馬曄錦

(南水北調東線江蘇水源有限責任公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800)

1 概 述

泗洪站是南水北調東線工程第四梯級泵站，設計流量120m3/s，主要任務是將洪澤湖水送至睢寧站；有地方排澇和通航功能。泗洪泵站有后置燈泡貫流泵機組5臺套，調水設計凈揚程3.23m，最大凈揚程4.73m，平均凈揚程1.60m，排澇設計凈揚程3.14m。

為確保水泵性能，招標文件提出效率保證指標：水泵應有寬廣高效率區(qū)，在平均揚程時應接近最高效率點。水泵效率應以相似條件下運行模型泵裝置在試驗室進行試驗時所測定特性為基礎，效率不作修正。水泵模型裝置效率在設計揚程工況下應不小于75%；在平均揚程工況下應不小于77%，調水工況時加權平均效率不小于72.5%；加權平均效率計算方法如下：η=0.4ηdes+0.55ηav+0.05ηmax，式中ηdes、ηav、ηmax分別為設計揚程、平均揚程和最大揚程下水泵模型裝置效率。

設備采購采用國內外廠家技術合作模式，國外負責燈泡貫流泵機組結構設計、水力設計和模型裝置驗收試驗；關鍵部件包括水泵葉輪(含輪轂)、密封件由國外生產(chǎn)，其余零部件由國內根據(jù)國外廠家提供的圖紙和工藝生產(chǎn)加工，國外負責質量控制，為適應工況變化，采用變頻調節(jié)方式調節(jié)水泵轉速。

2 燈泡貫流泵裝置初步方案水力設計

針對泗洪站特點，運用數(shù)值流體力學解法(CFD)，綜合參照數(shù)據(jù)庫經(jīng)驗數(shù)據(jù)，解析水泵葉片和導葉形狀及流力分布，優(yōu)化設計參數(shù)，決定水泵設計方案，給出水泵葉片和導葉設計數(shù)據(jù)，自動繪制出3D模型并通過最先進激光造型機自動加工形成高精度設計模型?？s短水泵模型設計開發(fā)時間，而且該水力模型有寬廣高效率區(qū)，良好汽蝕性能，在設計工況點附近保證良好水力性能。表1和圖1給出了不包括葉輪和導流葉片情況下的流道水力損失分布，圖2為調水平均揚程工況下速度分布。

表1 流道各部分水力損失

圖1 不同工況下流道水力損失分布

圖2 調水平均揚程工況下速度分布

3 燈泡貫流泵裝置優(yōu)化方案水力設計

江蘇省南水北調泗洪站原建設單位會同相關院校對泗洪站貫流泵裝置進、出水流道進行CFD分析研究，進一步復核泗洪站燈泡貫流泵裝置初步方案進、出水流道設計和進一步完善泗洪站泵裝置水力設計。修改后進水流道長度從原8.4m改為7.5m，進水流道原檢修門前平直段改為漸變段；出水流道總長度改為14.6m，出水流道出口底部高程抬高1m。表2給出了不包括葉輪和導流葉片情況下流道水力損失分布，圖3為調水平均揚程工況下速度分布。

圖3 調水平均揚程工況下速度分布

表2 流道各部分水力損失

4 模型裝置試驗

4.1 試驗臺及測試裝置

試驗臺中流道裝置和模型泵系按照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規(guī)程》(SL 140—2006)規(guī)定制作，模型泵葉輪外徑為327mm (模型比1/9.33)，模型泵規(guī)定揚程與原型泵供水平均揚程保持一致(1.60m)，此時模型泵轉速為984.2r/min。泵模型試驗整體布置見圖4。

圖4 泵模型試驗整體布置

試驗中采用的主要測試設備包括電磁流量計、電子壓力表、電子壓力顯示器、壓力傳感器、扭矩檢測器、電子轉矩表和溫度傳感器等，精度均滿足規(guī)程規(guī)范要求，試驗臺綜合誤差為±0.327%。

4.2 試驗方法與結果

根據(jù)批準的試驗大綱，本次試驗變化七種轉速[500r/min、 600r/min、 700r/min、 800r/min、900r/min、984.2r/min(額定轉速)、1134.7r/min(115.3%n：實驗裝置上限轉速)]進行性能測定。不同特征工況下試驗結果與合同保證值對比見表3，滿足合同要求。模型泵裝置性能曲線見圖5，原型泵裝置性能曲線見圖6。

表3 驗收試驗性能與保證值對比

圖5 模型泵裝置性能曲線

圖6 原型泵裝置性能曲線

4.3 空化特性

在調水平均揚程工況下按效率下降1%測試結果計算C=1088.9，滿足保證值C=1000 以上要求。調水平均揚程工況下空化性能見圖7。

圖7 調水平均揚程(Q=21.5m3/min)工況下空化性能(轉速984.2r/min)

4.4 飛逸特性

在模型泵飛逸轉速為700r/min條件下，利用試驗結果計算出在調水平均揚程1.6m時飛逸轉速為143.9r/min，在調水最大揚程4.73m時飛逸轉速為247.5r/min。在設計聯(lián)絡會時要求電機生產(chǎn)廠家按照水泵最大飛逸轉速復核電機強度。

根據(jù)驗收試驗結果，驗收組認為，水泵裝置模型試驗各項指標基本達到合同文件要求，一致同意通過水泵裝置模型試驗驗收。

5 試運行檢驗

2013年4月23—25日，泗洪站進行單機試運行和全站聯(lián)合試運行，單機連續(xù)試運行24h以上，全站5臺機組聯(lián)合試運行6h以上。試運行結果表明：機組運行穩(wěn)定、各部位溫升正常，不同轉速下性能達到合同要求。

試運行期間，水文站流量測試組進行斷面流量測量。對不同轉速下?lián)P程、流量和功率進行測量，并計算裝置效率。表4為5臺機組實測結果與模型裝置試驗性能換算結果對比情況。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，相同揚程工況下實測流量與模型試驗換算流量基本接近，相同流量下效率與模型試驗效率基本接近。

表4 現(xiàn)場實測結果與模型裝置試驗數(shù)據(jù)對比

5.1 機組運行穩(wěn)定性及溫升情況

5.1.1 溫度(采用設備內預先設置溫度測定儀進行溫度監(jiān)控)

電機端軸承溫度最高為33.8℃(報警溫度85℃)；水泵端軸承溫度最高為35.3℃(報警溫度85℃)；電機定子繞組溫度最高為51.3℃(報警溫度100℃)；5臺機組各部位溫度測量數(shù)據(jù)均顯示正常。

5.1.2 噪聲(采用聲級計進行機組運行噪聲測定)

1號機組運行最大噪聲為86dB(泵井內距離水泵1m處測)；2號機組運行最大噪聲為84dB(泵井內距離水泵1m處測)；3號機組運行最大噪聲為86dB(泵井內距離水泵1m處測)；4號機組運行最大噪聲為83dB(泵井內距離水泵1m處測)；5號機組運行最大噪聲為84dB(泵井內距離水泵1m處測)；變頻器室運行最大噪聲為72dB(距離外殼1m、高1.2m處測)；廠房外最大噪聲為64dB(距離泵房1m、高1.2m處測)。

采用機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)對機組進行在線監(jiān)測，機組垂直方向最大振幅為0.0011mm(規(guī)范限值0.14mm)；機組水平方向最大振幅為0.001mm(規(guī)范限值0.14mm)；各部位振動值優(yōu)于規(guī)范要求。

6 結 論

泗洪站燈泡貫流泵從模型裝置驗收試驗到真機試運行等不同階段測試結果均表明這種結構型式燈泡貫流泵在不同轉速下各項能量特性指標(流量、效率)、空化性能(空化噪聲和空化破壞)、機組運行穩(wěn)定性(振動和溫升等)和可靠性等均達到合同要求。

經(jīng)過優(yōu)化設計，模型裝置在設計揚程下效率達到78.3%，超過合同保證值3.3個百分點，平均揚程下達到78.1%，超過合同保證值1.1個百分點。

現(xiàn)場試運行測試結果表明：泗洪站燈泡貫流泵具有運行穩(wěn)定、工況調節(jié)方便、性能指標滿足合同要求等顯著特點，而且機組振動指標優(yōu)于規(guī)范要求。與模型試驗換算結果對比，相同揚程工況下實測流量與模型試驗換算流量基本接近，相同流量下效率與模型試驗效率基本接近。