大型豎井貫流泵避振運行研究

汪寶羅

摘 要：浙江省沿海平原地區因受潮汐、梅雨、臺風等自然因素影響，排澇存在整體揚程偏低、運行期間揚程變幅大、泵站流量大、且泵站為軟土地基等特點，為了適應上述特點，工程采用豎井貫流泵的機型較多。隨著豎井貫流泵大型化發展，其單機流量已經達到50m3/s，相當于一座大（2）型泵站的規模，其安全可靠運行對區域防洪排澇有著至關重要的作用。為了使得大型豎井貫流泵可適應沿海地區揚程變幅大的特點，滿足全工況穩定運行的要求，本研究將對水泵振動的機理進行探討，并提出較為有效的避振措施，以此消除或減弱機組的振動，提高排澇工作的可靠性。

關鍵詞：豎井貫流泵;避振運行;

一、前言

大型泵站水泵的振動問題，一直是泵站工程中的焦點。我國已經運行的大型泵站中，出現了振動問題的不在少數，如1997年建成運行的淮安三站，是我國首個大型燈泡式貫流泵站。該泵站在運行過程中，機組和泵站存在劇烈振動問題，一定程度上影響了泵站的安全可靠運行[1]。而江都四站的4號和7號泵在改造后也出現了振動[2]。這些大型泵站的振動問題不僅僅影響到機組自身的使用壽命，而且也對工程安全生產和正常發揮作用產生較大的不利影響? 。

二、大型豎井貫流泵振動原因分析

豎井貫流泵與其他類型的水泵一樣，誘發設備及廠房振動主要原因是由水力因素或機械因素導致的。

1、水力因素造成的振動

水力因素造成的振動分為兩類：1）流道設計不合理、型線優化不到位，由此造成裝置內出現脫流、回流等非正常流態;2）水泵導葉為固定導葉，當水泵偏離設計工況點運行，造成水泵出口速度三角形的改變程度超過了導葉調節范圍，使得出水流道流態趨于混亂。

豎井貫流泵的流道控制尺寸，如：長、寬、高、當量擴散角等、以及流道收縮、擴散段的型線均直接關系到水流入泵是否均勻，以及在流道邊壁是否出現局部脫流，甚至是嚴重的偏流。當流道設計合理時，入泵水流平穩、均勻度高、出水流道的水流呈現出規律性的螺旋運動，但無偏流、脫流等非正常流態;反之，入泵、出泵水流混亂、葉輪、導葉體范圍內的壓力脈動明顯增加。

在所有工況下，設計工況水泵效率最高，運行也相對最穩定，究其原因大致是：設計工況下，葉輪出口的水流與導葉的翼型配合度高，水流經導葉的整流作用后，以比較平順的狀態進入出水流道，此時水泵流態較好，機組運行也較穩定。但是一旦水泵偏離設計工況時，其流量隨著揚程的變化而發生增加或減少。因流量發生劇烈的變化，軸向流速便相應的發生變化，但是因水泵轉速保持不變，故水流速度的切向分量也維持不變，因此，葉輪出口處水流的絕對速度與設計工況相比，無論是其矢量角度還是大小均發生了變化。當水泵嚴重偏離設計工況點后，其流速矢量便不能與導葉翼型相匹配，偏離設計工況越多，葉片出口速度矢量與導葉翼型越不匹配，便造成流態明顯變差。該過程表現在外特性上，就是葉輪出口至導葉出口這一段范圍內的水流壓力脈動顯著增加，而壓力脈動又激發了葉輪外殼的振動和葉輪本體的振動，嚴重時會造成水泵共振甚至發生葉片開裂等嚴重后果。而未經導葉完全整流的水流進入出水流道后，還會產生左、右兩孔流道的流量差異、壁面脫流等等不利于穩定運行的非正常流態。

2、機械因素造成的振動

豎井貫流泵由電動機、齒輪箱、推力軸承、葉輪、導軸承等幾大件組成。在運行過程中，這些部件的生產質量問題或安裝質量問題均可能引發機組的振動，如：軸不對中、氣隙不均、軸承磨損、轉動部件不平衡、連接件松動、齒輪嚙合故障等。

三、大型豎井貫流泵避振運行的意義

常規的半調節排澇泵，一旦出現偏離工況的情況，如進入超低揚程范圍，或者是發生機械故障等情況，機組振動加劇，此時，運行管理人員只能選擇讓機組繼續帶病運行，或者被迫停機。無論是繼續運行，還是停機，均對排澇不利。

對于大型豎井貫流泵而言，因其單機流量大，目前正在建設的或者即將開工建設的豎井貫流泵的單機流量均在30m3/s以上，個別巨型機組的單機流量達到了50m3/s。對于這類機組，其單機流量就相當于一座中型排澇泵站甚至是大（2）型泵站，對區域的防洪排澇起到舉足輕重的作用。且這些泵站往往都位于河流的口門處，若因機組的故障而造成停機，則會造成上游上百公里范圍的澇水無法順利排出，造成的內澇影響也更為嚴重。

因此，對于這類主力排澇泵站，應盡可能的保證其運行期間設備安全可靠運行，避免因振動原因，造成機組退出運行。所以，對于這類工程有必要對機組采取避振運行的措施，這樣既可以增強機組運行的適應性，也可提高工程的可靠性。

四、機組避振主要措施

所謂水泵避振措施是指，為了保證水泵機組不產生有害振動，或者在產生有害振動后，通過相應的方法使得水泵的振動減弱乃至消失而采取的工程措施。機組避振主要分兩個階段：1、源頭控制，減少振動產生的可能性;2、當出現振動時，采取工程措施避開振區運行。

1、所謂源頭控制，是指在設計階段，應通過合理的機組選型及流道設計，使得流道先天就具有良好的流動特性，同時嚴格控制入泵流速，合理選擇直徑和轉速，避免因過泵流速過大，激發壓力脈動，或因nD過大，降低抗汽蝕能力;

2、在運行期間，通過工程措施避免機組進入振區運行。可通過變頻調速技術和槳葉調節技術，使得機組脫離振動區域運行。槳葉調節技術避振運行在江都四站的4號泵和7號泵組中已經得到了良好的應用[2]。本文側重介紹利用變頻技術進行避振運行。

五、基于變頻調速避振運行的原理

前文已述，由于水力因素引起的振動，主要歸結于嚴重偏離設計工況點后，泵內部流態由平順向混亂轉化，水流對流道邊壁以及過流部件的撞擊加劇，從而造成的流道內相應部位壓力脈動顯著增加。而這些發生在水泵流道內部的變化也可通過水泵外特性進行反應，如效率明顯降低、噪音增加、殼體振幅加大等。

當水泵轉速n發生變化時，揚程H、流量Q、軸功率P、效率η等外特性均將隨之發生相應的變化，根據相似定律，可以獲取變化后新的水泵特性。利用變頻調速規避振區運行正是利用了水泵外特性隨轉速n變化的規律。這種方法主要應用在揚程變幅很大的工程，如浙江沿海平原地區的低揚程排澇泵站中。這些工程基本都是采用泵閘相結合的排澇模式，當閘排能力減弱時，需要由閘排切換到泵排，此時進、出水池對應的水位差為0m附近，即超低揚程。又因這類工程的出水池為感潮河段甚至為海，受潮汐影響，出水池要求百年一遇高潮位仍能排澇，這樣就造成最高揚程達到4-5m，甚至達到6m。因此，對于水泵來說，要求其在進、出水池水位差0～6m的范圍均可以正常運行。

對于設計人員而言，在水泵選型時，可通過工況點的合理選擇，使得最高揚程對應的工況點不進入馬鞍型振動區。但是卻無法保證超低揚程工況下，水泵不處于效率極低的工況運行。因此，從水泵選型的角度，只能做到顧頭不顧尾。而根據裝置模型試驗的成果，流道內的壓力脈動遵循兩頭大，中間小的規律。即最高揚程和最低揚程對應的壓力脈動大，中間揚程的壓力脈動小。因此，從設計上無法規避水泵進入超低揚程工況下運行時產生的振動。為了保證水泵全工況下均可以穩定運行，當水泵進入超低揚程工況時，就需要通過變頻降速的方式，改變水泵轉速n，以此調整水泵出口速度三角形，使得它與固定導葉翼型的匹配度提高，改善機組流態。通過這樣的調整，水泵的外特性將發生明顯的變化，流量Q減小、效率η提高、軸功率P減少、殼體的振幅ΔH減小，噪音降低。施衛東等人已經通過實驗對不同轉速下軸流泵壓力脈動進行了研究[3]。該研究表明通過水泵轉速調節，對軸流泵的壓力脈動會產生顯著的影響。

雖然這種調整會造成排澇流量降低，但是對于排澇工程而言，穩定運行的意義更為重要。從對水泵的考核要求看，也只要求設計揚程下，排出設計流量，最大、最小揚程下穩定運行即可。

六、基于變頻調速避振運行的調度原則

在實際應用中，變頻避振運行的遵循如下原則：

1、在超低揚程下，此時振動主要由于水力因素產生，因此，旨在通過降速運行改善流道內的流態，將水泵裝置效率由工頻時的20%～30%，提升至60%左右。

2、在脫離超低揚程后，此時振動主要是由于機械故障產生，此時需要結合振動擺度在線監測系統，當水泵振動值超過100μm時，實行降速運行。通過階梯化的降速，使得機組的振動值減小至80μm的正常水平。

3、當水泵進入中高揚程運行時，此時降速后，將會造成水泵進入馬鞍型振動區運行，因此，在中、高揚程下運行時，需要設置變頻運行的頻率下限值。

4、若因前池水位下降，出現因汽蝕而引起的振動時，也可通過變頻降速運行，改善水泵振動特性[4]。

七、小結

從作為提升供水泵站節能性的技術手段，發展為提升大型排澇泵站運行可靠性的技術手段，變頻技術在浙江省的澥浦排澇泵站中得到成功應用，這也是國內大型豎井貫流泵站中首次利用該技術實現水泵機組避振區運行。經過泵站實際應用表明，機組變頻運行過程中無任何不良表現，啟動順利，運行平穩，噪音低，振動小。變頻運行不僅大大增強了大型豎井貫流機組運行適應能力，包括對異常振動的處理能力，還降低了運行噪音，實現工程的綠色、節能的理念。

參考文獻：

[1]? 肖燁 丁曉唐. 淮安三站結構振動特性及抗振分析[J].水利水電科技發展，2016，（6）：86—89.

[2]? 李揚 張宇 孫嵐清，等.大型泵站立式全調節軸流泵振動特性試驗[J].中國農村水利水電，2018 （03）：81-95.

[3]? 施衛東? 姚捷 張德勝 吳蘇青 王海宇. 不同轉速下軸流泵壓力脈動試驗[J].農業機械學報，2014，45（3）：66-71.

[4]? 李忠 楊敏官 高波 康燦. 空化誘發的軸流泵振動特性實驗研究[J].工程熱物理學報，2012，33（11）：1888-1891.