烏江泵站機組性能現場測試技術研究

項雙樹

（安徽省駟馬山引江工程管理處,安徽 馬鞍山 238251）

1 引言

駟馬山灌區屬大（1）型灌區。灌區以提引長江水為主，滁河上已建的節制閘起節制灌溉水位和攔蓄降雨徑流作用。1969年12月動工興建，規劃為五級提水，總揚程46.5 m，裝機32臺7.85萬kW，設計灌溉面積365.4萬畝，涉及皖蘇兩省4市10個縣（市、區）。烏江泵站是駟馬山灌區首級提水泵站，從長江提水。設計裝機10臺，配套高壓同步電動機，單機容量1 600 kW。水泵為2.8CJ-70全調節立式軸流泵，水泵葉輪直徑Φ2.8 m，額定揚程5.62 m，額定流量21.5 m3/s，轉速150 r/min。由于近年來，長江在汛期和枯水期水位變化較大，加上駟馬山工程的功能由單一的抗旱擴展為生態補水和城市供水。為提高泵站效率，改善水泵的汽蝕性能，適應下游低水位和高水位時的安全可靠運行，經過充分的模型試驗選型，在不改變原流道的結構情況下對其中的四臺水泵進行了改進，選用2800ZLQ23-3.72型全調節軸流泵。為驗證改進后的機組的性能是否達到模型試驗的性能要求，在實際運行時根據下游長江水位的變化，歷時九個月進行了現場性能測試。流量測定利用國家發明專利技術自制的繞流管實現。水泵軸功率安裝了自制遙測電阻應變儀測量，揚程采用數字水位傳感器測量。

2 軸功率測定

根據烏江泵站低揚程大軸徑機組的特點和現場條件，采用的方法主要是運用電阻應變法。因為水泵軸旋轉，為能引出信號，采用基于無線傳輸技術自制的遙測電阻應變儀測量水泵軸功率，實現無線測量。

2.1 應變片布設

烏江泵站機組采用的是直接傳動。考慮標定方便，在電機上沿與軸線呈45°粘貼電阻應變片R1，用以測量主應力的應變,在軸四周等分角度粘貼四片應變片以消除電機軸向荷載及可能存在的彎矩的影響，應變片接成全橋電路作信號輸出。如圖1所示。

圖1 電阻應變片粘貼示意圖

2.2 應變電測信號傳輸

基于無線傳輸技術，研制新型無線應變儀，主要有以下幾個部分組成：①微型鋰電池（12 V,12 Ah）；②單片機數據處理器模塊（ADC0510)；③微型信號發射器；④微型信號接收器；⑤數顯儀表。泵軸轉動時，粘貼于大軸表面的應變片受到扭矩的影響，其電阻值發生變化，此變化信號經放大處理后通過數據發射器發送，經過無線接收器接收及處理后得到軸功率數據。如圖2所示。

圖2 應變片電橋無線傳輸框圖

鑒于烏江泵站泵軸可操作空間小，應變電測及標定方案選擇在機泵聯軸器上部電機軸部位施行。其中應變儀發射部分①～③隨電橋一起固定于電機軸，接收部分④⑤懸吊于電機軸旁圍欄上部或電機支座。如圖3、4所示。

圖3 電池、信號處理顯示發射器的固定

圖4 信號接收顯示器

2.3 應變電測標定

為消除材料性能不確定性影響，對應變儀進行了現場標定。在電機軸粘貼應變片部位的上下各裝有專設的卡環，各卡環上焊接一要2 m長的水平臂桿，桿端聯鋼絲繩，繩上掛LK -5拉力器和拉力調節器。當調節拉力器時，泵軸扭矩發生變化，對照應變儀輸出值和拉力計的讀數，得出實際狀態下的泵軸扭矩與橋路不平衡電壓確定的函數關系。圖5為扭矩現場標定架。

圖5 扭矩現場標定架

3 流量測定

烏江泵站進口為雙肘形流道。實際測試采用泵進口漸縮管段，繞流管流量計十字正交插入，此繞流管流量計是根據泵實際尺寸制作并經南京航天航空大學風洞標定的，繞流管距離葉輪中心670 mm。繞流管安裝部位泵導水錐直徑Φ1 270 mm；漸縮管段高度415 mm。圖6為組裝好的帶截流閥繞流管流量計。

4 揚程及電功率測試

烏江泵站下游為長江，受潮汐影響較大，上游河道窄，容量小。揚程測試利用上下游的數字式水位傳感器，實時采集上下游的水位數據。機組的電功率利用機組高壓開關柜的綜合數字表采集。

5 測試結果及分析

針對烏江泵站的實際情況，在不同時期進行了現場多工況點（不同揚程、不同葉片角度）流量、揚程、電功率、泵軸扭矩（軸功率）參數測試。6月11日5號機在裝置揚程Hsy≈0.88 m、葉片角度-6°。結果如表1所示：11月3日5號機在裝置揚程Hsy≈4.75 m時的試驗結果如表2。

表1 Hsy≈0.88 m 5號機試驗結果

表2 Hsy≈4.75 m 5號機試驗結果

對照測試結果及測試現場觀察可以得出：

(1)機組在裝置揚程0.88 m時（偏離額定揚程較多），葉片角-6°運行，流量較小，裝置效率較低，且水泵有汽蝕在；水泵層的噪音明顯偏高，振動較大。

(2)對照表2可以看出，相同葉片角時，葉片角由小向大（序號1～7）所測流量小于由大向小（序號7～13）所測數值，其主要原因可能是：下游水位變化、人工讀數不同時、葉片角度調整后穩定時間較短。但全部流量數值與電功率數值變化趨勢相同，應可說明流量和功率讀數合理可信。

(3)根據換算成原型泵裝置綜合特性曲線，在揚程4.75 m時，葉片角為-4°、-2°、0°時的流量分別為17.4 m3/s，19.7 m3/s和22.1 m3/s；裝置效率分別為74.4%、76.2%和75.5%.對照表2在對應的葉片角度下：現場實測流量分別為17.9 m3/s、20.4 m3/s和22.97 m3/s；泵裝置效率指標分別為68.58%、71.10%和71.51%，低于模型試驗值5%～8%。這是由于泵站現場的機組裝有拍門、出囗快速閘門及砼流道的影響。

(4)現場多次、多工況對應實測了電機電功率和軸功率，其5號機電機效率均在95%以上。測試結果表明：大型電機效率較高，在正常運用范圍內數值變化很小。可以認為：作為泵站測試和指標考核，對于機組配套有特殊性的泵站實測軸功率是必要的；常規泵站、電機為名廠產品，僅實測電功率，電機效率取廠家標準值可基本滿足泵站指標考核要求。

6 量測誤差估算

6.1 流量測試誤差

水泵內的水流比較紊亂，為提高測試精度，采取了多點測量。烏江泵站繞流管安裝位置點的過流斷面為環形，本次測試取8個測點。取測點數所造成的流速誤差±1%；現場尺寸測量的過流斷面面積誤差不大于±0.5%；繞流管的流速系數經標定誤差為±0.5%；傳感器誤差±0.2%；指示儀誤差±0.2%；讀數誤差±0.5%。則流量測定總誤差約：

6.2 軸功率測試誤差

軸功率測試誤差主要有標定誤差、讀數誤差和儀表誤差。標定誤差中又主要是測力架安裝誤差、臂桿長度誤差、測力計誤差等。力的測定誤差±0.4%；標定臂桿長為2 m，相對誤差±0.2%；拉力計精度1級，誤差為±1%；關于指示儀表，因采用綜合精度較高（優于0.2%）的數據處理模塊，指示儀表誤差較小，取±0.2%；儀表數顯穩定，取讀數誤差=±0.5%。則軸功率總誤差約：

7 結束語

本次現場測試所采用的繞流管流量計為專利技術產品，精度較高。現場測試用繞流管流量計安裝、維護方便，經久耐用；可用于泵站的日常監測。軸功率測試所采用的遙測應變儀國內首創，扭矩測定采用現場標定，測試精度高于《泵站現場測試與安全檢測規程》規定，且粘貼于泵軸的電阻應變片已作可靠保護，可滿足較長時間內任意運行條件正常使用，為泵機組長時間運行提供充分數據。