關于正確選擇大泵設計揚程的研究

范順芳黃春華張學陽（.江蘇省江都水利工程管理處 江都 500 .連云港市贛榆區水利局 贛榆 00）

關于正確選擇大泵設計揚程的研究

范順芳1黃春華1張學陽2
（1.江蘇省江都水利工程管理處 江都 225200 2.連云港市贛榆區水利局 贛榆 222100）

新中國成立初期設計低揚程大型泵站，由于缺少借鑒，為提高水泵揚程保證率，選用水泵設計揚程偏高，使泵站經常運行效率達不到國家最低要求，虹吸駝峰頂設計失誤而產生強烈的啟動振動現象等。本文舉例探討了如何按泵站平均運行凈揚程正確選用水泵設計揚程，從而大幅度提高泵站經常運行效率。

泵站運行效率 軸流泵 設計揚程 水力損失

1 引言

由于主泵設計揚程偏高選擇的錯誤，我國一般大型泵站不能進入較高運行效率區，經常運行效率達不到65%的國家標準要求，個別大型泵站經常運行效率僅有20%～30%。自興建大型泵站以來，采用選擇大泵設計揚程方法有三種：一為泵站設計揚程加進出水流道的水力損失；二為泵站最大啟動揚程不允許進入軸流泵的馬鞍區間；三為按泵站經常運行平均凈揚程選擇。從理論分析和運行效果兩方面看，前兩種大泵設計揚程選擇方法均是錯誤的。只有第三種按泵站經常運行平均凈揚程選擇大泵設計揚程，才能保證泵站經常運行在高效區，才能達到泵站最高運行效率。本文將重點介紹這三種大泵設計揚程選擇的背景和運行效果。

2 確定泵站設計揚程加進出水流道水力損失

2.1 大型泵站設計揚程的背景

我國首建的大型泵站由江蘇省水利廳組建專題設計組，在1956年完成初步設計，擬名“濱江抽水站”（當時站址未定），裝置10臺套大型PVP-160型半調軸流泵機組，抽引長江水，消除蘇北地區的頻頻旱災，并協同上海水泵廠等單位進行泵站設備試制。當時毫無大型泵站運行經驗，也沒有低揚程大流量的軸流泵模型試驗資料，只能與上海水泵廠協商，該廠擬仿制（前）蘇聯的PVP-160半調節軸流泵（后來定型生產為64ZL-50型半調節軸流泵），主要參數是大泵設計揚程8.0m，正符合泵站規劃設計揚程7m，加流道水力損失（0.7m）的要求。所以，共同確定選擇大泵設計揚程為泵站設計揚程加流道水力損失，具有足夠的揚程保證率。此次設計開創了大泵設計揚程選擇的初始意見，為新中國成立初期興建大型泵站所廣泛接受。

事實上，濱江抽水站并沒有興建，幾經變遷，后經國務院批準，利用已訂設備擴大規模，于20世紀60年代初建成江都第一、二抽水站，建成后，經濟效益和社會效益特別顯著，此后又相繼建成了江都第三、四抽水站，共稱“江都排灌站”。江都第一、二、三抽水站同樣以濱江抽水站的意見選用大泵設計揚程。

2.2 運行中發現的主要問題

圖1 江都一、二站水泵運行效率曲線圖

圖2 江都四站水泵特性曲線圖

江都第一、二、三抽水站建成后，由于泵站進出口水位變幅較大，大泵運行揚程變幅自然較大，發現經常運行揚程偏低，經常運行效率遠低于泵站高效區，達不到65%的國家要求，如圖1（圖中虛線為人為提高運行揚程后實測部分效率高效區曲線）所示，牽引電機負載率和運行效率也很低。針對這一現象，在20世紀70年代初將江都第一、二抽水站的半調節葉片，由原來0°位運行，改造為＋5°運行，以提高電機的負載率，即電機的運行效率和大泵抽水量。由于抽水量增大，流道水力效率下降，雖不能提高泵站運行效率，但可以提高泵站的社會效益和經濟效益。1973年開始設計的江都四站，在中國科學院工程院周君亮院士和潘賢德等前輩指導下，將大泵設計揚程下降2m，定為6m，性能曲線如圖2，經常運行效率可達65.5%，當運行凈揚程為7.8m（人為提高揚程后實測）葉片安放角度為+4°時，最高運行效率可達76%，見圖3。

圖4 軸流泵的全性能曲線

在江都一、二站運行中，另一個重大發現是，虹吸式軸流泵站啟動揚程較高，當凈揚程較大時，會產生強烈的啟動振動現象，當凈揚程超過某一數值時（6.5m）這種振動會永不止息，只能停機，待潮水來臨，凈揚程減低時再開機。這一現象在我國早期興建的虹吸式軸流泵站中較為普遍。當時曾在全國引起熱議，因而得出錯誤的結論：軸流泵馬鞍區（鞍底和鞍頂揚程之間）為不穩定運行區，虹吸式泵站啟動揚程較高，一旦進入這個區域，便自然出現3個不同流量（如圖4），不同流量便在葉片上翻滾撞擊，引起強烈的水力振動，這就是啟動振動。由此錯誤導致選擇更高水泵設計揚程。

1973年初組建江都四站設計組，認真分析江都一、二站模型試驗和原型觀測報告后，參考黃委水科所《關于金堤河張莊抽水站模型試驗報告》，意見與上述錯誤結論相反，認為虹吸式軸流泵站啟動振動原因，不是啟動揚程較高進入了軸流泵馬鞍區引起的，在軸流泵馬鞍區運行也是穩定的，而是由于虹吸駝峰頂設計出現了失誤，水泵啟動時，出水側產生殘余空氣囊，在水流脈動壓力作用下，彈性殘余空氣囊可能產生振蕩，使水泵運行揚程在高于鞍頂和低于鞍底揚程之間，大幅度跳躍變化，水泵流量也在大幅度跳躍變化，而產生強烈的水力振動。因此消除這種振動方法很簡單，消除殘余空氣囊生存的條件，便可杜絕啟動振動發生。1975年有兩臺機組投入試運行，進行了各種揚程啟動試運行，并未發現啟動振動現象。1977年江都四站竣工后，歷經數十年安全運行，完全證明當時設計思想是正確的，為大型水泵設計揚程正確選用提供了范例，在南水北調東線工程中得以推廣運用。

3 按泵站最高揚程選擇水泵設計揚程的危害實例

湖南省巖汪湖泵站，原裝置64ZL-50型軸流泵，設計揚程8m，經常運行揚程為3～4m，但曾因啟動強烈振動無法開機排澇。如按江都四站成功處置經驗，通過改造虹吸駝峰頂出水側，消除殘余空氣囊，即可杜絕啟動振動現象。然而當時卻錯誤地將原設計揚程為8m的軸流泵改造為9m的混流泵，導致改造后的泵站經常運行效率僅達20%～30%，而且，由于經常運行揚程遠低于設計揚程，汽蝕振動嚴重。

某省興建巨型排澇泵站，為避免最大啟動揚程進入馬鞍區，引起啟動振動，不但按站最大揚程9.5m（千年一遇），選用40CJ95型巨型泵，葉片角度+4°～-20°，大幅度全調節，以確保啟動時水泵揚程不會進入馬鞍區，采用大負角度啟動，水泵也沒有馬鞍區。該泵高效區效率h泵為88.7%，配套電機6000kW，運行效率h機為96.0%，流道設計水力效率h水為93.0%，計算該站在設計揚程運行時效率為h站=h泵h機h水=88.7%×96.0%×93%=82%。可是，該站經常運行凈揚程為3～4m，水泵運行效率在80%以下，電機負載率當在50%以下。眾所周知，當電機負載率超過75%時，運行效率方進入高效區，負載率越低，運行效率越低。加之低揚程時，流量必然大增，流道水力效率大幅下降，該站實際經常運行效率和汽蝕性能自然出奇的低下。

表1 64BZL-50型水泵汽蝕余量表

4 按平均運行凈揚程選擇水泵設計揚程

在20世紀80年代，在討論如何提高我國大型泵站經常運行效率中，有人提出軸流泵運行在高效區內工況當然最好，運行效率最高，向高偏離和向低偏離高效區運行，同樣是安全的，運行效率和汽蝕性能同樣變差，如果考慮到向上偏離高效區時，受電機容量限制，必須降低葉片運行角度，相應地提高水泵汽蝕性能，運行將更安全。舉例說明，64ZL-50型軸流泵在高效區內運行（表1中揚程7.23m），汽蝕性能最好，汽蝕余量最小，為7.02m，當運行揚程何高偏離至9.8m時（向上偏離1.8m）汽蝕余量為8.46m，增大1.44n，如改變葉片角度至-2°，汽蝕余量可以下降，汽蝕性能變好。當運行揚程向低偏空效區時，例如4.16m運行時，汽蝕余量為9.13m，增大了2m，如果增大葉片角度，汽蝕性能更差。從這個角度看，向高偏離高效區揚程運行，比向低偏離更安全。

5 結束語

軸流泵運行揚程非常寬廣，高效區運行揚程并不狹窄。軸流泵全性能曲線是近乎上下對稱的完整的效率曲線，但因水泵設計揚程選用普遍過高，無法體現完整的泵站效率曲線，只有如圖1所示的高效區以下的實線部分，甚或只出現效率下降拐點以下直線段。如果水泵設計揚程選用恰當，應該可以實測到完整的泵站效率曲線，不但具有人為提高運行揚程后虛線所示的高效區部分，也應該有更高偏離高效區的效率下降拐點