大型立式蝸殼離心泵主要參數(shù)選擇及模型試驗(yàn)

錢(qián) 瑭,岳志偉,杜博聞

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引 言

大型泵站是水利基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,在排澇、灌溉、調(diào)水和供水等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。隨著中國(guó)南水北調(diào)、大型市政供水等跨流域調(diào)水的需求逐漸增加,使泵站向大流量、高揚(yáng)程、寬變幅方向發(fā)展[2]。目前國(guó)內(nèi)在大型立式蝸殼離心泵領(lǐng)域的研究并不多,已有的成果包括過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析及水錘防護(hù)等[3],但是對(duì)于水泵參數(shù)選取以及水力開(kāi)發(fā)的研究還較少。重慶市渝西水資源配置工程金剛沱泵站為頭部取水泵站,泵站重要等級(jí)高,引用流量大、揚(yáng)程變幅大,且汛期過(guò)機(jī)泥沙含量較高,含沙水流對(duì)水泵存在一定的磨蝕,因此水泵參數(shù)的合理選取顯得尤為重要。本文針對(duì)金剛沱泵站的特點(diǎn),探討選擇合適的泵型和參數(shù),并將水泵參數(shù)提供給主機(jī)制造廠家用以開(kāi)發(fā)模型,開(kāi)展模型試驗(yàn),以驗(yàn)證參數(shù)選取的合理性[4]。

1 水泵參數(shù)選擇

水泵參數(shù)選擇直接影響到泵站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的安全可靠性。水泵主要技術(shù)參數(shù)的選擇應(yīng)在確保機(jī)組穩(wěn)定安全可靠的前提下,使水泵的性能符合國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平,并且參數(shù)之間達(dá)到總體的最優(yōu)配合。

1.1 泵站概況

渝西水資源配置工程金剛沱泵站位于重慶市江津區(qū),泵站從長(zhǎng)江取水,經(jīng)引水管自流入進(jìn)水井,由泵站提水后通過(guò)出水隧洞入圣中水庫(kù),再向東干線、西干線分水。泵站設(shè)計(jì)流量為28.60 m3/s,設(shè)計(jì)揚(yáng)程為75.0 m,裝機(jī)容量為36 MW。金剛沱泵站為圓桶形半地下廠房,泵站由引水建筑物(取水頭部、引水管、進(jìn)水井)、泵站廠房、出水隧洞、出水塔及管理樓、變配電間等組成。

1.2 機(jī)組型式及機(jī)組臺(tái)數(shù)的確定

本泵站設(shè)計(jì)流量為28.6 m3/s,揚(yáng)程范圍45～77 m,設(shè)計(jì)揚(yáng)程為75 m,可供選擇的泵型有臥式單級(jí)雙吸離心泵和立式單級(jí)單吸離心泵。立式單級(jí)單吸離心泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,導(dǎo)軸承、推力軸承結(jié)構(gòu)在水輪機(jī)、抽水蓄能泵上使用廣泛,設(shè)計(jì)、制造工藝成熟,在國(guó)內(nèi)外大型泵站應(yīng)用廣泛,國(guó)內(nèi)運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)豐富。臥式單級(jí)雙吸離心泵結(jié)構(gòu)緊湊,廠房為單層結(jié)構(gòu),電機(jī)與水泵同層布置,拆卸、檢修維護(hù)相對(duì)較方便,在小型水輪機(jī)和燈泡貫流機(jī)組使用廣泛,但是部件表面加工要求高,制造加工難度大,目前已投運(yùn)行的工程實(shí)例少[5]。經(jīng)調(diào)研,國(guó)內(nèi)具備口徑1 600 mm以上蝸殼鑄造能力的鑄件廠少,蝸殼鑄造難度大,國(guó)內(nèi)水泵廠家生產(chǎn)制造此種規(guī)格水泵的經(jīng)驗(yàn)不足,不確定性高。該泵站作為工程首級(jí)水源泵站,運(yùn)行小時(shí)數(shù)和供水保證率要求高,為保證水泵高效安全穩(wěn)定運(yùn)行,應(yīng)優(yōu)先選用成熟可靠的泵型方案。綜合分析,推薦采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)計(jì)、制造工藝成熟,難度小的立式單級(jí)單吸離心泵[6]。

綜合考慮運(yùn)行調(diào)度、水泵參數(shù)水平和投資等因素,各方案單級(jí)單吸離心泵方案設(shè)計(jì)、制造難度均在現(xiàn)有工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)以內(nèi)。其中3+1臺(tái)(3臺(tái)主用、1臺(tái)備用)方案投資相對(duì)較省,且泵站樞紐布局更協(xié)調(diào),故推薦泵站選用3+1臺(tái)立式單級(jí)單吸離心泵機(jī)組方案。

1.3 額定轉(zhuǎn)速選擇

結(jié)合表1所列與該工程泵站流量或揚(yáng)程類似泵站的水泵參數(shù),與該泵站揚(yáng)程接近的水泵比轉(zhuǎn)速在112.65～180.07 m·m3/s,其中與泵站水泵揚(yáng)程基本相同的萬(wàn)家寨GM3泵站水泵比的轉(zhuǎn)速為180.07 m·m3/s,與單泵流量接近的惠南莊泵站水泵比轉(zhuǎn)速為145.3 m·m3/s。

表1 國(guó)內(nèi)外大型蝸殼離心泵主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of large volute centrifugal pump at home and abroad

根據(jù)金剛沱泵站的流量揚(yáng)程特點(diǎn),綜合考慮水泵汽蝕、泥沙磨損及水泵比轉(zhuǎn)速水平等因素,結(jié)合參數(shù)法統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算成果,不同裝機(jī)臺(tái)數(shù)和水泵型式下,本階段推薦水泵比轉(zhuǎn)速在140～200 m·m3/s范圍內(nèi)選擇。

征詢3家國(guó)內(nèi)外水泵廠家,3家水泵廠家均推薦轉(zhuǎn)速為375 r/min的方案。根據(jù)泥沙分析成果,泵站在沖淤平衡計(jì)算最惡劣條件下,汛期月最大泥沙含量達(dá)0.669 kg/m3,考慮到泵站水泵年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到6 694 h,為減小泥沙磨損,不宜選用過(guò)高的轉(zhuǎn)速。結(jié)合機(jī)電及土建可比投資進(jìn)行比較,確定選擇裝機(jī)3+1臺(tái)方案,水泵轉(zhuǎn)速確定為375 r/min,設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的比轉(zhuǎn)速為165.8 m·m3/s。

1.4 空化特性要求

水泵空化特性試驗(yàn)應(yīng)在規(guī)定的揚(yáng)程、進(jìn)水池水位、輸出功率范圍條件下進(jìn)行。臨界空化系數(shù)σ1定義為隨著吸出水頭的減少,效率低于無(wú)空化工況效率1%時(shí)的空化系數(shù)。初生空化系數(shù)σi按2 個(gè)葉片表面開(kāi)始出現(xiàn)可見(jiàn)氣泡考慮。汛期泥沙含量較大,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性尤為重要,泵站空化系數(shù)σp不宜太小,適當(dāng)增大泵站空化系數(shù)σp,可減少進(jìn)水管壓力脈動(dòng),提高機(jī)組穩(wěn)定性。在水泵安裝高程為174 m,100%額定轉(zhuǎn)速下,整個(gè)揚(yáng)程范圍內(nèi)水泵空化裕量應(yīng)滿足[7]:

(1) 揚(yáng)程60～77 m:σp/σ1≥1.5,σp/σi≥1.1;

(2) 揚(yáng)程55～60 m:σp/σ1≥1.1;

(3) 揚(yáng)程45～55 m:保證穩(wěn)定運(yùn)行;

(4) 如投入變頻運(yùn)行:全揚(yáng)程范圍內(nèi),σp/σ1≥1.5,σp/σi≥1.1。

1.5 推薦的水泵主要參數(shù)

根據(jù)相關(guān)計(jì)算,金剛沱泵站水泵主要參數(shù)如表2所示。

表2 水泵主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of pump

2 模型試驗(yàn)

主機(jī)設(shè)備中標(biāo)單位就金剛沱泵站蝸殼離心泵進(jìn)行水力模型開(kāi)發(fā),制作了模型水泵裝置和葉輪,并開(kāi)展了水泵模型試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)工況

2.1.1模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)

模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)Tab.3 Parameters of model pump

2.1.2試驗(yàn)臺(tái)介紹

模型試驗(yàn)所采用的水力試驗(yàn)臺(tái)是一座高參數(shù)、高精度的水力機(jī)械通用試驗(yàn)臺(tái),可以分別對(duì)貫流式、軸流式、混流式水輪機(jī)和水泵進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)可按IEC 60193及IEC 609等有關(guān)規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行效率、空化、壓力脈動(dòng)、力特性、四象限、補(bǔ)氣、飛逸轉(zhuǎn)速等的模型試驗(yàn),試驗(yàn)臺(tái)綜合效率誤差不大于±0.20%。

2.1.3儀器儀表標(biāo)定

模型試驗(yàn)前,分別對(duì)流量計(jì)、力矩傳感器、水頭傳感器、尾水位傳感器等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)原位標(biāo)率定,標(biāo)定結(jié)果滿足規(guī)范要求。

2.1.4水泵能量試驗(yàn)

水泵效率試驗(yàn)在1 000 r/min條件下進(jìn)行,覆蓋水泵整個(gè)運(yùn)行范圍進(jìn)行完整的水泵效率特性試驗(yàn)。對(duì)最優(yōu)效率點(diǎn)進(jìn)行了10次重復(fù)測(cè)量,取算術(shù)平均值得到模型最優(yōu)效率,并換算得到原型最優(yōu)效率。

(1) 水泵最優(yōu)效率見(jiàn)表4。由表4得出:模型和原型最優(yōu)效率值滿足保證值要求。

表4 水泵最優(yōu)點(diǎn)效率試驗(yàn)Tab.4 Optimal efficiency test of pump %

(2) 水泵設(shè)計(jì)點(diǎn)效率。模型設(shè)計(jì)點(diǎn)效率見(jiàn)表5,原型額定點(diǎn)效率見(jiàn)表6。由表5和表6可知,模型和原型設(shè)計(jì)點(diǎn)效率值滿足保證值要求。

表5 模型設(shè)計(jì)點(diǎn)效率試驗(yàn)Tab.5 Design point efficiency test of model

表6 原型額定點(diǎn)效率Tab.6 Design point efficiency test of prototype

(3) 加權(quán)平均效率。對(duì)水泵工況全部加權(quán)因子點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn),模型效率及其相應(yīng)的原型效率如表7所示。由表7可知,水泵加權(quán)平均效率滿足保證值要求。

表7 加權(quán)平均效率試驗(yàn)Tab.7 Weighted average efficiency test %

(4) 水泵最大入力。額定轉(zhuǎn)速條件下,對(duì)原型水泵最大入力(50 Hz)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可知,原型水泵最大輸入功率基本滿足要求。

表8 水泵最大入力試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Test results of maximum pump input

(5) 水泵駝峰特性。水泵工況效率試驗(yàn)中,在最大揚(yáng)程下、頻率為49.8 Hz和50.0 Hz時(shí)檢查水泵駝峰區(qū)裕度,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。由表9可知,水泵駝峰裕度均未超過(guò)上限值,滿足要求。

表9 水泵駝峰裕度試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Pump hump margin test results

2.1.5水泵空化特性試驗(yàn)

在對(duì)試驗(yàn)用水進(jìn)行排氣運(yùn)行之后,進(jìn)行空化試驗(yàn)以確認(rèn)水泵初生空化系數(shù)(σi)和臨界空化系數(shù)(σ1),空化試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。由表10可知,在水泵正常運(yùn)行范圍(Hp=60～77 m)內(nèi),水泵空化滿足保證值σp/σi≥1.1、σp/σ1≥1.5的要求;在揚(yáng)程Hp=55～60 m范圍內(nèi),水泵空化滿足保證值σp/σ1≥1.1的要求;在揚(yáng)程Hp=45～55 m范圍內(nèi),水泵可穩(wěn)定運(yùn)行。表明水泵在較高揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)(靠近設(shè)計(jì)工況點(diǎn)),空化系數(shù)的裕量較大,可以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

表10 水泵空化試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Pump cavitation test results

2.1.6水泵壓力脈動(dòng)試驗(yàn)

壓力脈動(dòng)測(cè)量在水泵運(yùn)行范圍內(nèi)及泵站裝置空化系數(shù)下進(jìn)行。需要測(cè)量葉輪進(jìn)出口壓力脈動(dòng)的幅值和頻率。傳感器布置如圖1所示。在水泵進(jìn)口前的錐管0.5D2±Y方向、底環(huán)、頂蓋和葉輪出口的葉輪后導(dǎo)葉前方向及蝸殼出口處,共設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖1 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)示意Fig.1 Schematic of pressure pulsation measuring points

在泵站空化系數(shù)下,在水泵特征揚(yáng)程Hp=75 m、Hp=68 m、Hp=60 m和Hp=50 m進(jìn)行壓力脈動(dòng)試驗(yàn)。水泵壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。由表11可知,在水泵正常運(yùn)行范圍內(nèi),無(wú)明顯脫流和空腔渦帶,具有良好的壓力脈動(dòng)特性,試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

表11 水泵壓力脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.11 Pump pressure pulsation test results

2.1.7四象限全特性試驗(yàn)

水泵四象限全特性試驗(yàn)在高空化系數(shù)下進(jìn)行,試驗(yàn)工況包括水泵工況、水泵制動(dòng)工況、水輪機(jī)工況、水輪機(jī)制動(dòng)工況、反水泵工況。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 四象限全特性試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of Four-quadrant full characteristic

2.1.8水泵反向飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)覆蓋整個(gè)運(yùn)行揚(yáng)程范圍,在高空化系數(shù)下進(jìn)行,以獲得水泵的倒轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)飛逸特性,用以檢驗(yàn)原型水泵的倒轉(zhuǎn)飛逸轉(zhuǎn)速保證值。水泵飛逸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12。由表12可知,水泵反向最大飛逸轉(zhuǎn)速滿足要求。

表12 飛逸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果Tab.12 Runaway speed test results

2.1.9軸向水推力試驗(yàn)

為測(cè)定在最大揚(yáng)程和最不利工況下的水推力,通過(guò)模型靜壓軸承測(cè)得模型水泵軸向水推力,再通過(guò)公式換算至原型,以確定原型水泵最大水推力值。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 A1558水泵軸向水推力試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Axial hydro-thrust test results for moder A1558

試驗(yàn)結(jié)果表明:在所有試驗(yàn)工況下,最大軸向水推力均滿足合同要求,有利于機(jī)組結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.1.10尺寸檢查

試驗(yàn)項(xiàng)目完成后,對(duì)模型水泵通流部件主要尺寸進(jìn)行檢查,主要包括模型水泵裝配尺寸、蝸殼裝配尺寸、肘管裝配尺寸、擴(kuò)散段尺寸等。檢查結(jié)果表明,實(shí)測(cè)尺寸與設(shè)計(jì)值偏差滿足IEC 60193-2019《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》要求。

2.2 結(jié)果分析

通過(guò)水泵模型試驗(yàn),可以總結(jié)出模型葉輪有如下特點(diǎn):① 在設(shè)計(jì)工況點(diǎn),葉輪內(nèi)流線分布較合理,流態(tài)較好;② 整個(gè)水泵運(yùn)行范圍內(nèi)效率高,效率曲線平滑,做功特性好;③ 尾水管內(nèi)流態(tài)順暢,無(wú)明顯脫流和空腔渦帶,具有良好的壓力脈動(dòng)特性,整個(gè)機(jī)組將會(huì)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性[9]。

3 結(jié) 論

(1) 本文結(jié)合重慶市渝西水資源配置工程金剛沱泵站的參數(shù)選取,探討了大型立式蝸殼離心泵選型的要點(diǎn),結(jié)合模型試驗(yàn),驗(yàn)證了選型的合理性,可為相同類型機(jī)組的選型設(shè)計(jì)提供一定的思路。

(2) 對(duì)于西部多泥沙泵站,適當(dāng)降低比轉(zhuǎn)速,有利于延長(zhǎng)水泵的抗磨蝕時(shí)間,保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí),適當(dāng)增大泵站空化系數(shù),增加埋深,可減少進(jìn)水管壓力脈動(dòng),提高機(jī)組穩(wěn)定性。

(3) 基于泥沙含量成果和泥沙磨蝕分析,對(duì)金剛沱泵站水泵過(guò)流部件的抗磨性能提出了嚴(yán)格的技術(shù)要求,優(yōu)化了葉輪材料,增加了抗磨涂層。針對(duì)金剛沱泵站汛期泥沙含量較大等問(wèn)題,水泵葉輪拆裝方式采用中拆和上拆方式,泵組技術(shù)供水系統(tǒng)取水總管設(shè)置旋流器和濾水器。

(4) 考慮到該泵站揚(yáng)程變幅較大,Hpmax/Hpmin=1.71,雖然模型試驗(yàn)結(jié)果表明水泵在低揚(yáng)程區(qū)間也能保證穩(wěn)定運(yùn)行,且從目前水文資料分析來(lái)看,長(zhǎng)江上游多座水庫(kù)的建成,調(diào)蓄了水量,改善了長(zhǎng)江水位變幅,預(yù)計(jì)泵站未來(lái)在低揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)間很短。然而,泵站在低揚(yáng)程運(yùn)行的確切時(shí)間和加權(quán)因子還是存在不確定性。因此,綜合以上幾點(diǎn)分析,目前泵站預(yù)留了變頻器安裝位置和高壓變頻器室,待遠(yuǎn)期需要變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí),可進(jìn)行相關(guān)改造。