下寨三級(jí)站流道改造的探索與研究

雷崢嶸+李堅(jiān)+楊小康

摘 要：陜西省東雷二期抽黃大型灌溉泵站位于關(guān)中東部渭北旱原臺(tái)塬區(qū)，東臨黃河，西至富平縣城，南與交口抽渭及洛惠渠灌區(qū)接壤，北到橋山腳下。灌區(qū)海拔高程385-535m，轄大荔、蒲城、富平、臨渭四縣（區(qū)）39個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），設(shè)計(jì)灌溉面積126.5萬(wàn)畝，其中，擴(kuò)灌區(qū)85.5萬(wàn)畝，補(bǔ)水灌區(qū)41萬(wàn)畝（其中交口抽渭灌區(qū)21萬(wàn)畝、洛惠渠灌區(qū)20萬(wàn)畝），設(shè)計(jì)保證率為75%。灌區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)農(nóng)民增收農(nóng)村發(fā)展呈現(xiàn)出一派生機(jī)盎然、萬(wàn)象更新的繁榮景象，取得了巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

關(guān)鍵詞：下寨三級(jí)站 流道改造 探索

中圖分類號(hào)：TV675 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082 （2017） 04-0231-01

一、工程概況

下寨三級(jí)泵站屬于東雷二期抽黃灌區(qū)樞紐站，位于蒲城縣平路廟鄉(xiāng)下寨村西南側(cè)，泵站于1993年開工建設(shè)，1997年6月試用行，2001年8月竣工驗(yàn)收。下寨三級(jí)站共安裝1200LW-60型水泵8臺(tái)，水泵配套電機(jī)功率為3550kW，安裝DFSS600-9/6型水泵2臺(tái)，水泵配套電機(jī)功率為1000kW，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程54.02m，泵站設(shè)計(jì)流量28.00m3/s，裝機(jī)總功率30400kW，供水灌溉面積80.5萬(wàn)畝，本級(jí)灌溉面積11.94萬(wàn)畝。泵站建110千伏專用變電站1座，安裝容量SFZL-31500千伏安變壓器2臺(tái)。泵站安裝10千伏站用變壓器2臺(tái)，容量500kVA，生活變壓器1臺(tái)，容量50kVA。

泵站工程建筑總面積5213.82m2，其中主廠房、副廠房面積共計(jì)3442.5m2。生活用房建筑面積1771.32m2。泵站進(jìn)水渠起點(diǎn)扭面接總干渠歸劃樁號(hào)：54+663.83處，扭面后接3孔進(jìn)水閘，閘前設(shè)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)3臺(tái)，進(jìn)水渠采用預(yù)制砼板襯砌。由于抽取水質(zhì)為黃河多泥沙水， 進(jìn)水閘后至泵站主廠房間采用單機(jī)單流道進(jìn)水，根據(jù)水泵安裝臺(tái)數(shù)，8臺(tái)立式離心泵前采用8條流道進(jìn)水，2臺(tái)臥式小流量泵前共用1條流道進(jìn)水，共計(jì)9條進(jìn)水流道，進(jìn)水流道均采用鋼筋砼壓力箱涵，涵進(jìn)口設(shè)控制閘，末端與橢圓形吸水池銜接，吸水池為鋼筋砼明池結(jié)構(gòu)。

進(jìn)水流道前控制閘共計(jì)9扇，為平板鑄鐵閘門，孔口尺寸寬×高：2.5m×2.5m。閘門啟閉采用單孔螺桿式啟閉機(jī)9臺(tái)，型號(hào)為L(zhǎng)QD-15T。

二、存在主要問題

下寨泵站更新改造工程于2014年9月開工，目前壓力管道、廠房等房建、電氣設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)，以及兩臺(tái)小機(jī)組等改造工程進(jìn)行的都比較順利，有些基本完工。2015年1月完成兩臺(tái)1200LW立式蝸殼泵及電動(dòng)機(jī)改造安裝，并在冬、春、夏灌中投入運(yùn)行，陜西省泵（電）測(cè)試中心與東方泵廠分別進(jìn)行了兩次水泵性能測(cè)試，經(jīng)測(cè)試，新改造水泵及未改造水泵均存在嚴(yán)重的流量衰減問題，未改造泵伴有明顯的振動(dòng)、噪音，新改造泵機(jī)組的振動(dòng)和噪音問題基本解決，但這兩臺(tái)新水泵機(jī)組出現(xiàn)了明顯的氣蝕聲。

當(dāng)水位壅高1.0～1.5m時(shí)，汽蝕、噪音和振動(dòng)問題有所緩解。當(dāng)吸水池在設(shè)計(jì)水位時(shí)，機(jī)組汽蝕、振動(dòng)和噪音很嚴(yán)重，運(yùn)行狀況很差，幾乎到了不能運(yùn)行的狀態(tài)。致使下寨泵站機(jī)組改造陷入困境，嚴(yán)重制約了下寨泵站改造工程的順利實(shí)施。

三、改造的必要性和可行性

1.改造的必要性

下寨泵站流道改造包括吸水池和進(jìn)水流道。吸水池為橢圓形，進(jìn)水流道為2.5m×2.0m的壓力箱涵，壓力箱涵出口與吸水池底部連接。由于壓力箱涵進(jìn)口淹沒不充分，進(jìn)口水位在設(shè)計(jì)水位及以下時(shí)，水面不斷旋轉(zhuǎn)，常常發(fā)生漏斗型汽柱進(jìn)入箱涵。流入橢圓形吸水池的水體大量摻汽，池內(nèi)水流上下翻滾，少部分氣體排出，仍有大量摻汽水體進(jìn)入水泵。水流紊動(dòng)嚴(yán)重，流態(tài)太差，影響到水泵進(jìn)水管道中水流的穩(wěn)定性和水泵抽水的穩(wěn)定性，造成水泵汽蝕、振動(dòng)破壞、噪聲超標(biāo)。根據(jù)下寨三級(jí)站多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水泵必須在流道前高水位（高于設(shè)計(jì)水位1.0m）情況下才能正常運(yùn)行，當(dāng)進(jìn)水水位降至設(shè)計(jì)水位及以下時(shí)，壓力箱涵進(jìn)口出現(xiàn)旋渦就難以運(yùn)行。

目前，下寨水泵機(jī)組必須在壅高吸水池水位的情況下才能正常運(yùn)行，在設(shè)計(jì)水位時(shí)由于流道為壓力流，進(jìn)入水泵吸水池的水流流態(tài)更加惡化，產(chǎn)生旋渦，導(dǎo)致水泵不能正常運(yùn)行。

由于下寨三級(jí)站運(yùn)行水位一般均在相應(yīng)流量設(shè)計(jì)水位的基礎(chǔ)上壅高1～1.5m，導(dǎo)致洛河渡槽下游渠道水位整體抬高，渠道水面比降變緩，流速減小。要保證洛河渡槽改造后達(dá)到設(shè)計(jì)過流能力，下寨三級(jí)泵站水泵吸水池水位不得高于相應(yīng)流量的設(shè)計(jì)水位。

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010）要求，水泵進(jìn)水池（吸水池）流態(tài)應(yīng)平穩(wěn)，不得出現(xiàn)水流翻滾、渦流等現(xiàn)象。水泵吸水池流態(tài)平穩(wěn)、均勻，有利于改善水泵的運(yùn)行性能。

綜合以上三方面因素，對(duì)下寨站流道進(jìn)行改造，改善吸水池流態(tài)是非常必要的。

2.改造的可行性

2015年9月，東雷二期抽黃灌區(qū)泵站更新改造辦公室對(duì)下寨三級(jí)站7～9號(hào)流道進(jìn)行了試驗(yàn)性改造，改造后經(jīng)檢測(cè)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

四、東雷三級(jí)站—下寨泵站CFD計(jì)算分析結(jié)果

2016生11月，渭南市東雷二期抽黃灌區(qū)泵站更新改造項(xiàng)目辦公室委托中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心對(duì)下寨三級(jí)站流道改造前后泵站進(jìn)水系統(tǒng)進(jìn)行CFD計(jì)算分析，其計(jì)算分析結(jié)論如下：

1.對(duì)于原壓力箱涵流道，吸水池淹沒深度較小，在吸水池中產(chǎn)生吸入渦，帶入大量的氣體，快速進(jìn)入到箱涵式進(jìn)水流道中，同時(shí)箱涵式進(jìn)水流道出口的水流來不及將氣體排出，就直接快速進(jìn)入進(jìn)水管路并進(jìn)入水泵中，是水泵流量衰減的一個(gè)重要原因。

2.當(dāng)箱涵式進(jìn)水流道改為明渠進(jìn)水流道后，進(jìn)水渠道和進(jìn)水流道的流動(dòng)明顯改善，整體流動(dòng)較為平穩(wěn)，光順，在進(jìn)水渠道中，底部的低速旋渦區(qū)也基本消失，因此進(jìn)水渠道的泥沙淤積現(xiàn)象再改為明渠進(jìn)水流道后，也會(huì)有明顯的改善。但是在吸水池中，有明顯的大范圍旋渦流動(dòng)，從吸水池的流線圖分布中，也可以看出，吸水池的表面也會(huì)形成大小不一的旋渦流動(dòng)并一直延伸至進(jìn)水管路進(jìn)口，特別是在最低水位時(shí)，吸水池的吸入渦則更為明顯，也會(huì)帶入部分的空氣進(jìn)入到進(jìn)水流道并進(jìn)入到水泵進(jìn)口中。因此，可以說明，流道改造后，特別是在低水位運(yùn)行時(shí)，吸水池吸入渦的產(chǎn)生是流量衰減的重要原因。

3.通過進(jìn)一步對(duì)改進(jìn)方案的計(jì)算說明，在吸水池底部加導(dǎo)流墩后，吸水池內(nèi)的吸入渦將明顯減弱，有助于進(jìn)一步改善下寨泵站的流量衰減問題。

從水泵吸水池進(jìn)水流道改造后的水流流態(tài)、水泵的抽水性能及CFD計(jì)算分析看，流道改造后，水泵的運(yùn)行都有明顯的改善，因此，水泵吸水池流道的改造對(duì)確保吸水池流態(tài)平穩(wěn)、順暢、流速均勻及改善提高水泵的運(yùn)行性能都是很有必要的，而且是切實(shí)可行的。