軸流水泵在雙合抽水站運(yùn)行工況分析

孫淑云

（陜西省禮泉縣水利工作隊(duì) 陜西禮泉 713200）

在水泵運(yùn)行與管理中，為了最大限度發(fā)揮水泵運(yùn)行效益，經(jīng)常采用多臺水泵并聯(lián)形式運(yùn)行，以便最大化發(fā)揮水泵性能。所以說研究單臺水泵運(yùn)行工況顯得尤為關(guān)鍵。本文通過對雙合抽水站進(jìn)水流道水位、出水池水位校核、軸流泵葉片安放角度等要素的計(jì)算，分析了16CJ-80型水泵(轉(zhuǎn)輪型號為I19的軸流水泵)在雙合抽水站運(yùn)行工況。

1 雙合抽水站概況

雙合抽水站是利用寶雞峽泔河水庫為水源修建的中型電力提灌工程，屬二級抽水，灌區(qū)有干渠1條，長11 km，斗渠27條,總長33 km，農(nóng)渠292條，總長43.8 km。干渠沿線建有坡李抽水站、前山抽水站、前山趙抽水站、高家抽水站等4座，小高抽渠道長度12 km，控制面積360 hm2。目前雙合灌區(qū)設(shè)施灌溉面積1 400 hm2，有效灌溉面積973 hm2，涉及趙鎮(zhèn)、昭陵兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的15個(gè)行政村，受益農(nóng)業(yè)人口1.3萬人。其中雙合抽水站裝機(jī)容量987 kW，地形揚(yáng)程為58 m，安裝高郵水泵廠生產(chǎn)的16CJ一80型全調(diào)節(jié)軸流泵4臺，研究其軸流水泵工況性能可以為抽水站在抗旱為農(nóng)服務(wù)的關(guān)鍵時(shí)刻實(shí)現(xiàn)水泵并聯(lián)形式運(yùn)轉(zhuǎn)、最大化發(fā)揮水泵性能提供科學(xué)依據(jù)。

2 對雙合抽水站進(jìn)水流道水位分析

2.1 進(jìn)水閘前水位統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)抽水站1991—2008年的閘前河道水位觀測資料，統(tǒng)計(jì)32個(gè)灌季的閘前水位觀測記錄有1 067次，其中：冬灌水位222次，春灌水位513次，夏灌水位323次，考慮到現(xiàn)有觀測資料局限性，故采用累計(jì)頻率計(jì)算法對現(xiàn)有水位資料進(jìn)行概略分析，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，各灌季在50%、75%、80%和95%頻率下的閘前水位分別如表1所示，又雙合抽水站灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉保證率為75%，而75%與80%頻率下的閘前水位接近（僅差0.05 m），因此最低水位分別按50%、80%和95%頻率考慮，抽水站灌季進(jìn)水閘前水位最低水位分別為351.73 m、351.34 m和351.12 m。

表1 不同頻率條件下進(jìn)水閘前水位

2.2 進(jìn)水流道水位分析

由于雙合抽水站進(jìn)水池?zé)o水位實(shí)測資料，在此可根據(jù)進(jìn)水閘前水位進(jìn)行推算。根據(jù)現(xiàn)場多年觀察，前池水位較進(jìn)水閘前水位約低0.30～0.60 m。按最不利情況，取進(jìn)水閘至進(jìn)水池間的水頭損失為0.50 m，則頻率為50%、80%和95%時(shí)，雙合抽水站進(jìn)水池水位分別為351.23 m、350.84 m、350.62 m。

2.3 出水池水位確定

由于雙合抽水站是以寶雞峽泔河水庫為水源的電力提灌工程，工程引水閘設(shè)在禮泉縣雙合泔河河道1 km處，渠首中心線與泔河主流夾角75°，進(jìn)水閘底板高程比泔河枯水位低4.05 m，比汛期河槽最深點(diǎn)低3.3 m，能在最不利的泔河低水位甚至是脫流情況下也能滿足抽水站引水要求。又因?yàn)殂锖铀沉看?，對水泵磨蝕較為嚴(yán)重，管理單位在隧洞出口修建三個(gè)排沙漏斗，漏斗輸沙道出口底板高程最低為351.50 m，由此推算雙合抽水站出水池水位應(yīng)為358 m，而出水池實(shí)際最高水位356.86 m,最低水位356.46 m,按最低水位356.46 m計(jì)，出水池水位應(yīng)需提高1.54 m，以達(dá)到水泵正常運(yùn)行之需要。

3 水泵葉片安放角位確認(rèn)

軸流泵工作原理是水泵葉片下表面曲率大于上表面，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)，流經(jīng)葉片下表面的水流速度必然高于上表面，因此，下表面的壓力要低于上表面，由于這個(gè)壓力差的存在，水對葉片產(chǎn)生一向下的壓力，而高速旋轉(zhuǎn)的葉片將對水產(chǎn)生一向上的推力使之上升，由于水流基本上沿著軸向流過葉輪，完成抽水工作。雙合抽水站軸流泵經(jīng)過改造，水泵葉片改為定漿式，其安放角位分別根據(jù)《多泥沙河流大型抽水站軸流泵技改實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)鑒定文件》和《陜西省禮泉縣雙合抽水站現(xiàn)場測試報(bào)告》進(jìn)行分析，改造后的水泵安放角位應(yīng)該在-4°～0°之間，為了確定改造后水泵的實(shí)際安放角，其具體計(jì)算方法和過程如下所述。

3.1 管道水頭損失

沿程水頭損失為h沿=10.29(n2L/d5.33)Q2，其中：鋼管糙率n取0.015，管道直徑d=1.8m，管道長度 L=5.7m，則：h沿=0.000575Q2；局部水頭損失為 h局=0.183ξ局（Q2/d4），局部損失主要數(shù)值為：進(jìn)水口ξ取0.3、肘管按光滑90°彎管ξ取0.44、60°彎管ξ取0.295、伸縮節(jié)ξ取0.3、出水口ξ取1.0，以上數(shù)值因資料有限，局部損失等系數(shù)可能與實(shí)際稍微有差異，但對其損失計(jì)算影響并不大。經(jīng)過計(jì)算得出：h局=0.0197Q2；管路總水頭損失方程為 h損=h沿+h局=0.02028Q2。

3.2 分析水泵實(shí)際性能曲線

16CJ-80型水泵性能曲線圖來源于2002年4月中國水科院機(jī)電研究所對部分改造機(jī)組的《多泥沙河流大型抽水站軸流泵技改實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)鑒定文件》，而抽水站實(shí)際運(yùn)行測試數(shù)據(jù)來源于山西抽水站現(xiàn)場測試中心提供的《陜西禮泉縣雙合抽水站現(xiàn)場測試報(bào)告》，詳見表2，水泵測試結(jié)果為：當(dāng)H凈=4.729 m、Q=8.3037 m3/s時(shí)，按 h損=SQ2=0.02028Q2=0.02028×8.30372=1.398 m；h總=4.729+1.398=6.127 m，當(dāng)H凈=5.004m、Q=8.007m3/s時(shí)，h總=6.304m;當(dāng) H凈=5.59m、Q=7.5961 m3/s時(shí),h總=6.760 m。

3.3 結(jié)論

將上述三組數(shù)據(jù)結(jié)合多年實(shí)測數(shù)據(jù)與16CJ-80型水泵(性能曲線進(jìn)行對比分析可以看出：該水泵葉片安放角在-4°～0°之間，接近-2°稍向左偏移。據(jù)此可以判定雙合抽水站軸流泵水泵實(shí)際安放角應(yīng)該為-2°。

表2 禮泉縣雙合抽水站軸流泵現(xiàn)場測試技術(shù)參數(shù)

4 抽水站出水池水位抬高后水泵工作點(diǎn)校核

4.1 繪制水泵性能曲線

雙合抽水站水泵的性能曲線是在中國水科院機(jī)電研究所提供的I19型軸流泵轉(zhuǎn)輪（ns=680）和與之配套的C23型導(dǎo)葉水力模型的性能曲線圖基礎(chǔ)上，根據(jù)改造泵提供的性能參數(shù)，繪制出安放角在-2°時(shí)的性能曲線。也根據(jù)其曲線推算出該泵葉片安放角β=-2°時(shí),軸流泵技術(shù)參數(shù)如表3。

表3 雙合抽水站軸流泵安放角與相關(guān)技術(shù)參數(shù)

4.2 水泵凈揚(yáng)程計(jì)算和工作點(diǎn)的確定

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,根據(jù)出水池水位和其水池水位推算，抽水站在50%、80%和95%頻率水位下，當(dāng)水泵葉片β=-20時(shí)，其凈揚(yáng)程分別為：6.77 m、7.16 m、7.38 m 和 h損=0.02028Q2。同時(shí)根據(jù)《多泥沙河流大型抽水站軸流泵技改實(shí)驗(yàn)研究技術(shù)鑒定文件》和《陜西禮泉縣雙合抽水站現(xiàn)場測試報(bào)告》相關(guān)資料及軸流泵性能曲線圖計(jì)算出各頻率水位下水泵工作點(diǎn)參數(shù)見表4。

表4 雙合抽水站各頻率水位下軸流泵泵工作點(diǎn)參數(shù)表

5 軸流泵工況結(jié)論及建議

按照排沙漏斗對雙合抽水站出水池水位的要求，通過對水泵工作點(diǎn)計(jì)算分析認(rèn)為：該泵駝峰點(diǎn)揚(yáng)程為8.3 m,當(dāng)p=50%時(shí)，實(shí)際總揚(yáng)程為7.73 m，富余揚(yáng)程為0.57 m,水泵基本能保證安全運(yùn)行，但其保證率較低；當(dāng)p=80%、p=95%時(shí)，實(shí)際總揚(yáng)程為8.02 m和8.16 m，富余揚(yáng)程僅為0.28 m和0.14 m,一旦水位稍有不利變化，水泵就可能進(jìn)入馬鞍形不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行，出現(xiàn)噪音、振動和斷流等異常現(xiàn)象，效率降低，導(dǎo)致水泵不能正常運(yùn)行。若欲滿足排沙漏斗對水頭的要求，需對雙合抽水站水泵進(jìn)行改造，即更換水泵轉(zhuǎn)輪。更換轉(zhuǎn)輪后水泵的主要參數(shù)應(yīng)滿足轉(zhuǎn)速250 r/min，配套功率不超過800 kW，水泵揚(yáng)程為8 m，流量為7～8 m3/s時(shí)，效率為76%～85%，以此使改造后的軸流水泵發(fā)揮最佳效益，為其并聯(lián)運(yùn)行提供最佳性能。