試運(yùn)行6h以上。試運(yùn)行結(jié)果表明：機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、各部位溫升正常，不同轉(zhuǎn)速下性能達(dá)到合同要求。

試運(yùn)行期間，水文站流量測試組進(jìn)行斷面流量測量。對不同轉(zhuǎn)速下?lián)P程、流量和功率進(jìn)行測量，并計(jì)算裝置效率。表4為5臺(tái)機(jī)組實(shí)測結(jié)果與模型裝置試驗(yàn)性能換算結(jié)果對比情況。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，相同揚(yáng)程工況下實(shí)測流量與模型試驗(yàn)換算流量基本接近，相同流量下效率與模型試驗(yàn)效率基本接近。

表4 現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與模型裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

5.1 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及溫升情況

5.1.1 溫度(采用設(shè)備內(nèi)預(yù)先設(shè)置溫度測定儀進(jìn)行溫度監(jiān)控)

電機(jī)端軸承溫度最高為33.8℃(報(bào)警溫度85℃)；水泵端軸承溫度最高為35.3℃(報(bào)警溫度85℃)；電機(jī)定子繞組溫度最高為51.3℃(報(bào)警溫度100℃)；5臺(tái)機(jī)組各部位溫度測量數(shù)據(jù)均顯示正常。

5.1.2 噪聲(采用聲級計(jì)進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行噪聲測定)

1號機(jī)組運(yùn)行最大噪聲為86dB(泵井內(nèi)距離水泵1m處測)；2號機(jī)組運(yùn)行最大噪聲為84dB(泵井內(nèi)距離水泵1m處測)；3號機(jī)組運(yùn)行最大噪聲為86dB(泵井內(nèi)距離水泵1m處測)；4號機(jī)組運(yùn)行最大噪聲為83dB(泵井內(nèi)距離水泵1m處測)；5號機(jī)組運(yùn)行最大噪聲為84dB(泵井內(nèi)距離水泵1m處測)；變頻器室運(yùn)行最大噪聲為72dB(距離外殼1m、高1.2m處測)；廠房外最大噪聲為64dB(距離泵房1m、高1.2m處測)。

采用機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)對機(jī)組進(jìn)行在線監(jiān)測，機(jī)組垂直方向最大振幅為0.0011mm(規(guī)范限值0.14mm)；機(jī)組水平方向最大振幅為0.001mm(規(guī)范限值0.14mm)；各部位振動(dòng)值優(yōu)于規(guī)范要求。

6 結(jié) 論

泗洪站燈泡貫流泵從模型裝置驗(yàn)收試驗(yàn)到真機(jī)試運(yùn)行等不同階段測試結(jié)果均表明這種結(jié)構(gòu)型式燈泡貫流泵在不同轉(zhuǎn)速下各項(xiàng)能量特性指標(biāo)(流量、效率)、空化性能(空化噪聲和空化破壞)、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性(振動(dòng)和溫升等)和可靠性等均達(dá)到合同要求。

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，模型裝置在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下效率達(dá)到78.3%，超過合同保證值3.3個(gè)百分點(diǎn)，平均揚(yáng)程下達(dá)到78.1%，超過合同保證值1.1個(gè)百分點(diǎn)。

現(xiàn)場試運(yùn)行測試結(jié)果表明：泗洪站燈泡貫流泵具有運(yùn)行穩(wěn)定、工況調(diào)節(jié)方便、性能指標(biāo)滿足合同要求等顯著特點(diǎn)，而且機(jī)組振動(dòng)指標(biāo)優(yōu)于規(guī)范要求。與模型試驗(yàn)換算結(jié)果對比，相同揚(yáng)程工況下實(shí)測流量與模型試驗(yàn)換算流量基本接近，相同流量下效率與模型試驗(yàn)效率基本接近。