袁龍剛

(中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

1 工程概況

在部分實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，當(dāng)水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程大于5 m，且最高揚(yáng)程超過9 m時(shí)，由于水泵設(shè)計(jì)選型不當(dāng)，導(dǎo)致水泵在高揚(yáng)程運(yùn)行時(shí)水泵振動(dòng)大、噪音大、效率低、流量衰減嚴(yán)重，電機(jī)超功率運(yùn)行，機(jī)組甚至無法開機(jī)運(yùn)行。在軸流泵和混流泵流量及揚(yáng)程滿足設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合工程實(shí)際情況及當(dāng)?shù)剡\(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，在兩種泵型均可選用的情況下，如何合理選型是一個(gè)難題。目前針對混流泵和軸流泵的研究大多為內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理性研究[1-2]，而針對混流泵和軸流泵在工程中的選型對比性研究較少[3-4]，需要進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。

蕪湖市鳩江區(qū)下九連圩保安站工程位于蕪湖市鳩江區(qū)上下九連圩內(nèi)長江無為大堤上，該圩為鳩江區(qū)與無為縣共圩，分上九連圩和下九連圩，保安站處于下九連圩。上下九連圩屬于長江下游沿江低洼圩區(qū)，東、南至無為大堤，北至裕溪河，西至西河，圩口面積為499.71 km2，其中鳩江區(qū)170.9 km2、無為縣328.81 km2。保安站主要承擔(dān)大龍灣排區(qū)的防洪排澇任務(wù)，集水面積為32.13 km2，設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇最大24 h暴雨逐小時(shí)排出，設(shè)計(jì)流量為58 m3/s，總裝機(jī)容量為7 500 kW，是一宗工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大(2)型的排澇工程。泵站的運(yùn)行水位組合及特征揚(yáng)程見表1所示。

表1 鳩江區(qū)保安站特征水位及揚(yáng)程

保安站主要建筑物自內(nèi)河向外河有引水渠、攔污閘、前池、進(jìn)水池、泵房、壓力水箱、出水箱涵、防洪閘、外河消力池、海漫、防沖槽及出水渠等。泵站布置示意見圖1。

圖1 泵站布置示意

2 泵型比選

保安站為低揚(yáng)程大流量排澇泵站，設(shè)計(jì)流量為58 m3/s，經(jīng)理論計(jì)算水泵揚(yáng)程與流量關(guān)系曲線為H=Hj+0.009 732Q2。保安站機(jī)組臺(tái)數(shù)為6臺(tái)，不設(shè)備用機(jī)組，單泵設(shè)計(jì)流量約為10 m3/s，最低凈揚(yáng)程為3.00 m，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為7.45 m，最高凈揚(yáng)程為9.22 m，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)際情況及當(dāng)?shù)剡\(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，離心泵、軸流泵及混流泵等水泵類型均可選用。

各類型水泵的揚(yáng)程范圍不同，離心泵的揚(yáng)程一般在10 m以上，軸流泵的揚(yáng)程一般在0～10 m之間，混流泵的揚(yáng)程一般在5～30 m之間[6]，根據(jù)保安站的設(shè)計(jì)參數(shù)和工程特點(diǎn)，離心泵的揚(yáng)程范圍不適合保安站的使用要求。

從安裝方式上看，立式機(jī)組具有泵房占地面積較小，泵房各層層次分明，運(yùn)行時(shí)巡視方便，動(dòng)力機(jī)可安裝在最高洪水位以上，通風(fēng)采光條件較好，水泵葉輪淹沒于水中，水泵啟動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)；但也具有廠房高度較大，泵房基坑開挖深度較大，水泵安裝、檢修有一定難度等缺點(diǎn)[8]。通過對工程所在地已建成運(yùn)行的類似泵站優(yōu)點(diǎn)和存在的問題進(jìn)行調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，同時(shí)結(jié)合運(yùn)行管理單位對立式機(jī)組亦有豐富的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，保安站選用立式機(jī)組結(jié)構(gòu)形式。

當(dāng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程大于5 m，且最高揚(yáng)程超過9 m時(shí)，目前大型排澇泵站常用的立式機(jī)組主要有立式軸流泵和導(dǎo)葉式混流泵兩種，但因混流泵的揚(yáng)程范圍寬，揚(yáng)程變化對流量、效率的影響沒有軸流泵那么明顯?；炝鞅孟啾容S流泵，混流泵高效區(qū)范圍寬，水泵軸功率波動(dòng)小，功率變化平坦，配套的動(dòng)力機(jī)可滿載運(yùn)行，工況變化時(shí)，動(dòng)力機(jī)接近額定工況下工作，運(yùn)行效率較高[3]；同時(shí)混流泵馬鞍區(qū)、駝峰區(qū)沒有軸流泵那么明顯，在最高揚(yáng)程時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定。

保安站的最高揚(yáng)程為9.9 m，適合的軸流泵水力模型很少，而對于導(dǎo)葉式混流泵7～10 m揚(yáng)程很容易達(dá)到，這是由水泵的型號決定的。根據(jù)保安站各工況的揚(yáng)程、流量參數(shù)，經(jīng)過比對篩選，初步選定的混流泵水力模型:南水北調(diào)工程水泵模型同臺(tái)測試中的TJ11-HL-04水力模型，原型泵為1800HLQ10-8.5型導(dǎo)葉式混流泵(以下簡稱混流泵)，葉輪直徑初定為1 800 mm；軸流泵水力模型:南水北調(diào)工程水泵模型同臺(tái)測試中的TJ05-ZL-01水力模型[5]，原型泵為1800ZLQ12.2-8.6立式軸流泵(以下簡稱軸流泵)，葉輪直徑初定為1 750 mm。兩種水泵在各運(yùn)行工況下的主要性能參數(shù)見表2；兩種水泵的泵段綜合性能曲線見圖2～3。

表2 兩種水泵在各運(yùn)行工況下的主要性能參數(shù)

圖2 1800HLQ10-8.5型導(dǎo)葉式混流泵泵段綜合性能曲線

圖3 1800ZLQ12.2-8.6型立式軸流泵泵段綜合性能曲線

通過圖2～3及表2可知：

① 所選混流泵和軸流泵均可以滿足保安站設(shè)計(jì)工況的流量及最高最低揚(yáng)程安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求；

② 所選混流泵在-6°～+4°葉片角度范圍內(nèi)的揚(yáng)程范圍為0.7～13.6 m，所選軸流泵在-4°～+4°葉片角度范圍內(nèi)的揚(yáng)程范圍為2.6～10.8 m，由此可見所選混流泵的揚(yáng)程范圍寬于軸流泵；

③ 所選混流泵的高效區(qū)為5.6～8.2 m，所選軸流泵的高效區(qū)為7.5～7.9 m，由此可見所選混流泵的高效區(qū)范圍寬于軸流泵；

④ 所選混流泵的最高揚(yáng)程軸功率/最低揚(yáng)程軸功率=1 043/805=1.30，所選軸流泵的最高揚(yáng)程軸功率/最低揚(yáng)程軸功率=1 085/739=1.47，由此可見所選混流泵的軸功率比軸流泵變化平坦；

⑤ 所選混流泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)的效率為87.08%，所選軸流泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)的效率為85.11%，由此可見設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)所選混流泵的運(yùn)行效率高于軸流泵。

綜上所述，當(dāng)水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程大于5 m，且最高揚(yáng)程超過9 m時(shí)，軸流泵和混流泵流量及揚(yáng)程滿足設(shè)計(jì)參數(shù)，兩種泵型均可選用的情況下，混流泵比軸流泵具有更多的優(yōu)勢。因此保安站初選南水北調(diào)工程水泵模型同臺(tái)測試TJ11-HL-04水力模型[5]，葉輪直徑1 800 mm導(dǎo)葉式混流泵方案作為設(shè)計(jì)方案。

3 水泵裝置模型試驗(yàn)研究

3.1 水泵進(jìn)出水流道CFD優(yōu)化分析

由江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心對保安站水泵進(jìn)出水流道進(jìn)行CFD優(yōu)化分析研究，經(jīng)優(yōu)化分析研究后的進(jìn)出水流道型線方案見圖4～5。

圖4 進(jìn)水流道型線方案示意

3.2 水泵裝置模型試驗(yàn)

根據(jù)保安站各工況的揚(yáng)程、流量參數(shù)，采用優(yōu)化后的進(jìn)水流道型線方案，在江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心試驗(yàn)臺(tái)上分別進(jìn)行水泵裝置能量試驗(yàn)、空化試驗(yàn)、飛逸特性試驗(yàn)、水壓脈動(dòng)試驗(yàn)。本次水泵裝置模型采用預(yù)先選定的TJ11-HL-04-600進(jìn)行試驗(yàn)，由水泵裝置模型試驗(yàn)結(jié)果可知進(jìn)、出水流道型線設(shè)計(jì)和水泵模型選擇合理，為了使原型泵設(shè)計(jì)工況葉片安放角由原設(shè)計(jì)選型的+2°偏向0°，使得水泵運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，將原設(shè)計(jì)選型的葉輪直徑由1.80 m增大至1.82 m。在原型泵裝置葉輪直徑為1.82 m，轉(zhuǎn)速為214.3 r/min時(shí)，可以得到以下結(jié)論。

圖5 出水流道型線方案示意

1) 水泵裝置能量特性

在設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為7.45 m，葉片安放角為0°時(shí)：單機(jī)流量為10.20m3/s，裝置效率為80.75%，軸功率為923.17 kW。

在最低凈揚(yáng)程為3.00 m，葉片安放角為-4°時(shí)：單機(jī)流量為9.63m3/s，裝置效率為67.56%，軸功率為419.53 kW。

在最高凈揚(yáng)程為9.22 m，葉片安放角為+2°時(shí)：單機(jī)流量為9.53 m3/s，裝置效率為78.28%，軸功率為1 101.14 kW。

2) 空化特性

根據(jù)水泵裝置模型葉片各安放角多工況點(diǎn)實(shí)際試驗(yàn)，臨界空化余量NPSHc在最高凈揚(yáng)程運(yùn)行工況下數(shù)值較高[7]。在葉片安放角為+2°以下，最高凈揚(yáng)程為9.22 m工況的臨界空化余量NPSHc=9.2 m。葉輪中心線滿足最小淹沒深度要求。

3) 飛逸特性

水泵裝置模型在葉片安放角為-6°時(shí)單位飛逸轉(zhuǎn)速241.11 r/min，最大凈揚(yáng)程事故停機(jī)飛逸轉(zhuǎn)速可達(dá)420.26 r/min，為水泵額定轉(zhuǎn)速的1.88倍。

4) 水壓脈動(dòng)特性

采用95%置信度雙幅值對水泵裝置模型水壓脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果可知，最大脈動(dòng)幅值在2.5 m以內(nèi)，因此總體來看，該水泵的內(nèi)部流動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)對泵性能的影響較小，不會(huì)引起明顯的噪聲和振動(dòng)[4]；振動(dòng)的主頻主要為水泵的葉頻及其倍頻[4]。

原型泵裝置綜合性能曲線見圖6，通過裝置模型試驗(yàn)結(jié)果及圖6可知：

圖6 原型泵裝置綜合性能曲線示意

① 所選混流泵可以滿足保安站設(shè)計(jì)工況的流量及最高最低揚(yáng)程安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求；

② 所選混流泵在-6°～+4°葉片角度范圍內(nèi)的揚(yáng)程范圍為1.0～13.0 m，揚(yáng)程范圍寬；

③ 所選混流泵的高效區(qū)為5.6～8.8 m，高效區(qū)范圍寬；

④ 所選混流泵的最高揚(yáng)程軸功率為1101.14 kW,最低揚(yáng)程軸功率為923.17 kW，兩者比值為1.19，軸功率變化平坦；

⑤ 所選混流泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)的裝置效率為80.75%，效率高。

4 運(yùn)行效果分析

下九連圩保安排澇站2019年已經(jīng)開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2021年可以投入運(yùn)行，目前從水泵裝置模型試驗(yàn)研究結(jié)果以及與水泵制造廠家召開設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)研討分析，預(yù)計(jì)建成后水泵運(yùn)行狀況良好，整體高效。

5 結(jié)語

本文通過工程實(shí)例中的水泵泵型比選，并通過水泵裝置模型試驗(yàn)對所選泵型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，當(dāng)水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程大于5 m，且最高揚(yáng)程超過9 m時(shí)，得出以下建議：

1) 混流泵相比軸流泵，混流泵揚(yáng)程范圍寬；

2) 混流泵相比軸流泵，混流泵高效區(qū)范圍寬；

3) 混流泵相比軸流泵，軸功率變化平坦；

4) 混流泵相比軸流泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)裝置效率高；

5) 在軸流泵和混流泵流量及揚(yáng)程滿足設(shè)計(jì)參數(shù)，且滿足工程實(shí)際情況及當(dāng)?shù)剡\(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)的情況下，設(shè)計(jì)宜優(yōu)先選用混流泵。