淮安抽水二站加固改造工程機(jī)組效益分析研究

袁 聰 楊正東（江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200）

淮安抽水二站加固改造工程機(jī)組效益分析研究

袁 聰 楊正東
（江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200）

本文對淮安抽水二站改造工程的立式軸流泵從模型裝置到真機(jī)運(yùn)行不同階段的運(yùn)行性能進(jìn)行測試、分析，作為國內(nèi)最大的軸流泵站及南水北調(diào)東線的主力泵站，淮安二站的成功改造經(jīng)驗(yàn)也為國內(nèi)其他大型軸流泵站的改造提供了重要技術(shù)參考。

淮安抽水二站 加權(quán)平均效率 工程效益 研究分析

1 概述

淮安抽水二站位于淮安市楚州區(qū)南郊，是淮安水利樞紐工程的重要組成部分，也是南水北調(diào)東線工程的第二級泵站之一，泵站規(guī)模為大（Ⅱ）型。該站與淮安一站、淮安三站和淮安四站共同抽引江都站輸送的長江水入蘇北灌溉總渠，輸送至淮陰站下，滿足南水北調(diào)東線第一期工程第二、第三梯級抽水300m3/s的規(guī)劃目標(biāo)。

改造后的淮安二站設(shè)計(jì)規(guī)模不變，仍為120m3/s，平均調(diào)水揚(yáng)程3.82m，轉(zhuǎn)速由100r/min降為93.8r/min，配套5000kW立式同步電機(jī)，配套立式全調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑4.5m。改造工程于2010年12月開工建設(shè)，2012年12月通過試運(yùn)行驗(yàn)收。

2 擬定的技術(shù)要求

為達(dá)到預(yù)期改造效果，在設(shè)計(jì)階段即提出效率保證指標(biāo)：水泵應(yīng)具有較寬的高效率區(qū)及獲得較高的加權(quán)平均效率。在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為4.89m、抽水流量為設(shè)計(jì)流量時(shí)，水泵模型裝置效率不低于70%；水泵在平均凈揚(yáng)程為3.82m時(shí)，在設(shè)計(jì)工況角度下，水泵模型裝置效率不低于71%；水泵在最大凈揚(yáng)程為5.06m時(shí)，在設(shè)計(jì)工況角度下，水泵模型裝置效率不低于70%。水泵在最小凈揚(yáng)程為2.0m時(shí)，在設(shè)計(jì)工況角度下，水泵模型裝置效率不低于58%。泵站的模型裝置加權(quán)平均效率應(yīng)不低于70.5%。加權(quán)效率數(shù)值計(jì)算的公式如下：

η泵=0.1ηmax+0.3ηdes+0.55ηav+0.05ηmin

各特征揚(yáng)程權(quán)重為：最高揚(yáng)程0.1，設(shè)計(jì)揚(yáng)程0.3，平均揚(yáng)程0.55，最小揚(yáng)程0.05。水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)汽蝕比轉(zhuǎn)速C值不小于1000，保證水泵的抗汽蝕性能較高，并能獲得較高的平均效率。

3 泵站流道優(yōu)化水力計(jì)算

為滿足泵站高效運(yùn)行，滿足南水北調(diào)東線工程的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)單位委托揚(yáng)州大學(xué)進(jìn)行了泵站進(jìn)、出水流道流場數(shù)值模擬及優(yōu)化水力計(jì)算，以評估現(xiàn)有流道的水力性能，從而確定是否對現(xiàn)有流道進(jìn)行改造。

3.1 進(jìn)、出水流道三維流動數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對淮安二站現(xiàn)狀肘形進(jìn)水流道的進(jìn)水流場采用三維湍流模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。圖1為進(jìn)水流道主要斷面的流場圖，根據(jù)流場模擬結(jié)果計(jì)算得出目標(biāo)函數(shù)及設(shè)計(jì)流量時(shí)的流道水力損失結(jié)果：均勻度為93.3%，平均角度為87.83，流道水力損失為0.098m。

對虹吸式出水流道內(nèi)的出水流場采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行了三維流動數(shù)值模擬，圖2為出水流道主要斷面的流場圖。可以看出，虹吸式出水流道上升段內(nèi)的流態(tài)較為平順、無不良流態(tài)，但在流道下降段中墩兩側(cè)的底部區(qū)域存在較大范圍的旋渦區(qū)。

3.2 結(jié)論

（1）根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，淮安二站現(xiàn)狀肘形進(jìn)水流道流態(tài)較為平順、流道水力損失較小；由于流道原設(shè)計(jì)采用的流道高度偏小、流道寬度方向的收縮偏快，進(jìn)水流道出口的流速均勻度略差。根據(jù)“只填不鑿”的要求，進(jìn)水流道現(xiàn)有形線難以再作優(yōu)化。

圖1 淮安二站肘形進(jìn)水流道流場圖

圖2 淮安二站虹吸式出水流道流場圖

（2）根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，淮安二站現(xiàn)狀虹吸式出水流道上升段的流態(tài)較為平順，下降段的底部區(qū)域存在旋渦區(qū)，但流道的水力損失相對較小。如果對出水流道進(jìn)行優(yōu)化，須采用打壩施工的方案，而且流道下降段的水力損失對整個(gè)出水流道的水力損失影響不大。

（3）根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果，淮安二站進(jìn)、出水流道總的水力損失為0.55m，水力損失并不大，因此對進(jìn)、出水流道建議不進(jìn)行改造。

圖3 淮安二站水泵原型裝置綜合特性曲線

4 泵站模型裝置特性試驗(yàn)

水泵生產(chǎn)廠家中標(biāo)后，根據(jù)實(shí)施階段的水泵葉輪直徑及水泵結(jié)構(gòu)尺寸，在河海大學(xué)試驗(yàn)臺上進(jìn)行了泵站模型裝置特性試驗(yàn)，以檢驗(yàn)和優(yōu)化水泵水力性能。

4.1 試驗(yàn)臺及測試裝置

河海大學(xué)水力機(jī)械多功能試驗(yàn)臺是“211工程”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一，試驗(yàn)綜合誤差≤0.5%，采用立式封閉循環(huán)系統(tǒng)，總?cè)萘繛?0m3。不僅可以做立式、臥式水泵及水輪機(jī)模型裝置特性試驗(yàn)，而且可以做可逆式水泵、水輪機(jī)模型裝置特性試驗(yàn)、正反向水泵工況和正反向水輪機(jī)工況等多功能的試驗(yàn)研究。

4.2 試驗(yàn)方法

按照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL140-2006）執(zhí)行，測量流量、進(jìn)口壓力、出口壓力、扭矩、轉(zhuǎn)速、真空度、大氣壓和水溫等參數(shù)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

采用葉片安放角分別為-6°、-4°、-2°、0°、+2°進(jìn)行能量特性試驗(yàn)，測試結(jié)果表明：模型最高裝置效率為72.69%，對應(yīng)葉片安放角為0°，揚(yáng)程為5.58m，模型流量為0.290m3/s，換算至原型流量為65.31m3/s；葉片安放角為-2°時(shí)，模型最高裝置效率為72.31%，對應(yīng)揚(yáng)程為5.30m，模型流量為0.266m3/s，換算至原型流量為59.77m3/s；設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程4.89m時(shí)，模型裝置效率為72.2%，流量為0.275m3/s，換算至原型流量為61.86m3/s；平均凈揚(yáng)程3.82m時(shí)，模型裝置效率為70.92%，流量為0.302m3/s，換算至原型流量為67.89m3/s。葉片安放角為-2.5°時(shí)，調(diào)水最高揚(yáng)程5.06m，模型裝置效率為72.2%，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.89m，模型裝置效率為72.2%，平均凈揚(yáng)程3.82m，模型裝置效率為71.00%。

在設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.89m和平均揚(yáng)程3.82m的情況下，泵站的裝置效率和流量均超過了設(shè)計(jì)要求。換算后的泵站原型裝置特性曲線見圖3，不同特征工況下試驗(yàn)結(jié)果與合同保證值對比見表1。

表1 驗(yàn)收試驗(yàn)性能與招標(biāo)文件保證值對比表（葉片安放角-2.5°）

表2 淮安二站機(jī)組現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與模型裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表

各特征揚(yáng)程權(quán)重為：最高揚(yáng)程0.1，設(shè)計(jì)揚(yáng)程0.3，平均揚(yáng)程0.55，最小揚(yáng)程0.05。

5 泵站運(yùn)行分析

5.1 試運(yùn)行檢驗(yàn)

淮安二站于2013年3月24日全站聯(lián)合試運(yùn)行，單機(jī)連續(xù)試運(yùn)行24h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，不同角度下的性能達(dá)到了要求。

5.2 能量特性分析

試運(yùn)行期間，由江蘇省灌溉總渠管理處水文站進(jìn)行了斷面流量測量。對不同角度下的揚(yáng)程、流量和功率進(jìn)行測量，并計(jì)算裝置效率，表2為現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果。

5.3 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及溫升情況

在試運(yùn)行過程中，測量并記錄了主水泵、主電機(jī)的電流、電壓、功率、溫度、振動、噪聲等有關(guān)參數(shù)，均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。

6 結(jié)語

經(jīng)過加固改造，淮安二站這座國內(nèi)最大的軸流泵站繼續(xù)發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于淮北地區(qū)干旱，自2012年安裝完成后，工程即連續(xù)投入運(yùn)行，截至2014年底，改造后的新機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行450天，近15000臺時(shí)，抽水量達(dá)35億m3。經(jīng)過淮安二站的機(jī)組從模型裝置試驗(yàn)、真機(jī)試運(yùn)行、長期抗旱運(yùn)行等不同階段，表明該站的機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的流量、效率等各項(xiàng)能量特性指標(biāo)以及振動、溫升等機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性等方面，均達(dá)到了更新改造的預(yù)期效果