大型立式蝸殼離心泵主要參數(shù)選擇及模型試驗

錢 瑭,岳志偉,杜博聞

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,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、高揚程、寬變幅方向發(fā)展[2]。目前國內(nèi)在大型立式蝸殼離心泵領(lǐng)域的研究并不多,已有的成果包括過渡過程計算分析及水錘防護等[3],但是對于水泵參數(shù)選取以及水力開發(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,泵站重要等級高,引用流量大、揚程變幅大,且汛期過機泥沙含量較高,含沙水流對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。本文針對金剛沱泵站的特點,探討選擇合適的泵型和參數(shù),并將水泵參數(shù)提供給主機制造廠家用以開發(fā)模型,開展模型試驗,以驗證參數(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)濟性和運行的安全可靠性。水泵主要技術(shù)參數(shù)的選擇應(yīng)在確保機組穩(wěn)定安全可靠的前提下,使水泵的性能符合國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平,并且參數(shù)之間達到總體的最優(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),泵站從長江取水,經(jīng)引水管自流入進水井,由泵站提水后通過出水隧洞入圣中水庫,再向東干線、西干線分水。泵站設(shè)計流量為28.60 m3/s,設(shè)計揚程為75.0 m,裝機容量為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 機組型式及機組臺數(shù)的確定

本泵站設(shè)計流量為28.6 m3/s,揚程范圍45～77 m,設(shè)計揚程為75 m,可供選擇的泵型有臥式單級雙吸離心泵和立式單級單吸離心泵。立式單級單吸離心泵結(jié)構(gòu)簡單,導(dǎo)軸承、推力軸承結(jié)構(gòu)在水輪機、抽水蓄能泵上使用廣泛,設(shè)計、制造工藝成熟,在國內(nèi)外大型泵站應(yīng)用廣泛,國內(nèi)運行管理經(jīng)驗豐富。臥式單級雙吸離心泵結(jié)構(gòu)緊湊,廠房為單層結(jié)構(gòu),電機與水泵同層布置,拆卸、檢修維護相對較方便,在小型水輪機和燈泡貫流機組使用廣泛,但是部件表面加工要求高,制造加工難度大,目前已投運行的工程實例少[5]。經(jīng)調(diào)研,國內(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,國內(nèi)水泵廠家生產(chǎn)制造此種規(guī)格水泵的經(jīng)驗不足,不確定性高。該泵站作為工程首級水源泵站,運行小時數(shù)和供水保證率要求高,為保證水泵高效安全穩(wěn)定運行,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)簡單,設(shè)計、制造工藝成熟,難度小的立式單級單吸離心泵[6]。

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

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程類似泵站的水泵參數(shù),與該泵站揚程接近的水泵比轉(zhuǎn)速在112.65～180.07 m·m3/s,其中與泵站水泵揚程基本相同的萬家寨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程特點,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)計公式計算成果,不同裝機臺數(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,泵站在沖淤平衡計算最惡劣條件下,汛期月最大泥沙含量達0.669 kg/m3,考慮到泵站水泵年利用小時數(shù)達到6 694 h,為減小泥沙磨損,不宜選用過高的轉(zhuǎn)速。結(jié)合機電及土建可比投資進行比較,確定選擇裝機3+1臺方案,水泵轉(zhuǎn)速確定為375 r/min,設(shè)計工況點的比轉(zhuǎn)速為165.8 m·m3/s。

1.4 空化特性要求

水泵空化特性試驗應(yīng)在規(guī)定的揚程、進水池水位、輸出功率范圍條件下進行。臨界空化系數(shù)σ1定義為隨著吸出水頭的減少,效率低于無空化工況效率1%時的空化系數(shù)。初生空化系數(shù)σi按2 個葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡考慮。汛期泥沙含量較大,機組運行穩(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,可減少進水管壓力脈動,提高機組穩(wěn)定性。在水泵安裝高程為174 m,100%額定轉(zhuǎn)速下,整個揚程范圍內(nèi)水泵空化裕量應(yīng)滿足[7]:

(1) 揚程60～77 m:σp/σ1≥1.5,σp/σi≥1.1;

(2) 揚程55～60 m:σp/σ1≥1.1;

(3) 揚程45～55 m:保證穩(wěn)定運行;

(4) 如投入變頻運行:全揚程范圍內(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

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

2.1 試驗工況

2.1.1模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)

模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表3。

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

2.1.2試驗臺介紹

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

2.1.3儀器儀表標(biāo)定

模型試驗前,分別對流量計、力矩傳感器、水頭傳感器、尾水位傳感器等進行了現(xiàn)場原位標(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

水泵效率試驗在1 000 r/min條件下進行,覆蓋水泵整個運行范圍進行完整的水泵效率特性試驗。對最優(yōu)效率點進行了10次重復(fù)測量,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)點效率試驗Tab.4 Optimal efficiency test of pump %

(2) 水泵設(shè)計點效率。模型設(shè)計點效率見表5,原型額定點效率見表6。由表5和表6可知,模型和原型設(shè)計點效率值滿足保證值要求。

表5 模型設(shè)計點效率試驗Tab.5 Design point efficiency test of model

表6 原型額定點效率Tab.6 Design point efficiency test of prototype

(3) 加權(quán)平均效率。對水泵工況全部加權(quán)因子點進行了試驗,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Tab.7 Weighted average efficiency test %

(4) 水泵最大入力。額定轉(zhuǎn)速條件下,對原型水泵最大入力(50 Hz)進行了試驗。試驗結(jié)果見表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。水泵工況效率試驗中,在最大揚程下、頻率為49.8 Hz和50.0 Hz時檢查水泵駝峰區(qū)裕度,試驗結(jié)果見表9。由表9可知,水泵駝峰裕度均未超過上限值,滿足要求。

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

2.1.5水泵空化特性試驗

在對試驗用水進行排氣運行之后,進行空化試驗以確認(rèn)水泵初生空化系數(shù)(σi)和臨界空化系數(shù)(σ1),空化試驗結(jié)果如表10所示。由表10可知,在水泵正常運行范圍(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;在揚程Hp=45～55 m范圍內(nèi),水泵可穩(wěn)定運行。表明水泵在較高揚程下運行時(靠近設(shè)計工況點),空化系數(shù)的裕量較大,可以保證機組的安全穩(wěn)定運行[8]。

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

2.1.6水泵壓力脈動試驗

壓力脈動測量在水泵運行范圍內(nèi)及泵站裝置空化系數(shù)下進行。需要測量葉輪進出口壓力脈動的幅值和頻率。傳感器布置如圖1所示。在水泵進口前的錐管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個測點。

圖1 壓力脈動測點示意Fig.1 Schematic of pressure pulsation measuring points

在泵站空化系數(shù)下,在水泵特征揚程Hp=75 m、Hp=68 m、Hp=60 m和Hp=50 m進行壓力脈動試驗。水泵壓力脈動試驗結(jié)果見表11。由表11可知,在水泵正常運行范圍內(nèi),無明顯脫流和空腔渦帶,具有良好的壓力脈動特性,試驗結(jié)果滿足要求。

表11 水泵壓力脈動試驗結(jié)果Tab.11 Pump pressure pulsation test results

2.1.7四象限全特性試驗

水泵四象限全特性試驗在高空化系數(shù)下進行,試驗工況包括水泵工況、水泵制動工況、水輪機工況、水輪機制動工況、反水泵工況。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 四象限全特性試驗結(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

飛逸轉(zhuǎn)速試驗覆蓋整個運行揚程范圍,在高空化系數(shù)下進行,以獲得水泵的倒轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)飛逸特性,用以檢驗原型水泵的倒轉(zhuǎn)飛逸轉(zhuǎn)速保證值。水泵飛逸試驗結(jié)果見表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)速試驗結(jié)果Tab.12 Runaway speed test results

2.1.9軸向水推力試驗

為測定在最大揚程和最不利工況下的水推力,通過模型靜壓軸承測得模型水泵軸向水推力,再通過公式換算至原型,以確定原型水泵最大水推力值。試驗結(jié)果見圖3。

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

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

2.1.10尺寸檢查

試驗項目完成后,對模型水泵通流部件主要尺寸進行檢查,主要包括模型水泵裝配尺寸、蝸殼裝配尺寸、肘管裝配尺寸、擴散段尺寸等。檢查結(jié)果表明,實測尺寸與設(shè)計值偏差滿足IEC 60193-2019《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗規(guī)程》要求。

2.2 結(jié)果分析

通過水泵模型試驗,可以總結(jié)出模型葉輪有如下特點:① 在設(shè)計工況點,葉輪內(nèi)流線分布較合理,流態(tài)較好;② 整個水泵運行范圍內(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,無明顯脫流和空腔渦帶,具有良好的壓力脈動特性,整個機組將會具有良好的運行穩(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,結(jié)合模型試驗,驗證了選型的合理性,可為相同類型機組的選型設(shè)計提供一定的思路。

(2) 對于西部多泥沙泵站,適當(dāng)降低比轉(zhuǎn)速,有利于延長水泵的抗磨蝕時間,保障機組的安全穩(wěn)定運行。同時,適當(dāng)增大泵站空化系數(shù),增加埋深,可減少進水管壓力脈動,提高機組穩(wěn)定性。

(3) 基于泥沙含量成果和泥沙磨蝕分析,對金剛沱泵站水泵過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。針對金剛沱泵站汛期泥沙含量較大等問題,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) 考慮到該泵站揚程變幅較大,Hpmax/Hpmin=1.71,雖然模型試驗結(jié)果表明水泵在低揚程區(qū)間也能保證穩(wěn)定運行,且從目前水文資料分析來看,長江上游多座水庫的建成,調(diào)蓄了水量,改善了長江水位變幅,預(yù)計泵站未來在低揚程運行時間很短。然而,泵站在低揚程運行的確切時間和加權(quán)因子還是存在不確定性。因此,綜合以上幾點分析,目前泵站預(yù)留了變頻器安裝位置和高壓變頻器室,待遠期需要變頻調(diào)速運行時,可進行相關(guān)改造。