已建引黃泵站水泵運(yùn)行效率提高途徑研究

李雪轉(zhuǎn) 吳爭(zhēng)兵

摘要：為了提高已建引黃取水泵站的水泵運(yùn)行效率，對(duì)泵站進(jìn)行科學(xué)管理，通過(guò)收集夾馬口引黃取水一級(jí)泵站運(yùn)行資料和多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，分析了灌溉水含沙量時(shí)夾馬口引黃泵站水泵效率、出水流量、能源單耗、水泵部件磨損的影響。從提高水泵過(guò)流部件光潔度、減少過(guò)泵的含沙量、及時(shí)檢（維）修設(shè)備、嚴(yán)格運(yùn)行管理、優(yōu)化調(diào)度等方面，提出了提高水泵運(yùn)行效率的途徑。

關(guān)鍵詞：水泵運(yùn)行效率；能源單耗；途徑；已建引黃泵站

中圖分類號(hào)：TV675 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.026

山西省夾馬口引黃工程一級(jí)取水泵站受地形條件限制，工程設(shè)計(jì)時(shí)未考慮泥沙處理和沉沙方案，加上取水河段為黃河小北干流的中段，河床淤積嚴(yán)重、河勢(shì)不穩(wěn)，黃河水流的含沙量較高，泵站運(yùn)行時(shí)常有大量的泥沙淤積在前池內(nèi)，直接影響水泵、管路及泵站裝置效率。

筆者在該引黃泵站多年運(yùn)行資料的基礎(chǔ)上，利用科學(xué)方法，分析影響水泵運(yùn)行效率的主要因素，提出提高已建引黃泵站水泵運(yùn)行效率的途徑與對(duì)策。

1 含沙量對(duì)水泵運(yùn)行效率的影響

1.1 進(jìn)水池淤積泥沙對(duì)水泵效率的影響

進(jìn)水池內(nèi)的泥沙淤積是影響水泵運(yùn)行效率的一個(gè)主要因素，夾馬口一級(jí)引黃取水泵站的進(jìn)水池為開(kāi)敞式，直接與水源工程的引水渠道相連接，在泵站運(yùn)行期間，在進(jìn)水池容易形成一定壅水，導(dǎo)致渠道流速減緩、泥沙沉積，并且越積越厚。

在泵站運(yùn)行過(guò)程中，泵站流量是根據(jù)灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)田作物需水量的多少來(lái)確定的，泵站運(yùn)行時(shí)常常只有部分水泵運(yùn)行。在經(jīng)常運(yùn)行幾臺(tái)水泵的進(jìn)口處容易形成相應(yīng)的漏斗狀進(jìn)水池，而在不經(jīng)常運(yùn)行的水泵進(jìn)口處會(huì)逐漸被泥沙淤積堵塞。中間幾臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)能夠保持正向進(jìn)水，而兩邊的水泵因泥沙淤積而自然地形成了側(cè)向進(jìn)水。泥沙淤積不僅減小了進(jìn)水池的容量，而且改變了部分水泵的進(jìn)水條件。處于進(jìn)水池兩側(cè)的水泵機(jī)組，在泥沙淤積影響下水泵進(jìn)水條件受到限制，致使水泵葉輪兩側(cè)進(jìn)水不平衡，一邊發(fā)生嚴(yán)重的汽蝕、磨蝕，另一邊相對(duì)較好，使水泵的運(yùn)行常處于不平穩(wěn)狀態(tài)，影響水泵的運(yùn)行效率。在灌溉結(jié)束后，在進(jìn)水池中又會(huì)淤積大量的泥沙，在下一次泵站運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水池淤積的泥沙又極易進(jìn)入抽水泵體，磨損水泵部件，大幅度降低水泵運(yùn)行效率。

1.2 泥沙含量對(duì)水泵出水流量的影響

夾馬口引黃一級(jí)取水泵站共有12臺(tái)機(jī)組，水泵是單級(jí)雙吸臥式離心泵，從北到南按一字形排列布置，由3種型號(hào)組成，1#～7#是800S-76型水泵，8#是24SAP-10型水泵，9#～12#是1200S-76型水泵。其中5#、6#水泵布置在廠房的中間位置，受進(jìn)水池淤積泥沙的影響較小、每年運(yùn)行的總時(shí)間最多，一般能保證其水流是正向進(jìn)水。在分析夾馬口一級(jí)取水泵站2013-2015年（480d）實(shí)際運(yùn)行資料的基礎(chǔ)上，選取2014年春季5#水泵（額定流量Q額=2.5m3/s，額定揚(yáng)程H額=75.0m）部分運(yùn)行資料（見(jiàn)表1），分析泥沙含量對(duì)水泵運(yùn)行效率的影響。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)分析，5#水泵出水流量Q單機(jī)與灌溉水含沙量W沙的關(guān)系見(jiàn)圖1。建立的單機(jī)出水流量與含沙量（W沙<6kg/m3）的關(guān)系式為

Q單機(jī)=2.354-0.088W沙（相關(guān)系數(shù)為0.7249）

由圖1可以看出：灌溉水含沙量高時(shí)，單機(jī)出水流量較小；含沙量低時(shí)，單機(jī)出水流量較大?？梢?jiàn)，灌溉水含沙量對(duì)水泵單機(jī)出水流量影響較大，二者具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此導(dǎo)致水泵的運(yùn)行效率降低。水泵平均單機(jī)組能源單耗e與灌溉水含沙量之間的關(guān)系見(jiàn)圖2，擬合的關(guān)系式為

e=0.243+0.009W沙（相關(guān)系數(shù)為0.7342）

由圖2可以看出，灌溉水中的含沙量越低，單方水耗電量越小；含沙量越高，單方水耗電量越大。說(shuō)明在凈揚(yáng)程一定的情況下，單方水耗電量隨著含沙量的提高而增大，即含沙量越高，水泵運(yùn)行耗能越大，相應(yīng)地水泵運(yùn)行效率越低，泵站的裝置效率越低。王建國(guó)[2]研究表明，含沙量越高，泵站裝置效率越低。

1.3 泥沙含量對(duì)水泵能源單耗的影響

能源單耗是反映泵站機(jī)泵配套、設(shè)備效率和機(jī)組運(yùn)行工況等情況的一項(xiàng)綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[1]。本文能源單耗是指在凈揚(yáng)程一定的條件下，將1m3水提高到指定揚(yáng)程所需要消耗的電量，即單方水耗電量。根據(jù)夾馬口一級(jí)取水泵站運(yùn)行資料（見(jiàn)表1）統(tǒng)計(jì)分析，在不同工況運(yùn)行條件下，夾馬口一級(jí)取水泵站5#

1.4 泥沙含量對(duì)水泵部件磨損的影響

據(jù)有關(guān)分析測(cè)定，在潼關(guān)—三門(mén)峽區(qū)段黃河泥沙中礦物成分石英、長(zhǎng)石含量占95%，因此夾馬口引黃泵站引取的黃河水中沙粒硬度大、棱角多。由于農(nóng)業(yè)灌溉用泵的過(guò)流部件大都為鑄鐵鑄造，抗泥沙磨蝕的能力較差，因此水泵葉輪等過(guò)流部件磨蝕嚴(yán)重。

水流含沙量高、硬度大，葉輪磨損得快，在運(yùn)行過(guò)程中不可能按照要求隨時(shí)更換，導(dǎo)致水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件間隙加大，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致水泵提前報(bào)廢。隨著泵站運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，泥沙作用使得水泵過(guò)流部件表面的磨蝕、汽蝕等更加嚴(yán)重，這樣不僅改變了水泵流道水力形態(tài)，降低其表面精度，而且水泵密封環(huán)間隙變大，水泵的出水量減小，導(dǎo)致水泵運(yùn)行效率下降。

2 提高水泵運(yùn)行效率的途徑

引黃泵站水泵運(yùn)行效率主要受含沙量和運(yùn)行管理的影響，結(jié)合夾馬口引黃取水泵站多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，要提高引黃泵站水泵運(yùn)行效率主要有以下途徑。

2.1 提高水泵過(guò)流部件光潔度

引黃取水泵站水泵運(yùn)行效率取決于水泵結(jié)構(gòu)、制造水平、運(yùn)行工況和使用條件等。首先，水泵選型應(yīng)滿足其流量、揚(yáng)程等要求，確保水泵在高效區(qū)運(yùn)行；其次，在已建泵站的水泵運(yùn)行過(guò)程中，要確保過(guò)流部件表面光潔，如果葉輪表面粗糙，水泵效率就會(huì)明顯下降。對(duì)于已建引黃泵站，要對(duì)已磨損的葉輪及時(shí)進(jìn)行噴鍍或涂敷修補(bǔ)，提高其過(guò)流部件的光潔度。例如夾馬口引黃泵站及時(shí)對(duì)葉輪磨蝕處噴涂Ni60（自熔合金粉末），水泵運(yùn)行效率大大提高。

2.2 減少過(guò)泵水流的泥沙含量

泥沙含量是影響水泵運(yùn)行效率的主要因素，為了減少過(guò)泵水流的泥沙含量，可采取以下措施。

（1）引取水過(guò)程沉沙。對(duì)于水源水位變幅大、底沙多的河段，一方面可采用纜車或浮船、浮泵引取表層水，減少取水中的泥沙；另一方面，可利用長(zhǎng)距離的引水渠道作為沉沙池，一邊引水輸送，一邊進(jìn)行沉沙，減少引取水中的泥沙。例如夾馬口引黃工程就是采用這兩種方法減少水體中的泥沙的。利用浮體泵站始終引取黃河的表層清水，然后通過(guò)8km的引水渠道輸送到取水泵站的進(jìn)水池，在輸送過(guò)程中進(jìn)行沉沙，引到進(jìn)水池中水的含沙量大大降低。

（2）保持進(jìn)水池流態(tài)平穩(wěn)。為減少進(jìn)水池泥沙淤積，應(yīng)選擇合適的取水口、進(jìn)水池形狀和尺寸，使進(jìn)入水泵的水流流態(tài)穩(wěn)定，保證水泵高效運(yùn)行。取水口宜設(shè)在河流凹岸中點(diǎn)偏下游較遠(yuǎn)的直段處，進(jìn)水閘宜采取與水流岸邊齊平或稍向外突出的布置方式。進(jìn)水池應(yīng)該緊靠閘門(mén)，并且設(shè)置隔墻，采取單機(jī)、單池、單水閘進(jìn)行控制，減少進(jìn)水池中的泥沙淤積。對(duì)已經(jīng)建成的泵站，如果進(jìn)水池流態(tài)不穩(wěn)，可在進(jìn)水管周圍加裝導(dǎo)流隔板，使水流暢通，流態(tài)均勻，進(jìn)入水泵的泥沙減少。

（3）及時(shí)清理進(jìn)水池淤積泥沙。對(duì)于泥沙淤積嚴(yán)重的進(jìn)水池，在泵站運(yùn)行前，采用人工或機(jī)械進(jìn)行清淤，清除上一次泵站運(yùn)行時(shí)淤積在進(jìn)水池中的泥沙，盡量使過(guò)泵泥沙的含量不超過(guò)5%。這樣不僅可以減少進(jìn)水池中的泥沙，而且可以增大進(jìn)水池的容量，使進(jìn)入水泵的水流平穩(wěn)，保證運(yùn)行水泵正向進(jìn)水。

2.3 及時(shí)進(jìn)行設(shè)備檢（維）修

及時(shí)進(jìn)行檢（維）修是水泵高效運(yùn)行的保障。引起水泵效率下降的因素主要有機(jī)械損失、容積損失和水力損失等。水泵機(jī)械損失與填料密封裝置摩擦損失、葉輪前蓋板表面與液體之間的圓盤(pán)摩擦損失、軸承的摩擦損失等有關(guān)。水力損失與水流通過(guò)水泵時(shí)水力摩擦損失和水力沖擊、脫流、速度變化等引起的損失有關(guān)。引黃泵站引起水泵效率下降的主要原因是容積損失，檢修中應(yīng)控制口環(huán)間隙值，在確保不卡阻的前提下，口環(huán)間隙應(yīng)較小。如夾馬口一級(jí)取水泵站3種泵型口環(huán)間隙控制在0.8mm以下。

2.4 嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)行管理規(guī)程

嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)行管理規(guī)程，做好水泵機(jī)組運(yùn)行前的排氣，填料密封裝置的調(diào)整，運(yùn)行中流量、效率的監(jiān)測(cè)等。做好出水閥門(mén)的關(guān)閉位置檢查，確保閥門(mén)關(guān)閉到位，無(wú)回水現(xiàn)象。保持進(jìn)水池高水位運(yùn)行，降低水泵實(shí)際工作揚(yáng)程，增加水泵吸水管的淹沒(méi)深度，改善水泵吸水條件和進(jìn)水流態(tài)，能夠使泵站運(yùn)行處于最佳狀態(tài)。另外，應(yīng)及時(shí)清理攔污柵，保持水流通暢。

2.5 優(yōu)化水泵機(jī)組運(yùn)行模式

適時(shí)掌握黃河水含沙量的變化情況，確保水泵在允許含沙量條件下運(yùn)行。根據(jù)《泵站技術(shù)管理規(guī)程》（SL255-2000），含沙量>8%時(shí)，會(huì)造成水泵流量減小、效率降低，并加劇水泵過(guò)流部件的磨蝕。因此，水泵應(yīng)盡可能避開(kāi)高含沙量條件運(yùn)行。對(duì)于已建的引黃泵站，在水泵允許含沙量條件下，張玉勝等[3]根據(jù)多年實(shí)際運(yùn)行資料，通過(guò)數(shù)值模擬多臺(tái)水泵在不同條件下的運(yùn)行工況，確定不同出水流量時(shí)最優(yōu)運(yùn)行工況，提出優(yōu)化運(yùn)行模式，提高泵站裝置效率，對(duì)于同一泵站、同一型號(hào)的水泵因運(yùn)行時(shí)間不同、過(guò)流零部件汽蝕磨蝕損壞程度不同導(dǎo)致的效率不同，應(yīng)優(yōu)先運(yùn)行效率較高的水泵。

參考文獻(xiàn)：

[1]許俊俠.抽水泵站能源單耗偏高的原因及改進(jìn)措施[J].陜西水利，2008（3）：59.

[2]王建國(guó).夾馬口灌區(qū)泥沙問(wèn)題及處理措施[J].山西水利科技，2004（1）：34-35.

[3]張玉勝，吳建華，李雪轉(zhuǎn)，等.夾馬口取水泵站節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].人民黃河，2016，38（7）：142-144.