豎井貫流泵裝置模型試驗與運行方案優(yōu)化分析

陳 洋

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司上海分公司，上海 200439；上海寶山人力資源有限公司，上海 201900)

低揚程泵站在水資源調(diào)配、水環(huán)境改善、城市防洪和灌溉排澇等方面建設(shè)得越來越多，豎井貫流泵裝置水力性能優(yōu)異，裝置效率高[1- 2]。近年來，不少學(xué)者對其進行了研究，例如劉君等[3]經(jīng)過對比分析，得出前置豎井貫流泵裝置比后置豎井貫流泵裝置具有更好的內(nèi)特性；周春峰等[4]研究了豎井貫流泵中豎井部分對貫流泵裝置的水力性能的影響；翟作衛(wèi)等[5]對杏林灣排澇泵站豎井貫流泵裝置進出水流道流態(tài)進行數(shù)值模擬，得出出水流道通過設(shè)置中隔墩保證良好出水條件。隨著CFD技術(shù)的推廣，針對豎井貫流泵裝置內(nèi)特性的研究越來越多。對豎井貫流泵的裝置模型試驗的測試研究也有，如楊建峰等[6]對通呂運河豎井貫流泵裝置開展了裝置模型試驗；袁堯等[7]對江陰定波雙向豎井貫流泵站進行物理模型試驗分析；徐磊等[8]對南水北調(diào)東線一期工程邳州站進行了裝置模型試驗研究，得出超高的裝置效率。但隨著豎井貫流泵的大型化發(fā)展，這些裝置試驗測試還不夠多，特別是更低揚程段的測試數(shù)據(jù)不多?？紤]到南方地區(qū)的超低揚程泵站凈揚程常只有1～2m，而流道水力損失至少也有0.4～0.6m，流道效率很低，使得裝置效率難以提高。規(guī)范根據(jù)調(diào)查資料分析，給出了裝置效率值得參考范圍，GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》[9]9.1.11規(guī)定“凈揚程低于3m的泵站，其裝置效率不宜低于60%”，然而隨著我國泵站設(shè)備設(shè)計水平和制造水平、流道研究和施工水平的提高，該范圍已不能完全反映現(xiàn)階段泵站的裝置效率水平。為此，仍然需要大量現(xiàn)階段的裝置模型試驗資料，反映現(xiàn)階段能達到的裝置效率水平。本文結(jié)合某特低揚程豎井貫流泵站，采用裝置模型試驗的方法，比較分析了出水流道增加中隔墩對裝置能量特性的影響，并對運行方案提出了優(yōu)化調(diào)整建議。本文的試驗測試結(jié)果也是對現(xiàn)階段的低揚程豎井貫流泵裝置效率水平的部分體現(xiàn)，并提供了數(shù)據(jù)支持。

1 研究對象

浙江某沿海泵站單機設(shè)計流量20m3/s，泵站設(shè)計凈揚程0.98m，最低凈揚程0m，最高凈揚程2.76m。泵站裝設(shè)2臺前置豎井貫流泵，快速閘門(帶拍門)斷流。原方案選型設(shè)計水泵葉輪直徑D=2.60m，水泵轉(zhuǎn)速110r/min，進水流道寬7.2m，出水流道無中間隔水墩，快速閘門為單孔閘門，寬度6.0m。采用天津TJ04-ZL- 07#水力模型。由于工程原因，快速閘門起吊方案調(diào)整2孔3.1m寬閘門，出水流道增設(shè)1m寬中間隔水墩，出水流道長度和水位條件不變。原方案和調(diào)整方案的出水流道尺寸布置見表1，工程流道模型三維示意如圖1所示。

圖1 工程模型三維示意圖

表1 研究對象兩種方案尺寸

2 裝置模型試驗

裝置模型試驗臺主要工作參數(shù)如下。揚程：-1～16m；流量：0～0.8m3/s；動力機功率40kW，轉(zhuǎn)速0～1600r/min。泵進出口過流設(shè)施試驗采用封閉布置。原、模型過流部件幾何相似，尺寸按同一模型比確定。原、模型泵葉輪直徑Dn及Dm分別為2.6m和0.3m，模型比8.667。流道模型的加工如圖2所示。在無汽蝕條件下，完成水泵裝置模型葉片角度-4°～+4°常規(guī)動力特性試驗。氣蝕試驗時保持流量不變，通過對封閉循環(huán)系統(tǒng)抽真空，裝置有效氣蝕余量(有效凈正吸頭)隨系統(tǒng)真空度加大逐漸下降，效率下降1%時有效汽蝕余量即為臨界汽蝕余量NPSHc[10]。

圖2 進出水流道制作及模型裝置

3 能量特性試驗結(jié)果比較與分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)采用相似定律換算至原型，葉輪直徑D=2.6m，泵轉(zhuǎn)速n=110r/min，葉片角0°下運行，如圖3—4所示：

圖3 無中隔墩方案原型裝置特性曲線

圖4 有中隔墩方案原型裝置特性曲線

對于出水流道無中隔墩方案，設(shè)計凈揚程0.98m時，模型裝置效率62.3%，流量Q=19.71m3/s。最大凈揚程2.76m時，模型裝置效率為67.26%，流量Q=12.32m3/s。

對于出水流道有中隔墩方案，設(shè)計凈揚程0.98m時，模型裝置效率64.6%，流量Q=19.89m3/s。最大凈揚程2.76m時，模型裝置效率為67.64%，流量Q=12.46m3/s。

試驗結(jié)果說明：設(shè)計揚程下流量略小于設(shè)計流量20m3/s。葉片角0°裝置最高效率點在揚程2.0m左右，最大值達76%、77%以上，與文獻[11]常州大運河?xùn)|測試最優(yōu)裝置效率75.69%相近。裝置模型能穩(wěn)定運行，說明流道加設(shè)中間隔墩的設(shè)計亦合理。

4 增大轉(zhuǎn)速方案分析

4.1 轉(zhuǎn)速增加對能量特性的影響

以上為裝置揚程同泵站凈揚程條件下，設(shè)計凈揚程0.98m，葉片角0°流量勉強接近設(shè)計要求；但計及攔污柵污物水力損失，設(shè)計揚程取1.38m、葉片角0°時流量僅為18.83m3/s，裝置效率為73.69%。為加大流量，增加運行穩(wěn)定性，適當增加轉(zhuǎn)速是必要的。取轉(zhuǎn)速120r/min，原型綜合特性如圖5所示；為作對比，取轉(zhuǎn)速125r/min，原型綜合特性如圖6所示。對比圖5—6，轉(zhuǎn)速加大到125r/min，雖然設(shè)計揚程流量比轉(zhuǎn)速120r/min稍有增大(葉片角0°增大1.2m3/s)，但裝置效率下降2.3%。為力求高效區(qū)接近設(shè)計揚程，取設(shè)計轉(zhuǎn)速120r/min。

圖5 轉(zhuǎn)速120r/min原型裝置特性曲線

圖6 轉(zhuǎn)速125r/min原型裝置特性曲線

4.2 轉(zhuǎn)速增加對氣蝕性能的影響

如圖7所示，110r/min全部運行范圍NPSHc在3.5～6m，臨界汽蝕余量NPSHc與轉(zhuǎn)速平方n2成正比。轉(zhuǎn)速由110r/min增加到120r/min，NPSHc增大1.19倍。根據(jù)試驗，110r/min全部運行范圍NPSHc不大于6m，與文獻[11](nD=285)測試結(jié)果相符。120r/min條件NPSHc應(yīng)不大于7.2m，其值遠小于有效汽蝕余量，氣蝕性能良好。

圖7 原型裝置揚程與汽蝕特性曲線

5 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)裝置模型試驗對比和外特性分析。出水流道增設(shè)中隔墩后，凈揚程0.98m時，裝置效率提高了2.3%，流量相差不大。但對于不同中隔墩長度的影響還有待進一步研究。

(2)可通過合理增加機組轉(zhuǎn)速，加大流量，調(diào)整優(yōu)化運行方案，機組轉(zhuǎn)速的增加引起運行工況點氣蝕性能變化，本工程120r/min全部運行范圍NPSHc不大于7.2m，氣蝕性能良好。

(3)GB 50265—2010規(guī)定“凈揚程低于3m的泵站，其裝置效率不宜低于60%”，本文的試驗結(jié)果，在揚程2.0m左右，最大值達76%、77%以上。體現(xiàn)現(xiàn)階段特低揚程泵裝置的設(shè)備設(shè)計和制造水平所能達到的裝置效率。