孟 昊

(蚌埠市水利局直屬機(jī)電排灌站，安徽 蚌埠 233000)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，智能化、一體化泵站正逐漸取代傳統(tǒng)泵站，成為泵站工程建設(shè)的新方向。智能化、一體化泵站相較于傳統(tǒng)泵站而言，具有機(jī)動靈活、建設(shè)時(shí)間短、維修方便、運(yùn)行安全高效等優(yōu)勢。為了提升智能化、一體化泵站的運(yùn)行效能，節(jié)約泵站運(yùn)行成本，提高泵站的市場競爭力，就必須使泵站處于最優(yōu)的運(yùn)行方案中[1-3]。因此，開展不同泵型的泵外特性試驗(yàn)，可以為智能化、一體化泵站運(yùn)行方案提供數(shù)據(jù)支撐，具有重要的意義。

隨著現(xiàn)代泵業(yè)的不斷發(fā)展，對于水泵的基礎(chǔ)研究也在不斷完善和深化，水泵選型和性能的研究已較常見[4-5]。通常而言，水泵監(jiān)測項(xiàng)目主要包括流量、揚(yáng)程、功率、效率以及轉(zhuǎn)速等多個(gè)參數(shù)，由于參數(shù)眾多且數(shù)據(jù)非線性特征，造成當(dāng)前泵站監(jiān)測仍以半自動化方式為主，該監(jiān)測方式不僅存在測量精度低的問題，而且實(shí)時(shí)性和可靠性均滿足不了工程實(shí)際需要。由于水泵處于長期運(yùn)行狀態(tài)，泵內(nèi)密封環(huán)(水泵葉輪和水泵泵殼之間的口環(huán))會處于不同程度磨損狀態(tài)，密封間隙增大會導(dǎo)致水泵的泵外特性發(fā)生改變[6-9]，會導(dǎo)致泵站額外的做功損失，同時(shí)，也不利于潛水排污泵的運(yùn)行使用壽命。開展密封環(huán)間隙對不同類型泵外特性的影響研究，可為智能化、一體化泵站運(yùn)行監(jiān)測和預(yù)測提供基礎(chǔ)可靠的數(shù)據(jù)，依靠這些數(shù)據(jù)可建立故障診斷和預(yù)測模型，通過故障診斷分析，可提示泵站管理人員及時(shí)進(jìn)行密封口環(huán)的更換，使泵站始終處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，最大限度地提高泵站運(yùn)行功效，節(jié)約運(yùn)行成本。

1 項(xiàng)目背景

安徽省淮河流域[10]重點(diǎn)平原洼地(蚌埠境內(nèi))治理工程(世行貸款項(xiàng)目)，總投資為16.40億元。主要建設(shè)內(nèi)容包括：北淝河堤防加固113.06km，疏浚大溝56.15km，擴(kuò)挖截水溝7.5km，重建、加固閘涵36座、橋梁19座、泵站9座；澥河疏浚26.78km，橋梁1座；沱河疏浚24.68km，加固閘涵1座；天河堤防加固2.9km等。其中，一體化泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：清河站、劉橋站、常郢站、姜家站、淝北站、曹河站、邵河站重建、楊樓站和張巷站等別為Ⅳ等，工程規(guī)模屬小(1)型，主要建筑物和次要建筑物級別分別為4級和5級。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)對象

潛水排污泵可以將污水中的堅(jiān)固物質(zhì)撕裂和切斷，適用于臟、黏、滑的液體運(yùn)送，在泵站配套設(shè)施中起到較為關(guān)鍵的作用，具有安裝維修方便、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。但由于潛水排污泵特殊的工作環(huán)境以及連續(xù)長時(shí)間的工作狀態(tài)，很容易導(dǎo)致密封口環(huán)受到磨損，導(dǎo)致排污泵的運(yùn)行特性發(fā)生變化，從而影響其運(yùn)行穩(wěn)定性，因此，本文選擇三種不同比轉(zhuǎn)速潛水排污泵進(jìn)行研究，型號分別為150QW-260-38-45、200QW-250-15-15和350QW-1388-13-90。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本次試驗(yàn)主要為現(xiàn)場室內(nèi)試驗(yàn)(試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1)。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由閥門、電磁流量計(jì)、壓力變送器、壓力測試管道、直徑為150mm(或350mm)長度分別為90cm和300cm的直管道以及兩個(gè)90°彎頭組成，排污泵均采用變頻節(jié)能控制啟動方式。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場共對96.2m·kW、185.5m·kW和493.3m·kW 三種不同比轉(zhuǎn)速大小的排污泵進(jìn)行試驗(yàn)(三種泵的具體參數(shù)見表1)。其中1號泵的密封環(huán)間隙共設(shè)計(jì)5種，分別為0.45mm、0.65mm、1.05mm、1.55mm和2.55mm，2號泵的密封環(huán)間隙也設(shè)計(jì)5種，分別為0.45mm、0.65mm、1.55mm、2.05mm和3.05mm，3號泵的密封環(huán)間隙共設(shè)計(jì)4種，分別為0.45mm、0.95mm、1.95mm和2.95mm。分別測試不同密封環(huán)間隙下，水泵揚(yáng)程、功率和效率隨流量的變化數(shù)據(jù)和曲線，為潛水排污泵的合理利用提供依據(jù)。

表1 不同比轉(zhuǎn)速泵型參數(shù)

2.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)步驟如下：?檢查試驗(yàn)儀器并進(jìn)行校準(zhǔn)，然后進(jìn)行儀器安裝，并調(diào)整至最佳工作狀態(tài)；?對測壓點(diǎn)進(jìn)行放氣，關(guān)閉放氣孔后，將閥門調(diào)整至額定流量點(diǎn)，觀察試驗(yàn)系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定正常的運(yùn)行狀態(tài)；?將閥門開到最小，然后依次調(diào)整閥門開度，測試不同泵型在不同流量(額定流量的0.6、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3和1.4倍)穩(wěn)定運(yùn)行下的各類數(shù)據(jù)，每個(gè)流量試驗(yàn)點(diǎn)下均進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果；?依次切割密封環(huán)單邊間隙至相應(yīng)大小，然后重復(fù)?、?步；?關(guān)閉電源，結(jié)束試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)和分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 對揚(yáng)程的影響

從試驗(yàn)得到的不同比轉(zhuǎn)速泵的揚(yáng)程隨流量的變化特征圖(見圖2)中可看到：當(dāng)比轉(zhuǎn)速為96.2m·kW時(shí)，隨著流量的增加，水泵揚(yáng)程基本呈線性降低，密封環(huán)間隙越小，水泵揚(yáng)程越大，但密封環(huán)間隙對水泵揚(yáng)程的影響相對較小，當(dāng)密封環(huán)間隙從0.45mm增加至2.55mm時(shí)，水泵揚(yáng)程下降幅度最大情況出現(xiàn)在1.2Q工況，揚(yáng)程最大下降幅度為0.93m。當(dāng)比轉(zhuǎn)速為185.5m·kW時(shí)，隨著流量的增加，水泵揚(yáng)程也基本呈線性降低，密封環(huán)間隙越小，水泵揚(yáng)程越大；但是，與比轉(zhuǎn)速96.2m·kW表現(xiàn)不同的是，當(dāng)密封環(huán)間隙從0.45mm增加至0.65mm時(shí)，水泵揚(yáng)程的變化量較小，當(dāng)密封環(huán)間隙變化值增大到1.1mm后，水泵揚(yáng)程發(fā)生較為明顯的變化，此后繼續(xù)增大密封環(huán)間隙，對水泵揚(yáng)程影響不大；密封環(huán)間隙對水泵揚(yáng)程影響最大出現(xiàn)在1.4Q工況，揚(yáng)程從10.7m下降至8.49m，下降幅度達(dá)到2.21m。當(dāng)比轉(zhuǎn)速為493.3m·kW 時(shí)，隨著流量的增加，揚(yáng)程呈逐漸降低趨勢，但變化過程比較復(fù)雜，當(dāng)密封環(huán)間隙為0.45mm和0.95mm時(shí)，流量從1.0Q增加至1.1Q的過程中，揚(yáng)程下降速率較快，當(dāng)密封環(huán)間隙為1.95mm和2.95mm時(shí)，流量從0.9Q增加至1.0Q的過程中，揚(yáng)程下降速率較快；當(dāng)密封環(huán)間隙為0.45mm和0.95mm時(shí)，兩者的揚(yáng)程相差不大，當(dāng)密封環(huán)間隙變化值增大至1.5mm后，揚(yáng)程開始發(fā)生較為明顯的變化，密封環(huán)間隙對水泵揚(yáng)程影響最大出現(xiàn)在1.0Q工況，揚(yáng)程從12.6m下降至6.8m，下降幅度達(dá)到5.8m。

圖2 密封環(huán)間隙對泵揚(yáng)程的影響

3.2 對功率的影響

從試驗(yàn)得到的不同比轉(zhuǎn)速泵功率隨流量的變化特征圖(見圖3)中可以看到：當(dāng)比轉(zhuǎn)速為96.2m·kW時(shí)，泵的功率隨著流量的增大呈線性增加；相同流量下，密封環(huán)間隙越大，泵的功率越大，但是均相差不大，當(dāng)流量為1.2Q時(shí)，功率出現(xiàn)最大增加幅度，從0.45mm下的33kW增加至2.55mm下的34.18kW，增加量為1.18kW。當(dāng)比轉(zhuǎn)速為185.5m·kW時(shí)，泵的功率呈先增加后逐漸穩(wěn)定的變化特征，當(dāng)流量小于1.2Q時(shí)，功率隨流量增大而增大，當(dāng)流量大于等于1.2Q時(shí)，功率基本保持恒定值(增加幅度很小)；相同流量下，潛水排污泵的功率隨著密封環(huán)間隙的增大而逐漸增加，但密封環(huán)間隙對功率的影響隨著流量的增加在逐漸減小，因此，密封環(huán)間隙從0.45mm增加至3.05mm時(shí)，功率增幅最大值出現(xiàn)在0.6Q工況，增加幅度為0.6kW。當(dāng)比轉(zhuǎn)速為493.3m·kW時(shí)，泵的功率隨流量變化較為復(fù)雜，當(dāng)密封環(huán)間隙為0.45mm～1.95mm時(shí)，功率隨流量增大呈“先減小后增大再減小”的三階段變化特征，當(dāng)密封環(huán)間隙為2.95mm時(shí)，功率隨流量呈逐漸降低的變化特征；密封環(huán)間隙值越大，功率值越小，當(dāng)密封環(huán)間隙變化值達(dá)到1.5mm時(shí)，功率變化情況較為明顯；當(dāng)流量為1.2Q工況時(shí)，功率隨密封環(huán)間隙增大的降幅最大，從0.45mm的67.8kW下降至2.95mm的59.7kW，下降幅度達(dá)到8.1kW。

圖3 密封環(huán)間隙對泵功率的影響

3.3 對效率的影響

從試驗(yàn)得到的不同比轉(zhuǎn)速泵的效率隨流量的變化特征圖(見圖4)中可以看到：不同比轉(zhuǎn)速泵的效率均隨流量的增加呈“先增大后減小”的變化特征。當(dāng)比轉(zhuǎn)速為96.2m·kW時(shí)，密封環(huán)間隙對泵效率的影響不大，隨著密封環(huán)間隙的增大，泵的效率逐漸減小；當(dāng)流量達(dá)到1.2Q～1.3Q時(shí)，泵的效率達(dá)到最大值；當(dāng)流量為1.1Q工況時(shí)，密封環(huán)間隙對效率的影響最大，下降幅度達(dá)到1.66%。當(dāng)比轉(zhuǎn)速為185.5m·kW 時(shí)，密封環(huán)間隙對泵效率的影響不大，隨著密封環(huán)間隙的增大，泵的效率逐漸減小，當(dāng)密封環(huán)間隙變化為0.2mm時(shí)，效率變化不明顯，當(dāng)密封環(huán)間隙變化值增大至1.1mm后，效率開始發(fā)生明顯變化；當(dāng)流量為0.9Q～1.0Q時(shí)，泵的效率達(dá)到最大值，當(dāng)流量超過1.0Q后，密封環(huán)間隙對效率的影響逐漸加大，當(dāng)流量達(dá)到1.4Q后，密封環(huán)間隙從0.45mm增加至3.05mm的效率降低幅度達(dá)到10.59%。當(dāng)比轉(zhuǎn)速為493.3m·kW時(shí)，密封環(huán)間隙對泵效率的影響進(jìn)一步增大，隨著間隙變化值的增大，效率開始發(fā)生較為明顯的變化，當(dāng)流量為1.3Q時(shí)，密封環(huán)間隙對泵效率的影響最大，下降幅度達(dá)到17.5%。

圖4 密封環(huán)間隙對泵效率的影響

4 結(jié) 論

本文以潛水排污泵為研究對象，對96.2m·kW、185.5m·kW和493.3m·kW三種不同比轉(zhuǎn)速潛水排污泵在不同密封環(huán)間隙下的泵外工作特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：不同比轉(zhuǎn)速潛水排污泵的揚(yáng)程隨著密封環(huán)間隙值和流量值的增大而逐漸減小；中低比轉(zhuǎn)速潛水排污泵的功率隨著密封環(huán)間隙值的逐漸增大而逐漸增大，流量越高，功率值越大；高比轉(zhuǎn)速泵的功率值隨密封環(huán)間隙的增大而逐漸減小，且隨流量變化情況較為復(fù)雜；隨著密封環(huán)間隙值的逐漸增大，潛水排污泵的效率值逐漸降低；不同比轉(zhuǎn)速泵的效率均隨流量的增加呈“先增大后減小”的變化特征，比轉(zhuǎn)速越大，密封環(huán)間隙對泵效率的影響越大。

通過上述分析，對不同泵型在不同密封環(huán)間隙下的泵外工作特性有了基本認(rèn)識，泵站管理人員可根據(jù)建立的工作特性和運(yùn)行規(guī)律及時(shí)進(jìn)行密封口環(huán)的更換，保證泵站始終處于最佳的工作狀態(tài)。