基于密云調(diào)蓄工程梯級泵站的抽水裝置性能分析

吳輝明, 田 雨，廖衛(wèi)紅，劉波波，宋 巍(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京1001；.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 10008；.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710010；.北京市南水北調(diào)團(tuán)城湖管理處，北京 100097)

0 引 言

對于大型泵站，進(jìn)、出水流道的形式和型線設(shè)計與水泵的運(yùn)行性能密切相關(guān)，進(jìn)行泵站安裝前，一般都需進(jìn)行水泵裝置模型試驗以獲取其性能數(shù)據(jù)。團(tuán)城湖至密云水庫前6級泵站均為低揚(yáng)程、大流量泵站。前5級泵站為立式軸流泵站，第6級為立式混流泵站，水泵葉片角度均可全角調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)不同工況點(diǎn)之間的任意切換，當(dāng)各級泵站承擔(dān)調(diào)水任務(wù)時，由于上游來水量變化、水位變化等引起的泵站運(yùn)行工況變化，常使水泵工作點(diǎn)偏離其高效區(qū)，導(dǎo)致泵站運(yùn)行效率偏低。為保證泵站在調(diào)水過程中，面對各種調(diào)水任務(wù)都能高效運(yùn)行，需要根據(jù)泵站的實(shí)際抽水流量、進(jìn)出水側(cè)水位引起的揚(yáng)程變化，對水泵葉片角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高泵站運(yùn)行效率，保證在任何工況點(diǎn)下都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。目前，整個工程剛投入試運(yùn)行，暫時沒有實(shí)測泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)。因此，需要在模型試驗的基礎(chǔ)上，對泵站抽水裝置的性能進(jìn)行預(yù)測。目前國內(nèi)也興建了許多大、中型跨流域調(diào)水工程和一般供水工程，部分學(xué)者針對泵站綜合特性曲線進(jìn)行了研究，比如龍新平等[1]在做了泵站性能曲面擬合后進(jìn)行了泵站優(yōu)化調(diào)度分析；桑國慶[2]針對南水北調(diào)東線萬年閘泵站做了葉片全調(diào)節(jié)泵站抽水裝置性能計算，得到了水泵原型裝置的綜合特性曲線。

本文以密云調(diào)蓄工程梯級泵站屯佃泵站、西臺上泵站為主要研究對象,前者為軸流泵，后者為混流泵，通過現(xiàn)有水泵模型裝置數(shù)據(jù), 對原型泵裝置效率及性能進(jìn)行預(yù)測, 與此同時考慮電機(jī)效率和傳動效率, 對抽水裝置效率及性能進(jìn)行分析計算, 確定出不同揚(yáng)程、流量工況點(diǎn)下抽水裝置的效率, 為泵站優(yōu)化運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時比較兩者之間的效率，分析不同泵型的在不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)。

1 抽水裝置效率

抽水裝置是由水泵、動力機(jī)、傳動設(shè)備、管路及其附件組成的組合體，是完成抽水任務(wù)的主要載體。抽水裝置效率的計算：在水泵效率的基礎(chǔ)上考慮電機(jī)效率和傳動效率，就能夠得到抽水裝置效率[3]。抽水裝置效率計算公式如下。

ηst=ηpumpAssemηtransηmotor

(1)

式中：ηst為抽水裝置效率；ηpumpAssem為水泵效率；ηtrans為傳動效率；ηmotor為電機(jī)裝置效率。

水泵效率表示傳遞能量的有效程度。效率反映泵內(nèi)損失功率的大小及衡量軸功率的有效利用程度。主要包括3個部分：機(jī)械效率、容積效率、水力效率

機(jī)械效率：

ηm=(P-ΔPm)/P

(2)

容積效率：

ηv=(Pw-ΔPv)/Pw

(3)

水力效率：

ηh=Pe/(Pw-ΔPv)

(4)

水泵效率：

ηpumpAssem=ηmηvηh

(5)

式中：P為軸功率；ΔPm為機(jī)械損失功率；Pw為水功率；ΔPv為容積損失(泄漏損失)功率；Pe為有效功率。

各個泵站采用電機(jī)和水泵直聯(lián)的機(jī)械傳動以及同步電動機(jī)，傳動效率可以認(rèn)為100%，同步電動機(jī)是一種高效的動力設(shè)備，從滿負(fù)荷到50%負(fù)荷內(nèi)可以認(rèn)為其效率基本不變，具體數(shù)值為電機(jī)輸出效率和電機(jī)額定功率的比值。

2 水泵原型與模型裝置性能換算

2.1 水泵相似定律

原型水泵裝置的性能可以通過對模型水泵裝置性能試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行相似換算得到。原型水泵和模型水泵裝置之間的流量和揚(yáng)程采用目前統(tǒng)一的換算公式：

(7)

式中：Qp為原型水泵流量，m3/s；Qm為模型水泵流量，m3/s；Hp為原型水泵揚(yáng)程，m；Hm為模型水泵揚(yáng)程，m；np為原型水泵轉(zhuǎn)速，r/min；nm為模型水泵轉(zhuǎn)速，r/min；Dp為原型水泵葉輪直徑，mm；Dm為模型水泵葉輪直徑，mm。

對于原型水泵的水力效率，本文采用SL140-2006《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》[5]中所規(guī)定采用的IEC 995(1991年)公式進(jìn)行水力效率換算，公式如下：

(8)

式中：ηh,p為原型水泵效率；ηh,m為模型水泵效率；Reu,ref=7×106；Reu,M為每一試驗點(diǎn)的模型雷諾數(shù)；Reu,p為相似工況的原型雷諾數(shù)；ηh,opt,M為模型泵最優(yōu)水力效率；Reu,opt,M為模型泵最優(yōu)水力效率ηh,opt,M點(diǎn)處的雷諾數(shù)；Vre為相對Reu,ref的損失分布系數(shù)，Vref=0.6；D為葉輪的名義直徑，m；u為葉輪的名義直徑D處的圓周速度，m/s；v為運(yùn)動黏滯系數(shù)，m2/s。

2.2 性能計算流程

由于工程在2015年7月中旬剛投入運(yùn)行，實(shí)測泵站特性參數(shù)還不完善，因此，對泵站抽水裝置性能的研究都是基于模型試驗所得數(shù)據(jù)展開。按照以下方法計算和預(yù)測泵站原型抽水裝置性能：①對泵站抽水裝置模型試驗數(shù)據(jù)(流量、揚(yáng)程和效率)進(jìn)行擬合，獲取連續(xù)的模型實(shí)驗數(shù)據(jù)；②根據(jù)相似律，對擬合后的模型實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，推求原型裝置數(shù)據(jù)，繪制特性曲線；③對各泵站的抽水裝置的揚(yáng)程和流量區(qū)間進(jìn)行合理的離散，組合成抽水裝置可運(yùn)行的全部工況點(diǎn)；④構(gòu)造出任意揚(yáng)程和流量工況下泵站抽水裝置效率、葉片角度、揚(yáng)程、流量之間的對應(yīng)關(guān)系，由此推求任意流量和揚(yáng)程工況下對應(yīng)的葉片角度和抽水裝置效率值。

3 實(shí)例分析

3.1 任意工況點(diǎn)下抽水裝置的效率和葉片安裝角度

通過上一節(jié)的模型數(shù)據(jù)換算得到的屯佃泵站抽水裝置原型特性曲線，根據(jù)得到的綜合特性曲線，結(jié)合各泵站的設(shè)計揚(yáng)程，對單個抽水裝置可運(yùn)行的流量、揚(yáng)程范圍進(jìn)行合理的離散(將揚(yáng)程和流量范圍均以0.01為步長進(jìn)行離散)，由這些離散的揚(yáng)程值和流量值共同確定水泵抽水裝置的工況點(diǎn)。參照工況點(diǎn)的確定結(jié)果，可以得到各個流量、揚(yáng)程下對應(yīng)的抽水裝置效率及葉片安裝角度。由于篇幅有限，僅展示屯佃泵站、西臺上泵站抽水裝置部分流量-揚(yáng)程-角度關(guān)系和流量-揚(yáng)程-效率關(guān)系分別如表1和表2所示，三維圖見圖1、圖2。

表1 屯佃泵站揚(yáng)程-流量-效率-角度關(guān)系Tab.1 The head, flow, efficiency and angle relations of Tundian pump station

表2 西臺上泵站揚(yáng)程-流量-效率-角度關(guān)系Tab.2 The head, flow, efficiency and angle relations of Xitaishang pump station

圖1 屯佃泵站流量-揚(yáng)程-效率三維圖Fig.1 The three dimensional figure of the head, flow, efficiency and angle relations of Tundian pump station

圖2 西臺上泵站流量-揚(yáng)程-效率三維圖Fig.2 The three dimensional figure of the head, flow, efficiency and angle relations of Xitaishang pump station

結(jié)果分析：①在表1和表2中, 每一個流量值下方都對應(yīng)有2 列數(shù)字, 左邊一列為水泵機(jī)組當(dāng)前流量和揚(yáng)程下流量泵站系統(tǒng)效率, 右邊一列為水泵機(jī)組當(dāng)前流量和揚(yáng)程下流量泵站系統(tǒng)水泵機(jī)組運(yùn)行角度, 從圖1和圖2也可以看出明顯看到一段類似山峰的區(qū)域，此區(qū)域附近均可認(rèn)為是高效區(qū)，在單機(jī)設(shè)計工況下西臺上泵站系統(tǒng)效率更高為70%左右,屯佃水泵機(jī)組在40%左右。這是因為屯佃泵站設(shè)計揚(yáng)程低，泵型選型不當(dāng)所致。②通過換算得到了一系列的離散值，根據(jù)給定的角度就可以從η-θ，η-Q曲線上得到對應(yīng)的效率值和流量值，這樣得到的效率值、流量值是連續(xù)變化的，有了一一對應(yīng)關(guān)系，相對于離散數(shù)據(jù)點(diǎn)的線性差值，更加符合實(shí)際的物理現(xiàn)象，且精度足夠高能滿足實(shí)際需求。

3.2 抽水裝置特性曲線擬合

由于試驗數(shù)據(jù)本身的誤差、擬合造成的誤差、人為因素等的影響，不能保證所有測試點(diǎn)的擬合值都落在試驗值的誤差帶范圍內(nèi)，但可以保證每條曲線中的最高效率點(diǎn)的擬合值全部落在試驗值的誤差帶范圍內(nèi)。因為試驗中對最高效率點(diǎn)的測定較其他試驗點(diǎn)總是要更為慎重，擬合結(jié)果也更為可信[4]。本文依據(jù)參考文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[2]的做法，對水泵原型裝置不同葉片角度下的流量-揚(yáng)程曲線和流量-效率曲線擬合，繪制抽水裝置綜合特性曲線如圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8所示。

圖3 屯佃泵站抽水裝置示意圖Fig.3 Pumping equipment characteristic curve of Tundian pumping station

圖4 前柳林泵站抽水裝置示意圖Fig.4 Pumping equipment characteristic curve of Qianliulin pumping station

圖5 埝頭泵站抽水裝置示意圖Fig.5 Pumping equipment characteristic curve of Niantou pumping station

圖7 李史山泵站抽水裝置示意圖Fig.7Pumping equipment characteristic curve of Lishishan pumping station

圖8 西臺上泵站抽水裝置示意圖Fig.8 Pumping equipment characteristic curve of Xitaishang pumping station

結(jié)果分析：圖3～圖8中粗線部分為根據(jù)模型試驗點(diǎn)得到的曲線，延長線為擬合得到的結(jié)果，這些曲線全面反映了原型抽水裝置流量-揚(yáng)程-效率之間的關(guān)系。需要說明的是，基于屯佃泵站的模型試驗結(jié)果，對前柳林、埝頭、興壽、李史山4座泵站進(jìn)行了原型抽水裝置性能預(yù)測研究，這里沒有展開說明。

4 結(jié) 語

(1)通過對水泵裝置模型試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和換算，得到了水泵裝置的綜合特性曲線，并在給定的流量和揚(yáng)程條件下計算得出其相應(yīng)的葉片角度和效率值，在考慮電機(jī)效率的影響后，最終得到了泵站抽水裝置的綜合特性曲線。

(2)提出了在給定的流量和揚(yáng)程條件下計算水泵裝置相應(yīng)的葉片角度和效率值的計算方法。構(gòu)造出抽水裝置效率、葉片角度與裝置揚(yáng)程和流量的對應(yīng)關(guān)系，得到了任意揚(yáng)程、流量工況點(diǎn)對應(yīng)的葉片角度和效率值，并根據(jù)性能數(shù)據(jù)生成了相應(yīng)的擬合曲線，方便在實(shí)際運(yùn)行調(diào)度中使用。

(3)各水泵裝置特性是根據(jù)模型試驗數(shù)據(jù)，采用相似律換算得到，由于水泵裝置效率影響因素復(fù)雜，且換算方法具有一定的近似性，可作為初期運(yùn)行的參考。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)逐步采集各工況點(diǎn)參數(shù)，對水泵抽水裝置性能進(jìn)行校核、驗證。本文計算得出抽水裝置性能曲線可作為衡量泵站效率的依據(jù)，并可為泵站優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(4)對比屯佃泵站和西臺上泵站的效率發(fā)現(xiàn),西臺上泵站在設(shè)計工況下基本都在高效區(qū)運(yùn)行，屯佃泵站設(shè)計揚(yáng)程較低，泵站抽水裝置效率較低，從泵站選型角度考慮應(yīng)該選用效率更高的貫流泵，由于中間四級泵站均為軸流泵，從統(tǒng)一調(diào)度角度考慮，選用了同一泵型，方便運(yùn)行管理調(diào)度。

本文研究中尚存在一些不足之處，可作為今后研究方向：

(1)屯佃泵站是六級泵站中設(shè)計揚(yáng)程最低的，為1.08 m，而揚(yáng)程范圍在0～3 m時選擇貫流泵效率，水力損失少，提水效率較高，而在工程中，選擇了立式軸流泵，由于立式軸流泵本身的特點(diǎn)，導(dǎo)致屯佃泵站效率較低，因此也影響了整個梯級泵站系統(tǒng)的優(yōu)化。可考慮這樣一種情況：在屯佃泵站處打開閘門，讓團(tuán)城湖來水到達(dá)屯佃泵站時直接自流到下一級前柳林泵站前，從第二級泵站開始向后調(diào)水。即考慮"甩站"工況的可行性。

(2)雖然得到了原型抽水裝置特性曲線，可以盡量讓泵站在高效區(qū)運(yùn)行，但是整個梯級泵站的優(yōu)化調(diào)度還需進(jìn)一步的分析研究。

(3)本文基于工程設(shè)計參數(shù)和水泵模型試驗數(shù)據(jù)，雖然結(jié)果比較合理實(shí)際效果還有待驗證。當(dāng)工程開始運(yùn)行后，應(yīng)首先進(jìn)行參數(shù)率定工作，使泵站抽水裝置特性曲線和實(shí)際運(yùn)行情況盡量吻合，這樣對梯級泵站調(diào)水工程的運(yùn)行才具有實(shí)際的參考價值和指導(dǎo)意義。

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