汪寶羅

摘 要：浙江省沿海平原地區(qū)因受潮汐、梅雨、臺風(fēng)等自然因素影響，排澇存在整體揚程偏低、運行期間揚程變幅大、泵站流量大、且泵站為軟土地基等特點，為了適應(yīng)上述特點，工程采用豎井貫流泵的機型較多。隨著豎井貫流泵大型化發(fā)展，其單機流量已經(jīng)達到50m3/s，相當于一座大（2）型泵站的規(guī)模，其安全可靠運行對區(qū)域防洪排澇有著至關(guān)重要的作用。為了使得大型豎井貫流泵可適應(yīng)沿海地區(qū)揚程變幅大的特點，滿足全工況穩(wěn)定運行的要求，本研究將對水泵振動的機理進行探討，并提出較為有效的避振措施，以此消除或減弱機組的振動，提高排澇工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：豎井貫流泵;避振運行;

一、前言

大型泵站水泵的振動問題，一直是泵站工程中的焦點。我國已經(jīng)運行的大型泵站中，出現(xiàn)了振動問題的不在少數(shù)，如1997年建成運行的淮安三站，是我國首個大型燈泡式貫流泵站。該泵站在運行過程中，機組和泵站存在劇烈振動問題，一定程度上影響了泵站的安全可靠運行[1]。而江都四站的4號和7號泵在改造后也出現(xiàn)了振動[2]。這些大型泵站的振動問題不僅僅影響到機組自身的使用壽命，而且也對工程安全生產(chǎn)和正常發(fā)揮作用產(chǎn)生較大的不利影響? 。

二、大型豎井貫流泵振動原因分析

豎井貫流泵與其他類型的水泵一樣，誘發(fā)設(shè)備及廠房振動主要原因是由水力因素或機械因素導(dǎo)致的。

1、水力因素造成的振動

水力因素造成的振動分為兩類：1）流道設(shè)計不合理、型線優(yōu)化不到位，由此造成裝置內(nèi)出現(xiàn)脫流、回流等非正常流態(tài);2）水泵導(dǎo)葉為固定導(dǎo)葉，當水泵偏離設(shè)計工況點運行，造成水泵出口速度三角形的改變程度超過了導(dǎo)葉調(diào)節(jié)范圍，使得出水流道流態(tài)趨于混亂。

豎井貫流泵的流道控制尺寸，如：長、寬、高、當量擴散角等、以及流道收縮、擴散段的型線均直接關(guān)系到水流入泵是否均勻，以及在流道邊壁是否出現(xiàn)局部脫流，甚至是嚴重的偏流。當流道設(shè)計合理時，入泵水流平穩(wěn)、均勻度高、出水流道的水流呈現(xiàn)出規(guī)律性的螺旋運動，但無偏流、脫流等非正常流態(tài);反之，入泵、出泵水流混亂、葉輪、導(dǎo)葉體范圍內(nèi)的壓力脈動明顯增加。

在所有工況下，設(shè)計工況水泵效率最高，運行也相對最穩(wěn)定，究其原因大致是：設(shè)計工況下，葉輪出口的水流與導(dǎo)葉的翼型配合度高，水流經(jīng)導(dǎo)葉的整流作用后，以比較平順的狀態(tài)進入出水流道，此時水泵流態(tài)較好，機組運行也較穩(wěn)定。但是一旦水泵偏離設(shè)計工況時，其流量隨著揚程的變化而發(fā)生增加或減少。因流量發(fā)生劇烈的變化，軸向流速便相應(yīng)的發(fā)生變化，但是因水泵轉(zhuǎn)速保持不變，故水流速度的切向分量也維持不變，因此，葉輪出口處水流的絕對速度與設(shè)計工況相比，無論是其矢量角度還是大小均發(fā)生了變化。當水泵嚴重偏離設(shè)計工況點后，其流速矢量便不能與導(dǎo)葉翼型相匹配，偏離設(shè)計工況越多，葉片出口速度矢量與導(dǎo)葉翼型越不匹配，便造成流態(tài)明顯變差。該過程表現(xiàn)在外特性上，就是葉輪出口至導(dǎo)葉出口這一段范圍內(nèi)的水流壓力脈動顯著增加，而壓力脈動又激發(fā)了葉輪外殼的振動和葉輪本體的振動，嚴重時會造成水泵共振甚至發(fā)生葉片開裂等嚴重后果。而未經(jīng)導(dǎo)葉完全整流的水流進入出水流道后，還會產(chǎn)生左、右兩孔流道的流量差異、壁面脫流等等不利于穩(wěn)定運行的非正常流態(tài)。

2、機械因素造成的振動

豎井貫流泵由電動機、齒輪箱、推力軸承、葉輪、導(dǎo)軸承等幾大件組成。在運行過程中，這些部件的生產(chǎn)質(zhì)量問題或安裝質(zhì)量問題均可能引發(fā)機組的振動，如：軸不對中、氣隙不均、軸承磨損、轉(zhuǎn)動部件不平衡、連接件松動、齒輪嚙合故障等。

三、大型豎井貫流泵避振運行的意義

常規(guī)的半調(diào)節(jié)排澇泵，一旦出現(xiàn)偏離工況的情況，如進入超低揚程范圍，或者是發(fā)生機械故障等情況，機組振動加劇，此時，運行管理人員只能選擇讓機組繼續(xù)帶病運行，或者被迫停機。無論是繼續(xù)運行，還是停機，均對排澇不利。

對于大型豎井貫流泵而言，因其單機流量大，目前正在建設(shè)的或者即將開工建設(shè)的豎井貫流泵的單機流量均在30m3/s以上，個別巨型機組的單機流量達到了50m3/s。對于這類機組，其單機流量就相當于一座中型排澇泵站甚至是大（2）型泵站，對區(qū)域的防洪排澇起到舉足輕重的作用。且這些泵站往往都位于河流的口門處，若因機組的故障而造成停機，則會造成上游上百公里范圍的澇水無法順利排出，造成的內(nèi)澇影響也更為嚴重。

因此，對于這類主力排澇泵站，應(yīng)盡可能的保證其運行期間設(shè)備安全可靠運行，避免因振動原因，造成機組退出運行。所以，對于這類工程有必要對機組采取避振運行的措施，這樣既可以增強機組運行的適應(yīng)性，也可提高工程的可靠性。

四、機組避振主要措施

所謂水泵避振措施是指，為了保證水泵機組不產(chǎn)生有害振動，或者在產(chǎn)生有害振動后，通過相應(yīng)的方法使得水泵的振動減弱乃至消失而采取的工程措施。機組避振主要分兩個階段：1、源頭控制，減少振動產(chǎn)生的可能性;2、當出現(xiàn)振動時，采取工程措施避開振區(qū)運行。

1、所謂源頭控制，是指在設(shè)計階段，應(yīng)通過合理的機組選型及流道設(shè)計，使得流道先天就具有良好的流動特性，同時嚴格控制入泵流速，合理選擇直徑和轉(zhuǎn)速，避免因過泵流速過大，激發(fā)壓力脈動，或因nD過大，降低抗汽蝕能力;

2、在運行期間，通過工程措施避免機組進入振區(qū)運行?？赏ㄟ^變頻調(diào)速技術(shù)和槳葉調(diào)節(jié)技術(shù)，使得機組脫離振動區(qū)域運行。槳葉調(diào)節(jié)技術(shù)避振運行在江都四站的4號泵和7號泵組中已經(jīng)得到了良好的應(yīng)用[2]。本文側(cè)重介紹利用變頻技術(shù)進行避振運行。

五、基于變頻調(diào)速避振運行的原理

前文已述，由于水力因素引起的振動，主要歸結(jié)于嚴重偏離設(shè)計工況點后，泵內(nèi)部流態(tài)由平順向混亂轉(zhuǎn)化，水流對流道邊壁以及過流部件的撞擊加劇，從而造成的流道內(nèi)相應(yīng)部位壓力脈動顯著增加。而這些發(fā)生在水泵流道內(nèi)部的變化也可通過水泵外特性進行反應(yīng)，如效率明顯降低、噪音增加、殼體振幅加大等。

當水泵轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時，揚程H、流量Q、軸功率P、效率η等外特性均將隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)相似定律，可以獲取變化后新的水泵特性。利用變頻調(diào)速規(guī)避振區(qū)運行正是利用了水泵外特性隨轉(zhuǎn)速n變化的規(guī)律。這種方法主要應(yīng)用在揚程變幅很大的工程，如浙江沿海平原地區(qū)的低揚程排澇泵站中。這些工程基本都是采用泵閘相結(jié)合的排澇模式，當閘排能力減弱時，需要由閘排切換到泵排，此時進、出水池對應(yīng)的水位差為0m附近，即超低揚程。又因這類工程的出水池為感潮河段甚至為海，受潮汐影響，出水池要求百年一遇高潮位仍能排澇，這樣就造成最高揚程達到4-5m，甚至達到6m。因此，對于水泵來說，要求其在進、出水池水位差0～6m的范圍均可以正常運行。

對于設(shè)計人員而言，在水泵選型時，可通過工況點的合理選擇，使得最高揚程對應(yīng)的工況點不進入馬鞍型振動區(qū)。但是卻無法保證超低揚程工況下，水泵不處于效率極低的工況運行。因此，從水泵選型的角度，只能做到顧頭不顧尾。而根據(jù)裝置模型試驗的成果，流道內(nèi)的壓力脈動遵循兩頭大，中間小的規(guī)律。即最高揚程和最低揚程對應(yīng)的壓力脈動大，中間揚程的壓力脈動小。因此，從設(shè)計上無法規(guī)避水泵進入超低揚程工況下運行時產(chǎn)生的振動。為了保證水泵全工況下均可以穩(wěn)定運行，當水泵進入超低揚程工況時，就需要通過變頻降速的方式，改變水泵轉(zhuǎn)速n，以此調(diào)整水泵出口速度三角形，使得它與固定導(dǎo)葉翼型的匹配度提高，改善機組流態(tài)。通過這樣的調(diào)整，水泵的外特性將發(fā)生明顯的變化，流量Q減小、效率η提高、軸功率P減少、殼體的振幅ΔH減小，噪音降低。施衛(wèi)東等人已經(jīng)通過實驗對不同轉(zhuǎn)速下軸流泵壓力脈動進行了研究[3]。該研究表明通過水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，對軸流泵的壓力脈動會產(chǎn)生顯著的影響。

雖然這種調(diào)整會造成排澇流量降低，但是對于排澇工程而言，穩(wěn)定運行的意義更為重要。從對水泵的考核要求看，也只要求設(shè)計揚程下，排出設(shè)計流量，最大、最小揚程下穩(wěn)定運行即可。

六、基于變頻調(diào)速避振運行的調(diào)度原則

在實際應(yīng)用中，變頻避振運行的遵循如下原則：

1、在超低揚程下，此時振動主要由于水力因素產(chǎn)生，因此，旨在通過降速運行改善流道內(nèi)的流態(tài)，將水泵裝置效率由工頻時的20%～30%，提升至60%左右。

2、在脫離超低揚程后，此時振動主要是由于機械故障產(chǎn)生，此時需要結(jié)合振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)，當水泵振動值超過100μm時，實行降速運行。通過階梯化的降速，使得機組的振動值減小至80μm的正常水平。

3、當水泵進入中高揚程運行時，此時降速后，將會造成水泵進入馬鞍型振動區(qū)運行，因此，在中、高揚程下運行時，需要設(shè)置變頻運行的頻率下限值。

4、若因前池水位下降，出現(xiàn)因汽蝕而引起的振動時，也可通過變頻降速運行，改善水泵振動特性[4]。

七、小結(jié)

從作為提升供水泵站節(jié)能性的技術(shù)手段，發(fā)展為提升大型排澇泵站運行可靠性的技術(shù)手段，變頻技術(shù)在浙江省的澥浦排澇泵站中得到成功應(yīng)用，這也是國內(nèi)大型豎井貫流泵站中首次利用該技術(shù)實現(xiàn)水泵機組避振區(qū)運行。經(jīng)過泵站實際應(yīng)用表明，機組變頻運行過程中無任何不良表現(xiàn)，啟動順利，運行平穩(wěn)，噪音低，振動小。變頻運行不僅大大增強了大型豎井貫流機組運行適應(yīng)能力，包括對異常振動的處理能力，還降低了運行噪音，實現(xiàn)工程的綠色、節(jié)能的理念。

參考文獻：

[1]? 肖燁 丁曉唐. 淮安三站結(jié)構(gòu)振動特性及抗振分析[J].水利水電科技發(fā)展，2016，（6）：86—89.

[2]? 李揚 張宇 孫嵐清，等.大型泵站立式全調(diào)節(jié)軸流泵振動特性試驗[J].中國農(nóng)村水利水電，2018 （03）：81-95.

[3]? 施衛(wèi)東? 姚捷 張德勝 吳蘇青 王海宇. 不同轉(zhuǎn)速下軸流泵壓力脈動試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45（3）：66-71.

[4]? 李忠 楊敏官 高波 康燦. 空化誘發(fā)的軸流泵振動特性實驗研究[J].工程熱物理學(xué)報，2012，33（11）：1888-1891.