楊正東 袁 聰

（江蘇省淮安抽水二站管理所，江蘇 淮安 223200）

0 引言

淮安二站始建于1975年，裝有立式全調節(jié)軸流泵機組2 臺套，單機配套同步電機功率5000 kW，水泵葉輪直徑4.5 m，設計揚程7 m。運行多年后，由于工程設備老化日益嚴重，以及早期機組設計欠合理等歷史問題，造成機組長期處于低效區(qū)運行，性能和效率無法得到保障。在2010年開始的更新改造中，經(jīng)過重新設計選擇了新的水泵模型，新的泵型揚程降為4.89 m，因為改造的局限性，通過新舊泵型對比，水泵的輪轂比發(fā)生了變化，因此，必須對該水力模型進行改型設計。改造安裝結束后，水泵實際運行效果到底如何，效率能不能得到保證都是未知數(shù)，為了檢驗改造后機組的運行效率，在機組試運行期間對工程的各種參數(shù)進行了測試計算，并且通過實際運行效率和模型泵性能曲線進行對比［1-3］，得出了比較準確的結論，為今后大型泵站的改造測試等提供了一定的參考依據(jù)。

1 測試內容及標準

水泵裝置效率現(xiàn)場測試參數(shù)主要包括：電機輸入功率P（kW）、水泵裝置凈揚程H（m）、泵轉速n（r/min）、泵的流量Q（m3/s）等。測試標準主要參照《泵站現(xiàn)場測試規(guī)程》（SD140-85）、《水文普通測量規(guī)范》（SL58-93）、《水位觀測標準》（GBJ138-90）、《水工建筑物測流規(guī)范》（SL20-92）、《河流流量測驗規(guī)范》（GB50179-93）等［4］。

2 現(xiàn)場測試情況

測試過程中主要設備配置如表1所示。

表1 主要設備配置

2.1 揚程測量

水泵揚程為泵站上下游水位的差值，由進、出水池水尺測得。為確保測試的準確性，開機運行時，通過進水的沙莊引江閘控制下游水位，同時淮安二站附近的其他工程停止運行。因運行時，淮安二站上下游水流波動較大，上下游水位數(shù)據(jù)取自臨近的淮安一站數(shù)據(jù)，同時通過上下游翼墻處現(xiàn)有水尺斷面所示讀數(shù)和上下游超聲波水位計測量數(shù)值加以驗證。上、下游斷面水尺零點高程測量，從國家水準點，按三等水準要求進行監(jiān)測，取廢黃河口基面（凍結基面），并對監(jiān)測斷面的基本水準點、觀測水尺進行考證。儀器采用國內水準儀系列的S3級水準儀。

2.2 功率測量

同步電動機的有功功率、電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)通過主機高壓開關柜上型號為PD194PQ-2K4 的多功能電力儀表測量。

2.3 轉速測量

水泵轉速采用同步電機配套的型號為SDC-2 的電機測速儀測量。通過現(xiàn)場采集觀測，運行中實際轉速與電機額定轉速相差較小，故在實際計算中仍以額定轉速代替。

2.4 流量測量

流量測量主要采用ADCP 測流方法，ADCP 全稱Acoustic Doppler Current Profilers，中文名稱為聲學多普勒流速剖面儀，是近二三十年發(fā)展起來的一種新型測流設備。利用聲學原理，ADCP 向水體發(fā)射一組脈沖聲波，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運動的微粒后產(chǎn)生反射波，假定水體中顆粒物與水體流速相同，依據(jù)發(fā)射波與反射波之間的頻率改變（這個頻率改變即稱多普勒頻移）可計算出水流相對于ADCP 的速度。同時，向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測出ADCP 安裝平臺（測船）相對的速度矢量以及水深，然后取兩者矢量差值就是要測量的流速矢量，即水流的絕對速度［5-7］。通常ADCP 在走航測量中可以得到下列數(shù)據(jù)：

（1）相對流速（由“水跟蹤”測出）；

（2）船速（由“底跟蹤”測出，或由GPS 算出）；

（3）水深（由河底回波強度測出，類似于回聲測深儀）；

（4）船的航行軌跡（由船速和計時數(shù)據(jù)算出，或由GPS 算出）。

圖1 為ADCP 測量區(qū)域、微斷面、單元示意圖。

ADCP 流量計算用公式（1）計算：

式中：

Q—流量；

S—河流某斷面面積；

u—河流斷面某點處流速矢量；

ξ—作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；

ds—河流斷面上微元面積。

測流斷面設置在下游距翼墻邊端約4.2 m 處。圖2 為現(xiàn)場實際測試斷面圖，圖3 為斷面流速分布圖（時間為2013年3月24日10∶30，Q=114 m3/s）。

根據(jù)ADCP 現(xiàn)場測試斷面圖可以看出，水流在距測流方向0～17 m處最大水深3 m，坡度較緩，流速相對較低。隨著水深增加，流速較低，波動較小。根據(jù)斷面流速分布圖可知，測流長度大的區(qū)域流速波動較大，速度較大，測流長度小的區(qū)域流速相對較小。

2.5 效率計算

效率計算公式為式（2）：

式中：

η′— 效率，%，即有效電功率/耗用電功率，包括電動機、水泵、傳動系統(tǒng)及水管摩阻等方面的綜合效率；

H— 抽水揚程，m，即抽水站站上與站下水位差，當出水射入空氣時，以出水管口中高站上水位之差為凈揚程；

Q— 機組抽水流量，m3/s；

Ns— 機組總電功率，kW。

3 測試成果分析

3.1 效率計算成果

2013年3月24日開機運行期間，對5 種調試工況搶測流量5 個測次，同時同步觀測記錄水位與工情參數(shù)。實測流量為114～161 m3/s；上游水位9.71 m 左右，下游水位5.78～5.48 m，站上下游水位差為3.92～4.24 m。通過計算，得出淮安抽水二站機組效率具體數(shù)據(jù)見表2。

3.2 誤差來源與控制

流量測驗誤差是影響本次成果的主要因素。淮安二站2 臺機組運行流量較大，下游引河順直段長度較短，引河進水口成“T”字型。因本次運行為單向引水，形成偏流狀態(tài)，加之機組角度調整時間間隔相對較短，水流脈動現(xiàn)象較為明顯，并目測水面有回流現(xiàn)象，水流的不穩(wěn)定性對本次流量測驗精度影響較大。

測驗誤差控制的主要途徑:加強測驗過程中數(shù)據(jù)跟蹤與水面現(xiàn)場目測，加大流量測回，同時有效控制無線載體運行速度。

3.3 數(shù)據(jù)對比分析

將試運行實驗數(shù)據(jù)在模型泵換算出的原型泵性能曲線上標記出來，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，試運行實驗數(shù)據(jù)每個角度之間的距離基本一致，0°、+2°、-4°試運行數(shù)據(jù)點和模型泵實驗換算的Q-H 線非常接近，測量數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。-2°和-6°下，運行數(shù)據(jù)與模型泵數(shù)據(jù)距離較遠，偏差相對較大，主要原因是模型泵和原型泵葉片角度都存在一定的誤差，還有幾何比尺效應。從效率角度而言，根據(jù)試運行數(shù)據(jù)點可知，效率大概在68%左右，而根據(jù)換算綜合特性曲線所示，試運行數(shù)據(jù)點效率在70%左右，大概低了2%左右，這是因為在試運行試驗時，測試的功率是電功率，如果除去電機損失，則試運行試驗效率和模型泵裝置效率相當。綜上所述，試運行數(shù)據(jù)點和模型泵試驗數(shù)據(jù)點符合較好。

圖1 ADCP 測流系統(tǒng)示意圖

圖2 淮安二站測流位置水下斷面圖

圖3 淮安二站測流斷面流速分布圖

表2 淮安二站試運行期間流量測驗成果表

圖4 試運行數(shù)據(jù)與模型泵性能對照圖

4 結語

（1）本次改型現(xiàn)場測試中采用了先進的測試方法和測試儀器，測試方法符合泵站現(xiàn)場測試規(guī)程要求，得出的結果真實可靠；

（2）淮安二站通過更新改造，運行效率和模型裝置試驗效率相當，滿足設計要求，工程效益能夠得到較大提高；

（3）為了充分了解機組的性能狀況，今后將在實際運行中針對不同水位組合、不同機組臺數(shù)、不同水源調度模式等對機組效率可能產(chǎn)生影響的不同條件加強測試，在相應條件下分別予以率定，確保機組的運行效率得到保證。

［1］湯方平，周濟人.低揚程泵裝置性能的決定因素［J］.排灌機械，1997，15（1）：12-13，27.

［2］張仁田.低揚程泵站裝置特性的理論研究［J］.排灌機械，1993（3）:17-18.

［3］劉麗君，劉軍.對提高水泵裝置性能有關問題的再認識［J］.排灌機械，2004，22（1）:13-15.

［4］須倫根，徐春榮，鄭源.大中型泵站現(xiàn)場流量測試技術及應用［J］.中國測試技術，2006，32（5）：29-32.

［5］湯正軍，周濟人，仇寶云，黃季艷.南水北調源頭江都第二抽水站原型性能試驗研究［J］.南水北調與水利科技，2005，3（6）：8-11.

［6］馮建軍.ADCP 原理及數(shù)據(jù)處理方法［J］.港工技術，2007（3）：53-55.

［7］李志敏.ADCP 流量測驗應用研究［J］.廣西水利水電，2003（3）：7-10.