大型潛水貫流泵機組的研發(fā)設(shè)計和應(yīng)用

劉建龍，陶愛忠

(1.江蘇省通榆河北延送水工程建設(shè)管理局，江蘇 響水 224600;2.連云港市通榆河北延送水工程建設(shè)處，江蘇 連云港 222001)

0 引言

潛水貫流泵裝置是潛水電機與貫流泵技術(shù)相結(jié)合的一種裝置類型，它適用于低揚程泵站。水泵轉(zhuǎn)輪、后導(dǎo)葉、齒輪箱、電機連為一體直接布置在流道中，機組段采用全金屬殼體，整體吊裝，機組結(jié)構(gòu)緊湊，流道水力損失小，設(shè)備可靠性要求高，密封止水要求高。國外早在20世紀(jì)70年代就將該裝置應(yīng)用于大型泵站，如日本農(nóng)政思覺路津泵站采用2200QG12－5.73型潛水貫流泵，葉輪直徑為2.2 m，設(shè)計揚程為 5.73 m，單機流量為12 m3/s。

1 工程概況

通榆河北延工程灌北泵站和善南泵站是送水工程的第2級、第3級泵站，設(shè)計流量分別為50 m3/s和30m3/s，設(shè)計凈揚程分別為1.56m 和1.5m，2 個泵站采用相同的機組形式和單機規(guī)模，單機流量均為10 m3/s。2個泵站的設(shè)計揚程很低，年運行時間較長，為了實現(xiàn)泵站較高的泵裝置效率，必須采用水力性能優(yōu)良的泵裝置形式。經(jīng)過多種方案的比較，最終確定采用臥式潛水貫流泵裝置，水泵直徑為2 m，水泵轉(zhuǎn)速為156 r/min，齒輪減速傳動，電機轉(zhuǎn)速為980 r/min，電機功率為330 kW，是目前我國葉輪直徑最大的臥式潛水貫流泵。灌北泵站和善南泵站的運行特征水位、揚程及設(shè)計流量見表1。

2 泵站機組結(jié)構(gòu)設(shè)計

灌北泵站和善南泵站初步設(shè)計采用有廠房豎井貫流泵方案，機組臺數(shù)分別為5臺和3臺，單機流量為10 m3/s，不設(shè)備機。根據(jù)“優(yōu)化泵站等主體工程設(shè)計，充分利用新材料、新工藝、新技術(shù)，設(shè)計出具有時代意義的水利工程，充分展示現(xiàn)代水利的新形象”的要求，江蘇省通榆河北延送水工程建設(shè)管理局組織專家組對初步設(shè)計方案進行評審。根據(jù)評審意見，灌北泵站和善南泵站采用無廠房結(jié)構(gòu)形式、潛水式貫流泵，在小口徑潛水式貫流泵成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研制、采用大口徑潛水灌流泵。

2個泵站取消上部廠房，選用臺車機構(gòu)作為泵站上部結(jié)構(gòu)，機組采用高壓潛水電機、行星齒輪減速器、全封閉泵殼結(jié)構(gòu)。泵站機組站身剖面圖和平面效果如圖1、圖2所示。

2.1 泵站水力模型比選

由于潛水貫流泵與燈泡貫流泵的結(jié)構(gòu)基本相同，根據(jù)評審意見，灌北泵站和善南泵站的水力模型采用江蘇省南水北調(diào)水源公司組織揚州大學(xué)和江蘇大學(xué)為金湖泵站開發(fā)的燈泡貫流泵的裝置模型試驗成果進行比選。選取揚州大學(xué)貫流泵模型裝置的試驗成果，經(jīng)計算，取葉輪直徑D=2.0 m，葉輪轉(zhuǎn)速n=148 r/min;選取江蘇大學(xué)貫流泵模型裝置的試驗成果，經(jīng)計算，取葉輪直徑D=2.0 m，葉輪轉(zhuǎn)速n=155 r/min。水力模型的真機性能參數(shù)見表2。

表1 灌北、善南泵站運行特征水位、揚程及設(shè)計流量

從水力模型的真機性能參數(shù)比較表可知，2個水力模型均能滿足設(shè)計要求且裝置效率均較高。經(jīng)比較，采用由江蘇省南水北調(diào)水源公司、江蘇大學(xué)、江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司組成的課題組研發(fā)的燈泡式貫流泵裝置，型號為JGZM－3。

2.2 泵站機組段方案設(shè)計

灌北泵站和善南泵站采用無廠房結(jié)構(gòu)形式，泵機組采用潛水式貫流泵，葉輪直徑D=2.0 m，葉輪轉(zhuǎn)速n=148 r/min，全封閉泵殼結(jié)構(gòu)。考慮現(xiàn)場檢修維護的需要，泵組采用水泵、減速器、電動機三段方案設(shè)計。為使泵段內(nèi)水流更通暢，減小水流的擴散角，減小泵組的燈泡比，選用高壓高速電動機，采用行星齒輪減速箱，同軸線直聯(lián)，以最大限度減少燈泡體積。

表2 水力模型的真機性能參數(shù)比較

電機選擇:儲備系數(shù)取1.1，齒輪減速箱效率取92%，則電機功率為 pd=1.1 ×208/0.92=249(kW)，選用配套電機功率為315kW的異步電機，轉(zhuǎn)速為989 r/min。

齒輪減速箱選用行星齒輪減速箱，齒輪箱速比i=6.4。

為了提高泵組設(shè)備運行的可靠性，泵組軸承、齒輪箱采用進口總成部件，電機采用強化絕緣。泵組內(nèi)在泵軸承、電機軸承、三相繞組處設(shè)溫度檢測裝置，溫度檢測裝置雙組，一用一備，在電機段、齒輪箱段、泵軸段設(shè)漏水探測裝置，在齒輪箱段設(shè)油位檢測裝置，電機三相繞組設(shè)置在線絕緣監(jiān)測儀，各檢測裝置由信號電纜接至機組現(xiàn)場接線箱，儀表顯示實時數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)線連接遠程控制計算機。機組段方案如圖3所示。

2.3 進、出水流道設(shè)計

根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》和機組段主要控制尺寸及站身結(jié)構(gòu)布置的要求，潛水貫流泵的進、出水流道形式均采用平直管，進水流道長7.0 m，寬 5.0 m，進口流速 0.8 m/s ，流道當(dāng)量收縮角20.8°，進水流道單線圖如圖4所示;出水流道長10.8 m ，寬 5.0 m，出口流速 0.8 m/s，流道當(dāng)量擴散角9.8°，出水流道單線圖如圖5所示。

圖3 機組段方案

圖4 進水流道

2.4 機組安裝高程確定

參照燈泡貫流泵模型裝置特性曲線，查得水泵裝置氣蝕比C=1029，經(jīng)換算，原型泵臨界氣蝕余量約為4.6 m，取安全系數(shù)1.3，則許用氣蝕余量為5.98 m。

水泵安裝高度

由計算結(jié)果可知，水泵葉輪不需淹沒。同時根據(jù)GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》的要求，泵站進水流道的進口上緣應(yīng)淹沒在進水池最低運行水位以下至少0.5 m，經(jīng)綜合考慮，確定葉輪中心安裝高程為 －1.5 m，葉輪頂緣淹沒深度為1.8 m。

圖5 出水流道

2.5 輔機系統(tǒng)設(shè)計

灌北泵站、善南泵站潛水貫流泵采用電機內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷技術(shù)，在電機外殼設(shè)置導(dǎo)風(fēng)管，利用外部流動的水體冷卻，以解決潛水電機的散熱問題;齒輪箱則利用外部流動的水體冷卻。因此，泵站不配備冷卻水系統(tǒng)，泵軸承及齒輪箱采用內(nèi)部油潤滑系統(tǒng)潤滑，泵站不配備潤滑油系統(tǒng)。

泵站排水系統(tǒng)。在機組檢修時，將潛水電泵放入流道中，直接將流道內(nèi)水排至上游。選用150WQ160－15－15型潛水電泵2臺。泵室滲漏水排至泵站集水坑，由潛水電泵(40WQ10－15－1.5)排至下游。

清污系統(tǒng)。流道進口設(shè)回轉(zhuǎn)式清污機清污，采用皮帶運輸機將污物轉(zhuǎn)運至集料倉后車輛運出。

水力測量系統(tǒng)。用于泵站基底揚壓力、泵站上/下游水位測量、每臺機組的攔污柵前后的壓差測量等。

輔助設(shè)備清單見表3。

表3 灌河北泵站輔機設(shè)備清單

2.6 電氣系統(tǒng)設(shè)計

潛水貫流泵配套異步電動機，功率為315 kW，電壓等級為10kV。因潛水電機為全封閉結(jié)構(gòu)，配有專用保護，具備浸水、泄漏、超載、溫度等保護監(jiān)測功能。

泵站采用10.0 kV電源直供潛水貫流泵的接線方式，電氣主接線10.0 kV和0.4 kV側(cè)均采用單母線方式，采用高壓進線計量，裝設(shè)高壓電容補償裝置。潛水貫流泵電氣開關(guān)柜設(shè)現(xiàn)地、遠動轉(zhuǎn)換，可在開關(guān)柜現(xiàn)地開啟泵組，也可由遠程自動化系統(tǒng)開啟泵組。除潛水電機自身所配套的保護監(jiān)測功能外，配電系統(tǒng)設(shè)有過電壓、低電壓、過電流等保護方式。

3 潛水貫流泵裝置模型試驗

根據(jù)灌河北站和善南泵站泵組進、出水流道水力計算研究結(jié)果，委托揚州大學(xué)對江蘇省南水北調(diào)水源公司、江蘇大學(xué)、江蘇省水利勘測設(shè)計研究院共同研制開發(fā)的貫流泵裝置水力模型JGZM－3進行水泵模型試驗(如圖6所示)和流道模型試驗，還分別進行了潛水貫流泵裝置進、出水流道模型試驗，觀察流道內(nèi)的流態(tài)、測量進/出水流道的水頭損失;制作與潛水貫流泵裝置相似的透明轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉體模型和透明進、出水流道模型(如圖7所示)，對裝置效率、流道內(nèi)的流態(tài)、測量進出水流道的水頭損失進行分析研究，灌北泵站潛水貫流泵裝置綜合性能曲線如圖8所示。

圖6 泵組試驗?zāi)Ｐ?/p>

(1)進、出水流道水力損失計算值與試驗值的比較。透明流道試驗得到的灌北泵站進、出水流道水力損失與流道優(yōu)化水力設(shè)計計算所得到的流道水力損失比較見表4。進水流道水力損失試驗值與計算值相差0.019 m，計算值偏小;出水流道水力損失試驗值與計算值很接近，僅相差0.002 m。

表4 進、出水流道水力損失計算值與試驗值的比較

(2)泵站裝置效率計算值與試驗值的比較。根據(jù)流道模型試驗的結(jié)果可以計算灌北泵站泵站裝置設(shè)計工況(揚程1.56 m，流量0.225 m3/s)時的流道效率

根據(jù)流道效率和水泵效率推算出灌北泵站設(shè)計工況時的泵裝置效率

根據(jù)裝置模型試驗的結(jié)果，設(shè)計工況時泵站裝置模型的裝置效率為77.7%(如圖8所示)。

4 工廠制作及真機試驗

4.1 工廠研發(fā)制作

在進行理論計算和模型試驗的基礎(chǔ)上，由生產(chǎn)廠家——合肥三益江海泵業(yè)有限公司即組織進行產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計，再由江蘇省通榆河北延送水工程建設(shè)管理局組織專家組對設(shè)計圖進行評審和優(yōu)化。在安排生產(chǎn)中，合肥三益江海泵業(yè)有限公司按原機械工業(yè)部關(guān)于新產(chǎn)品開發(fā)研制的規(guī)定，執(zhí)行1+7的生產(chǎn)模式，即:第1臺產(chǎn)品提前投入試制并在工廠進行真機試驗，直至通過驗收;其余7臺按照并行作業(yè)的管理方式，對確認不會改動的零部件逐步投入生產(chǎn)。這樣，既保證了產(chǎn)品質(zhì)量又保證了生產(chǎn)工期。

潛水貫流泵機組葉輪葉片直徑較大，加工精度直接影響泵組的效率，在加工生產(chǎn)中采用精密澆鑄生產(chǎn)葉輪坯件，用五軸聯(lián)動設(shè)備仿形加工，保證成品與模型高度相似。

潛水貫流泵泵組聯(lián)接部件結(jié)構(gòu)尺寸較大(法蘭聯(lián)接面外徑3040mm)，為免除結(jié)構(gòu)件變形量安裝偏差，生產(chǎn)中采用分段焊接、高頻振動消除應(yīng)力、內(nèi)/外端面一次加工等工藝，從而確保電機與過流筒體的同軸度及電機與連接面的平行度。

潛水貫流泵由于電機處于水下，電機外殼保持密封，在運行中，電機線圈及轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量，極易產(chǎn)生轉(zhuǎn)子與定子間不同的溫度伸縮，致使電機軸承損壞或間隙卡阻。在研制制造過程中，采用電機內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷技術(shù)，在電機外殼增設(shè)通風(fēng)管，利用外部流動的水體冷卻，有效解決了潛水電機的散熱問題。

潛水貫流泵在研制制造過程中，采用行星齒輪減速器太陽輪軸向預(yù)加壓機構(gòu)，有效解決行星齒輪在臥式安裝時太陽輪軸向移動的問題。

4.2 廠內(nèi)真機試驗

合肥三益江海泵業(yè)有限公司新廠區(qū)建有水工實驗室及水泵綜合試驗臺，用矩形深槽使水流循環(huán)，用格柵、浮柵消除水流的紊流浪涌，以模擬泵的使用工況，測流堰為2條4.4 m寬的全寬堰，測流渠道長度18 m，基本符合GB/T 3214—2007《水泵流量的測定方法》的規(guī)定。為了真實反映研發(fā)的潛水貫流泵的運行數(shù)據(jù)，江蘇省通榆河北延送水工程建設(shè)管理局委托揚州大學(xué)對綜合試驗臺進行率定，按現(xiàn)場邊界條件進行數(shù)模分析計算。

首臺機組制造完成后，放置到水泵綜合試驗臺，安裝固定后放水調(diào)試，開機運行，機組啟動順利，運行平穩(wěn)。試驗起始水溫12℃，運行后電機線圈溫度為55℃左右，溫升僅43℃，行星齒輪及水泵推力軸承溫度僅36℃左右，溫升為24℃。現(xiàn)場測定噪聲為82 dB，取得試驗的數(shù)據(jù)見表5。

從連續(xù)運行情況來看，機組運行穩(wěn)定，泵組的揚程、流量、效率、溫升等技術(shù)指標(biāo)基本達到設(shè)計預(yù)期要求。真機試驗運行后，即進行機組解體檢查，對過流部件及泵軸承進行檢測，未出現(xiàn)損壞或磨損現(xiàn)象。據(jù)此，驗收專家組認為泵組研發(fā)設(shè)計基本合理，余下7臺機組可進行批量生產(chǎn)。

5 機組現(xiàn)場安裝

泵組加工制作調(diào)試試驗完成后，經(jīng)檢查驗收合格，交付安裝。考慮到泵組整體質(zhì)量僅21 t，為方便現(xiàn)場安裝，減少現(xiàn)場安裝調(diào)試工作量，在工廠內(nèi)調(diào)試完成的泵組將整體運至工地現(xiàn)場，采用載荷600 kN的汽車式起重機先將泵組進出水預(yù)埋管吊入流道二期砼預(yù)留孔，再將泵組吊至泵坑就位，調(diào)整泵組中心線的水平、高程位置后，將預(yù)埋管與泵組連接，澆灌流道預(yù)埋管及泵組地腳二期砼。砼達到規(guī)定強度后，調(diào)整緊固泵組伸縮節(jié)及各聯(lián)接部位，完成電纜及信號纜線的連接。

6 機組試運行

根據(jù)SL 317—2004《泵站安裝及驗收規(guī)范》中“機組驗收要求單臺機組帶負荷連續(xù)運行24h(含無故障開、停機3次)或7 d內(nèi)累計負載試運行時間48 h，在此期間開、停機不少于3次”的要求，結(jié)合灌北泵站的情況，采用單機連續(xù)運行24 h、全站聯(lián)合運行6 h的方式進行機組試運行。泵站試運行開機順序為#3，#2，#4，#1，#5，第1次機組啟動和停機采用手動操作，其他均采用計算機控制操作。5臺主機泵均一次啟動(停機)成功，期間各臺主機泵3次無故障開、停機正常。單機連續(xù)運行時間均超過24 h，5臺主機泵聯(lián)機試運行時間超過6 h，均滿足規(guī)范要求。試運行時水位差為－0.20～1.92 m，各臺主機泵在設(shè)計水位差工況下運行時間約12 h，在大于設(shè)計水位差工況下運行時間約9 h，各臺主機泵連續(xù)不停機運行時間約20 h。5臺主機泵上、中、下軸承溫升約運行2 h后趨于平穩(wěn)，5臺主機泵電機定子A，B，C三相溫升在運行約4 h后趨于平穩(wěn)，最高溫度均低于設(shè)計報警值，試運行期間主機泵運行平穩(wěn)，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)均符合規(guī)范要求。現(xiàn)場采用聲學(xué)多普勒流速儀進行了12次流量測試，在0.5～1.9 m水位差工況下水泵機組單機流量為11.3～13.4 m3/s，均大于設(shè)計流量10.0 m3/s，流量測試結(jié)果見表6，達到了按裝置模型試驗成果換算的原型機組揚程的流量和裝置效率值。

善南泵站與灌北泵站的機組形式、葉輪安裝高程、流道、泵站土建布置相同，試運行水位基本相同，泵站試運行開機順序為#2，#3，#1，其他操作均相同。機組試運行數(shù)據(jù)與灌北泵站基本相同。

7 潛水貫流泵裝置效率高的原因分析

灌北泵站和善南泵站潛水貫流泵裝置在低揚程下具有較高的效率，原因可歸納為以下4個方面:

(1)水力模型效率高。潛水貫流泵裝置采用了由江蘇省南水北調(diào)水源公司、江蘇大學(xué)、江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司組成的課題組研發(fā)的燈泡式貫流泵裝置JGZM－3水力模型，該模型已經(jīng)泵站裝置模型試驗驗證，根據(jù)模型試驗的結(jié)果，其模型泵的效率不低于86%，已達到目前國內(nèi)軸流泵水力模型的較高水平。

表5 工廠真機試驗數(shù)據(jù)

表6 流量測試結(jié)果

(2)進、出水流道的水力性能優(yōu)良。水泵的裝置效率決定于流道效率和水泵效率

對于確定的泵站裝置揚程，上式中的流道效率完全決定于流道水力損失

由上式可以看到，泵裝置揚程愈低，流道水力損失對流道效率的影響愈大。灌北泵站和善南泵站的揚程較低，設(shè)計揚程只有1.56 m和1.50 m，因此，該站流道水力損失對泵站裝置效率的影響特別顯著。數(shù)值計算和模型試驗結(jié)果表明，流道水力損失實測值僅為0.177m，進、出水流道的水力性能優(yōu)良，工廠真機試驗和機組試運行現(xiàn)場測試均表明泵裝置效率比較高。

(3)泵裝置形式較優(yōu)。潛水貫流泵裝置采用高壓/高速電機、行星齒輪減速機構(gòu)、同軸線直聯(lián)，有效減少了燈泡體的體積，使泵裝置的燈泡比減少到0.525，而采用普通電機的燈泡式貫流泵裝置的燈泡比為0.90～1.05，由于泵組的燈泡體減小，擴散角減小，水流形線最順直，流態(tài)更為平順均勻，流道的水力性能可以超過各種形式泵裝置的水力性能，達到了較優(yōu)水平。

(4)葉輪直徑取值較大。在設(shè)計流量一定的條件下，葉輪直徑直接影響泵裝置內(nèi)的流速，研究結(jié)果表明:流道的水力損失與葉輪直徑的4次方成反比。葉輪直徑愈大，流道的水力損失愈小，但投資也愈大;葉輪直徑的確定，需考慮泵站揚程、年運行小時數(shù)、工程投資等等多方面因素，經(jīng)綜合比較后合理確定。

8 結(jié)論

綜上所述，針對灌北、善南泵站設(shè)計揚程特別低的特點，經(jīng)設(shè)計分析比較，選用了潛水貫流泵裝置形式，并對泵結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。泵裝置模型試驗和運行測試結(jié)果證明，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，開挖深度小，進、出水流道水力性能好，可在較低揚程下獲得77%以上的泵裝置效率。可見采用較優(yōu)的水力模型和結(jié)構(gòu)形式、合適的水泵葉輪直徑以及水力性能優(yōu)良的進、出水流道等，使貫流泵在特低揚程下泵裝置效率達到較高的水平。

灌北泵站與善南泵站潛水貫流泵裝置的研制成功，對趕超當(dāng)今先進工業(yè)國家潛水泵和泵站技術(shù)水平，利用我國現(xiàn)有重大水利工程項目帶動、創(chuàng)新潛水電泵技術(shù)，使國產(chǎn)潛水電泵有機會進入跨流域調(diào)水工程具有重要意義。

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