貫流式泵站啟動過渡過程效能和水力特性分析

余啟清

(鄱陽縣水利電力勘測設計室，江西 鄱陽 333100)

受水資源分布及地形的影響，常需要進行調水工程，如南水北調、引灤入津、引黃濟青等，在調水工程中因地勢高低的原因，泵站工程的應用非常普遍，泵站平穩、高效以及安全的運行對于整個調水工程的正常運轉以及工農業生產具有十分重要的意義[1- 4]。

按工作原理不同，水泵可分為葉片泵、容積泵和其他類型泵三類，其中，葉片泵的使用范圍最廣，葉片泵又可以分為離心泵、混流泵以及軸流泵，在大中型泵站工程中，最常使用的泵站類型為軸流泵，它具有流量大、低揚程等特點，貫流泵是軸流泵中裝置效率最高、水力特性最好且便于施工布置的泵型，因而，在各大中型泵站工程中運用最為普遍[5- 6]。張斌等以南水北調東線第一期淮陰三站工程泵站為例，對燈泡貫流泵進行了數值計算、水力模型試驗驗證及真泵試運行實測，驗證了貫流泵性能參數的穩定合理性[7]；周偉等采用CFD仿真技術，對燈泡貫流泵裝置的進、出水流道的型線進行優化設計，并獲得了較好的應用成果[8]；許哲等通過三維建模，研究了大型貫流式泵站快速門加速啟動過渡過程的水力特性，對于指導泵站機組運行具有重要意義[9]。

作為一種低揚程泵站，貫流泵站在啟動過程中存在因水泵揚程迅速增大而造成電機超載的現象，導致泵站難以啟動，因此，文章提出通過在快速閘門上增加拍門來減緩水泵揚程的上升速率，并改善貫流式泵站啟動過渡過程水力特性，從而獲得較好的啟動條件，相關研究成果可為大型貫流式泵站的設計施工提供借鑒。

1 工程概況

某泵站工程采用2臺雙向可逆式燈泡貫流泵(型號均為32GWN- 42)，水泵的葉輪直徑和額定轉速分別為3.19m和136.4r/min，單個泵機組的裝機容量大小為1700kW，單泵設計流量為33m3/s，設計抽水揚程為4.2m，快速閘門寬×高=5m×4m，設計提升速度為2.23m/min，延時開閘時間為1.2s，水泵進出口斷面直徑分別為4.96m和5.26m，溢流道長度為31.5m，貫流泵安放角為-4°，電機效率值為94.5%，超載系數為1.8，啟動轉矩是0.45倍的額定轉矩，牽入轉矩為1.1倍啟動轉矩。泵站工程出水流道型式為臥式雙向直錐擴散型，在進、出水流道處均設置有直立式翼墻，快速閘門為常規鋼閘門結構并通過繩鼓來控制機組的啟閉和斷流，如圖1所示。

2 改進措施

泵站機組按設計參數在啟動過程中頻繁出現啟動失敗的現象，后經調查分析認為：出現機組頻繁啟動失敗的原因可能有2種：一是啟動過程中出水流道豎井內的水位上升速度過快，造成電機超負荷運行；二是電機存在總異步運行情況，主機雖然達到了亞同步的工況，但是在準角投勵后，無法滿足牽入同步的要求。針對該現象，提出在快速閘門上增設拍門，拍門材質也為鋼質，厚1.5cm，寬1.2m，高1.3m，面積為4.5m2，如圖1所示。經計算可得泵站機組電機的額定轉矩為12139.3kN·m，臨界轉差率為0.135，臨界轉矩為20600.9 kN·m，臨界轉速為118r/min，電機達到亞同步時間為7s，流道的損失系數為0.00155s2/m5。下面將對增設拍門前后的效能和水力特性進行對比分析，以驗證方案的可行性與合理性[10- 14]。

圖1 泵站增設拍門后結構示意圖

3 計算分析結果

3.1 閘門提升速度的影響

取延時開閘時間為1.2s，對快速閘門不同提升速度下的機組所需功率和裝置效率進行對比，如圖2所示。從圖中可以看到，隨著快速閘門提升速度的不斷增大，泵站機組所需功率逐漸減小，而裝置效率逐漸增大，相同閘門提升速度下，添加拍門后的機組所需功率小于無拍門時的功率，而裝置效率較無拍門時略有提升，這是因為添加拍門后，拍門處分擔了一部分流量，使得豎井內的水位上升速度減緩，從而有效延長了豎井內水位到達胸墻的時間，減小了電機超負荷運行的概率，因而裝置的整體效率有所提升。但在實際過程中若是增加閘門的提升速度，則需要對閘門啟閉設備進行改造，考慮到經濟性問題，在添加拍門后，可以適當降低閘門的提升速度，這樣可以達到水力特性和經濟性優化的雙重效果。

圖2 快速閘門提升速度對機組特性的影響

3.2 開閘延時時間的影響

取閘門提升速度為2.23m/min，對不同延時開閘時間下的機組所需功率和裝置效率進行對比，如圖3所示。從圖中可以看到，隨著延時開閘時間的增加，無拍門泵站機組所需的功率逐漸降低，而有拍門的機組所需功率逐漸增大；裝置效率與機組所需功率變化趨勢相反，在無拍門時隨延時開閘時間增加而增大，在有拍門時隨延時開展時間增加而減小；延時開閘時間的增加，會使得拍門打開的時間也逐漸延長，導致泵站機組在達到亞同步的情況下還未完全打開，拍門分擔的流量因而減小，從而影響出水池的總流量，會導致泵站機組所需功率增加、裝置效率降低，因此在添加拍門后，可不延長或者適當減少延時開閘時間來提升泵站機組的裝置效率。

圖3 快速閘門延時開閘時間對機組特性的影響

3.3 參數值對比

隨機選取兩種工況，對不同啟動過渡階段的水力參數進行計算分析，結果見表1。從表1中可以看到，不同工況下，增加拍門后的水泵流量有所增大，過閘流量有所減小，流量差值主要是通過拍門流出，減緩了豎井內水位上升速度，從而使胸墻開始溢流的時間延長，最終降低了水泵揚程和機組達到亞同步所需要消耗的功率，并在一定程度上提升裝置的整體效率；在第一種工況下，添加拍門后的揚程和機組功率分別降低了0.452m和103kW，第二種工況下在添加拍門后的揚程和機組功率分別降低了0.33m和74kW，表明添加拍門可以有效改善泵站的整體水力特性，同時可以預見的是在設計閘門提升速度2.23m/min和延時開閘時間1.2s下，泵站機組的效率應該較高，故添加拍門后，可保持原設計參數不變或者略微調低均可。

表1 不同條件各階段啟動過渡階段水力參數值

4 結論

文章從閘門提升速度、開閘延時時間及不同工況啟動過渡階段的水力參數入手，對燈泡貫流泵在添加拍門前后的效能和水力特性進行了對比分析，得出如下結論：

(1)添加拍門可以有效降低機組達到亞同步的所需功率以及提升裝置的整體效率，同時降低流道豎井內的水位上升速度，保證整個機組能順利啟動。

(2)建議在添加拍門后可適當降低閘門提升速度和減小延時開閘時間，促進泵站效率的進一步提升。

(3)影響泵站啟動過程的因素較多，文章僅對閘門提升速度、延時開閘時間進行了對比分析，諸如拍門面積、拍門位置、拍門型式等的影響將在接下來的工作中進一步完善。