淺談通過改善汽蝕性能提高泵站裝置效率

趙本禹 路 松

一、基本情況

解臺抽水站位于徐州市賈汪區解臺閘下660m處京杭運河不牢河南岸，是江蘇省江水北調工程的第八級翻水站，也是國家南水北調東線工程的重要梯級站。該站安裝36ZLB-100型立式軸流水泵，配用JSL14（TH）-10立式異步電動機22臺套，泵站總裝機容量6160kW，設計流量50m3/s。

該泵站采用濕室型泵房結構，分上下兩層，上層為電機層（廠房），下層為水泵層（進水池）。機組采用一列式布置，配電設備采用一側式布置。泵房寬11.1m，總長80.86m，分4塊底板澆筑。泵房西端設檢修間，東端設中心控制室。泵站采用開敞式進水池進水，各進水池之間由隔墩分隔，各水泵機組均為單獨進水。出水池與泵房分建，平面布置呈“Π”形，為減少出水管長度，出水池緊靠站身，兩者底板分置于土基上，水泵采用鑄鐵管導出水，拍門斷流。為防止雜物進入泵房，在進水側距水泵4.25m處設攔污柵。

二、工程效益

解臺抽水站是江蘇省南水北調的重要梯級泵站。擔負著向不牢河解臺閘上翻水調水的重要任務，為不牢河沿線工農業生產、航運、發電提供可靠的水源保證，同時還擔負徐州市區生活用水及向微山湖補水的任務。自1984年投入運行以來，已累計運行85萬臺時，抽水76.5億m3。1989年江蘇發生百年罕見旱情，解臺站連續運行348天，翻水8.6億m3，解除了徐州地區近280萬畝農田旱情。2002年，為保證徐州地區的工農業和城鎮居民生活用水及微山湖生態用水，連續運行308天，翻水8.9億m3。解臺站的調水大大緩解了徐州地區水資源嚴重匱乏的局面，保證了京杭運河這條黃金水道的常年通航，改善了運河沿線和徐州市湖西地區300萬畝農田的灌溉條件，為保證市區居民生活、工業生產和徐州發電廠用水發揮了顯著作用，取得了明顯的社會效益和經濟效益。

三、存在的主要問題及原因分析

解臺站自建成至今已運行近20年，從目前運行情況看，該站存在問題較多，效率逐年下降，效益日益降低，機組完好率難以達標。水泵汽蝕十分嚴重，經檢查發現，在平均運行3400臺時情況下，葉片汽蝕深度達15～18mm，嚴重的甚至造成穿透、斷裂。汽蝕面積達170～810cm2不等，占葉片單面面積的30%～80%。水泵葉輪室內壁嚴重汽蝕侵蝕，侵蝕范圍在整個圓周內，寬度達100～150mm，并有40%的機組被穿透而無法使用。由于嚴重汽蝕影響，造成機組的振動加劇，噪音增大，螺栓松動，效率下降。同時，縮短了大修周期，增加了泵站維修工作量，平均每臺大修間隔時間為3405小時，汽蝕嚴重的僅有1926小時。至1998年7月，共大修機組111次，嚴重影響了泵站的正常生產。每年都因主泵損壞更換葉片、葉輪外圈、導葉體、軸承等部件耗費大量人力、物力和財力。據統計，建站18年來共更換葉片761片，導葉體116只，喇叭管119只，水泵軸55根，橡膠軸承475只，直接維修費用在400萬元以上。

表1 6#、17#、19#機組檢查情況

1.汽蝕產生的原因

當液體在泵內流動時，若局部壓力低于一定值，在液體內的雜質、微小固體顆粒或液體與固體接觸面的縫中存在的氣泡或汽核，會迅速生成為人眼可見的氣泡或汽泡，為簡化起見，把汽核、氣核統稱為氣核。氣泡流稱為空泡。氣核進入低壓區生成為空泡，空泡隨液流到達壓力較高的區域時，受到周圍液體的壓縮，并經過反彈膨脹，直到最后破滅。這一過程稱為汽蝕。

2.水泵選型不當

解臺站設計選型時，選用了36ZLB－100型軸流泵。水泵廠為滿足流量要求，將該泵轉速提高至590r/min,配280kW10極電動機。由于轉速的提高，水泵的nD值達505，而一般軸流泵系列nD值應在435以下，nD值偏大是該站水泵汽蝕的主要原因。水泵轉速提高后，使水泵內的水力損失急劇增加，水泵效率大大下降。提速后的水泵設計揚程H=5.5m，實際揚程達到H=5.8～6.3m。因此，提速后的36ZLB—100型泵設計揚程遠低于水泵長期運行的實際揚程。水泵在偏離設計工況下運行,加大了流液進口沖角,使葉片背面產生旋渦發生汽蝕。

3.進水池設計參數不合理

進水池的寬度、懸空高、后壁距等參數均未按優化參數組合，造成進水池內有漩渦、回流現象。原水泵喇叭口懸空高Z達1m，Z/D（D為喇叭口直徑）為0.83，超過最佳范圍。解臺站設計流道底板高程22.5m,葉輪中心高24.02m,喇叭管懸高1.0m,設計下游最低抽水位25.5m，葉輪中心臨界淹沒水深為1.5m,水泵中心距半園形后壁圓心0.83m，后壁距X高達2.33m，X/D為1.94。后壁距的增大，使水泵后部形成回流空間。試驗觀測表明，當后壁距從0.5D增大到1.25D時，所要求的臨界淹沒深度增大近4倍，使水泵汽蝕更加嚴重。

4.進水池長度偏短

按泵站設計規范7.1.1.2條規定，彎道終點與前池進口之間直線長度應大于水面寬度的8倍。解臺站進水池寬度80m，進水流道內水流表面流態紊亂,形成渦流和回流,造成水力損失增加,把大量的氣體帶入泵體,加劇了水泵的汽蝕。很顯然，150多米長的引水河是遠遠不能滿足要求的。

5.低水位運行

解臺站設計葉輪中心高程為24.02m，葉輪中心臨界淹沒水深為1.5m，因此解臺站設計下游最低運行水位25.5m。由于用水高峰時強行開機，迫使水泵運行在最低下游水位以下。低水位運行，使水泵進水池水流紊亂，漩渦加劇，進水口壓力下降，減小了汽蝕余量。

6.攔污柵堵塞

前池內雜草、污物嚴重，已成為泵站引水中的一大難題。解臺站位于大運河南側，由于航運交通繁忙，抽水時，大量的雜草、污物進入攔污柵前，原設計清除雜物工作十分困難，嚴重時使攔污柵前后水位差高達0.5m，最多達1m以上，使泵室水位低于運行水位，淹沒深度達不到水泵運行的要求，更加劇了水泵的汽蝕、振動。

四、技術改造

1.調整葉片角度。將葉片角度由0°改為-2°。

2.改換葉片材質。將鑄鐵葉片改為4只銅質葉片（改裝機組為6#機）。

3.加長水泵軸頸、降低喇叭管進水高度。將鑄鐵葉輪轂，導葉體改為鋼板焊接件，水泵軸頸由原設計110mm增至120mm，喇叭管懸高由1.0m降至0.65m。

4.改善進水流態。在進水流道喇叭管后加設ω型導流墻，高度為1.5m。導流墻用鋼板焊接而成（改裝19#機組）。

經過一段時間試運行后，分別對原機組和改造的機組進行了性能測試。從測試結果分析來看，三臺機組揚程基本一致，6#機組稍高；流量17#最大，6#和19#基本一樣；輸入功率17#機最大，19#機最小，只有17#機的72.5%；裝置效率19#機最高，達54.19%，而6#和17#機明顯低于19#機組。

對6#、17#、19#三機組又進行了檢查，檢查情況如下：

由檢查結果可知，6#機與19#幾運行臺時相差約1000臺時，6#葉片為銅質，葉片汽蝕情況比19#機好，但葉輪外圈汽蝕情況要比19#機嚴重的多。17#機運行臺時于19#機接近，但葉片和葉輪外圈汽蝕情況都比19#嚴重。

綜合測試和檢查的結果可以看出，19#機的性能要比其他兩臺要好得多，安裝ω型導流墻，對延長機組壽命，減輕管理上的負擔，提高水泵的效率，提高泵站的經濟效益，有較大的經濟價值，是一項較好的措施，從而也可以看出改善水泵的進水流態，對改善水泵汽蝕性能有較大作用。另外，改善葉片材質對提高汽蝕性能也有較大效果