牛欄江大功率離心泵模型試驗結果分析

劉登峰 ，黎 輝

（1. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

牛欄江—滇池補水工程是一項水資源綜合利用工程，是滇中調水的近期重點工程。工程由德澤水庫水源樞紐工程、干河泵站工程及干河提水泵站～昆明輸水線路工程組成。工程位于云南省曲靖市及昆明市境內。多年平均設計引水量為5.72億m3。工程近期的主要任務是補充滇池生態水量。改善滇池水環境，并在昆明發生供水危機時，提供城市生活及工業用水。2030年主要任務為曲靖市生產、生活供水，其次與金沙江調水工程共同向滇池補水，并作為昆明市的后備水源提供供水安全保障。

1 泵站概況

德澤水庫位于牛欄江上，距昆明市公路里程173km、距曲靖市 84km、距沾益縣 72km。為多年調節水庫，水庫總庫容4.48億m3，調節庫容2.27億m3，年供水量約5.72億m3，其中枯季水量為2.43億m3，汛期水量為3.29億m3，供水保證率為70%，水量汛枯比為57.5/42.5。引水、輸水系統設計流量為23m3/s，最大允許過流量24m3/s，多年平均年運行時間6910h，以年供水量控制。干河泵站位于德澤水庫上游的干河村附近，承擔從德澤水庫提水至出水池的任務。泵站出水池～昆明的輸水渠道、隧洞系統長約115.6km。電站安裝4臺立軸、單級、單吸離心式水泵電動機組，電動機單機容量約 22MW。哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電）于2010年12月中標該項目。德澤水庫泵站主要參數如下：

（1）揚程

最高幾何揚程：224.8m；

最高揚程(含水力損失Q=3×7.67m3/s)：233.2m；

最低幾何揚程：186.3m；

最低揚程(含水力損失Q=1×7.67m3/s)：187.4m；

設計揚程（含水力損失Q=3×7.67m3/s）：21.2m；

加權平均揚程（含水力損失 Q=3×7.67m3/s）：

208.7 m。

（2）流量

輸水系統設計通過流量：23m3/s；

輸水系統最大通過流量：24m3/s。

（3）引水系統水損

引水系統總水力損失：0.019849Q2；

其中水泵進水閥門前的引水系統的水力損失：0.006427Q2。

（4）水泵運行方式

泵站全部4臺水泵均采用變速運行。在設計揚程221.2m以下采用3臺水泵電動機組降速調節，控制泵站總出水流量23～24m3/s；在設計揚程221.2m以上，則根據水庫上游來流情況，采用3臺水泵電動機組額定轉速運行，或特殊情況下采用4臺水泵電動機組降速調節（過渡過程考慮4臺機運行工況），控制泵站總出水流量 20～23m3/s。

（5）泵站管道特性

干河泵站供水系統主要由進水口、有壓引水隧洞、調壓井、進水支管、水泵、出水支管、壓力管道、水泵出水池等組成。引水隧洞長3323.7m，洞徑4.0m。上游調壓井為圓筒式調壓井，上筒內徑11.0m，下筒內徑 4.0m，調壓井后主壓力鋼管段長 58.172m，內徑4.0m，最長一根支管至機組中心長 43.681m，內徑2.0m；水泵機組出口主壓力鋼管長約595.309m，內徑3.2m，最長一根壓力鋼管支管長約 21.294m，內徑1.2m。在不同運行水位組合，當水泵電動機組突發各種最不利組合工況斷電事故，水泵出水液壓球閥分階段關閉時，要求水泵葉輪進口不能出現負壓，最大水擊壓力不超過100m；水泵蝸殼出口最大水擊壓力升高不超過 30%，水泵電動機組最大倒轉轉速不超過 1.2倍的額定轉速。

（6）泵站機組臺數

工作水泵臺數：3臺；備用水泵臺數：1臺。

（7）水泵型式：立軸單吸單級離心泵；

（8）水泵轉速：600r/min；

（9）水泵安裝高程：1725m。

2 驗收試驗臺和試驗裝置介紹

本次驗收試驗在哈電大電機研究所高水頭水力機械模型試驗II臺進行。高水頭試驗II臺是一座高參數、高精度的水力機械通用試驗裝置。試驗臺設有兩個試驗工位，可以分別對混流式、軸流式、貫流式和可逆式水輪機進行模型試驗。試驗臺可按 IEC60193及IEC609等有關規程規定進行效率、空化及飛逸轉速等主要性能試驗，也可進行壓力脈動、力特性、四象限、補氣及模型葉輪葉片應力測量等補充試驗和其他科研工作。

2.1 試驗臺主要參數

最高試驗水頭（揚程）：150m；

最大試驗流量：2.0m3/s；

葉輪直徑：300～500mm；

測功機功率：500kW；

測功機轉速：0～2500r/min；

供水泵電機功率：600kW×2；

流量校正筒容積：120×2m3；

地下水庫容積：750m3；

試驗臺綜合效率誤差：≤±0.20%。

哈電針對牛欄江泵站參數開發了A1077模型葉輪及其模型試驗裝置,是在流態數值模擬分析和水泵流道的各部件優化設計完成之后，全新設計和制造的。材料為金屬材料，其中，進水管直錐段部位，采用了透明有機玻璃，以便于觀測模型葉輪葉片進水邊的流動情況。水泵模型裝置包括進水管、底環、葉輪、頂蓋、座環、蝸殼和水泵出水口等。模型試驗裝置主要參數如下：

葉輪型號：A1077；葉片數：9；

葉輪低壓邊直徑：306.94mm；

葉輪高壓邊直徑：614.5mm；

高壓測量斷面面積：A1=0.062m2；

低壓測量斷面面積：A2=0.2493m2；

試驗室重力加速度：g=9.80647m/s2。

3 模型驗收試驗結果分析

試驗依據《牛欄江-滇池補水工程干河泵站水泵及其配套設備采購供貨合同協議書》及 IEC60193-1999《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗規程》，IEC497-1976《蓄能泵模型驗收試驗國際規程》，IEC995-1991《由水力機械模型驗收試驗依據比例尺效應確定其原型性能的國際規程》。在驗收試驗前，對試驗用力矩傳感器、揚程差壓傳感器、尾水絕壓傳感器、電磁流量計、壓力脈動傳感器及力特性用壓力傳感器等進行了現場原位率定。

3.1 效率性能

模型效率試驗在測功機定轉速800r/min高空化系數下進行，同時變測功機轉速700r/min裝置空化系數下進行了試驗結果驗證，結果表明測功機轉速800r/min和700r/min效率重復很好，水泵效率中考察的設計點效率、最優效率、加權平均效率、設計和最高揚程下流量和最大入力均滿足合同規定要求，試驗結果比較如圖1所示。模型最優效率點連續采樣10次計算得出效率重復性誤差為±0.0135%，最優效率點具有非常穩定的效率輸出。

圖1 空化試驗結果比較（含泵站正常運行范圍）

表1 水泵效率性能試驗與合同保證值比較

3.2 空化性能

空化性能驗收試驗在定測功機轉速700r/min下進行，空化系數的基準面為模型導葉中心線高程。空化試驗選擇的工況點從初步試驗結果中選取若干點，包括最優效率點、設計點、最大揚程點、最小揚程點。做出完整的空化特性曲線，根據觀測來確定初生空化系數。對空化試驗過程中初生氣蝕σi和效率下降0.5%的σc時的氣泡和旋渦的長度、分布及面積進行拍照和記錄。結果表明在整個電站單臺機運行和三臺機運行范圍內均沒有出現氣蝕現象，臨界空化系數和初生空化系數均小于裝置空化系數，在100%原型機額定轉速下最高揚程點和92%額定轉速下最低揚程點σp/σc均大于1.5，滿足合同規定要求。

表2 空化驗收試驗結果

3.3 壓力脈動試驗結果分析

壓力脈動試驗在定測功機轉速700r/min下進行，覆蓋正常運行工況、零流量工況和飛逸工況，測點位置如圖2所示，傳感器為美國PCB公司生產的112A22壓電式動態壓力傳感器，具有較高的靈敏度和較高的頻率響應特性。試驗中采樣率為2000Hz，每次每個通道采集20000個數據點，用快速傅里葉變換求取各分頻幅值和相位，繪制出壓力脈動信號的時域和頻譜曲線。壓力脈動特征幅值取 97%（國內慣例）置信區間下混頻雙振幅峰峰值，當前常用的統計學計算方法是先求取所測量數據結果的標準差，考慮到壓力脈動試驗通常采樣率選取的足夠高，每個試驗點下數據量足夠大，因此查詢97%置信度的Student‘s分布自由度接近無限大的t值為2.17，即表征模型水輪機壓力脈動混頻雙振幅峰峰值與試驗水頭比值計算如下：

式中：

△Xpp——取置信概率為97%的壓力脈動峰峰值；

H——模型壓力脈動試驗數據點對應的試驗水頭；Σ——壓力脈動試驗采集數據的標準差；

n——壓力脈動試驗采集數據的總量。

圖2 壓力脈動試驗測點

表3 壓力脈動試驗結果

結果表明，在水泵正常運行范圍內，各個測點內的壓力脈動峰峰值均滿足合同規定要求，頻譜分析結果未發現異常的分頻幅值。在零流量和飛逸工況下未出現影響機組運行的較大振動。

3.4 零流量試驗結果分析

分別在模型測功機轉速400～800r/min無空化條件下和800r/min下變空化系數下進行。為防止零流量時水流擾動對揚程傳感器的影響，關閉模型試驗臺水泵前后端閥門，出水流量為零狀態下，并在高低壓罐分別接入兩壓力傳感器測量高低壓以求得揚程。同時進行了壓力脈動性能測定。

表4 零流量試驗結果

經復核，在無空化條件下，水泵在零流量揚程為237.5m，輸入功率為6.48MW（未考慮效率修正）。為進一步了解電站起機過程中的穩定性和揚程裕度，進行了零流量閥門動態開啟試驗，在零流量狀態下，將水泵出口閥門電動動態開啟，記錄這一短暫過程中水泵揚程和各測點壓力脈動幅值的變化，部分模擬了泵站起機過程。試驗結果如圖3所示，從零流量到正常運行工況，水泵揚程裕度都維持在保證值之上，壓力脈動峰峰值較零流量試驗值時沒有大的變化，泵站能夠正常穩定起機。

圖3 閥門動態開啟水泵特性曲線

3.5 四象限及飛逸試驗結果

水泵四象限試驗包括水泵試驗工況、水泵制動工況、水輪機工況、飛逸工況。驗收試驗對四象限試驗進行了復核。對泵站運行異常斷電情況進行試驗模擬，飛逸試驗在電站裝置空化系數下進行，獲得最大單位飛逸轉速n11r=50.72r/min，換算到原型最高揚程233.2m下最高飛逸轉速為 758.3r/min，低于合同要求的780r/min。四象限及飛逸試驗結果如下：

圖4 四象限試驗曲線（n11-Q11）

圖5 四象限試驗曲線（n11-T11）

3.6 進水管壓差試驗(指數試驗)結果

指數試驗是利用作用在水泵進水管上兩個固定的側點上的壓力差隨流量的變化規律來測量流量的方法，以便為用于現場試驗相應的相對流量計算公式獲取能夠應用于原型機上。根據模型試驗對流量的準確測量數據，確定流量和進水管壓差之間的關系，再換算到原型機上。所有用壓差測量的指數試驗都可以用下式描述：

式中：△P—用壓差計測量的兩測壓孔之間的壓差值；Qm—模型試驗流量，m3/s；K和n均為常數，n值通常在0.48～0.52范圍內。

3.7 水泵軸向水推力試驗結果

軸向水推力試驗在各種工況運行范圍內最不利工況條件下進行，根據模型水泵靜壓軸承上、下油腔油壓力之差確定，實驗前用標準砝碼對差壓傳感器進行標定，確定了傳感器讀數和軸向力之間的線性關系，考慮水流對葉輪上冠和下環的軸向作用力、葉輪自身重力、葉輪所受水浮力以及水流對葉輪內腔表面的軸向作用力，用下述公式計算單位軸向力TH11，換算后確定了原型水泵的最大軸向水推力如圖8所示，原型機最大軸向水推力滿足合同保證要求。

圖6 進水管壓差測點

圖7 進水管壓差測流試驗曲線

圖8 原型機葉片軸線水推力試驗曲線

4 結論

總結牛欄江大功率泵驗收試驗得出如下結論：

（1）驗收試驗臺效率綜合測量誤差≤ ±0.20%，最優效率點重復性誤差為±0.0135%，滿足驗收試驗要求。

（2）模型最優效率、原型機設計點效率、原型機最優效率和加權平均效率均滿足合同規定要求，且設計工況點附近高效率區寬。原型機設計揚程下流量達到7.8m3/s，加權平均效率超過92.7%，大大超過常規水泵效率，達到了國際較高水平。

（3）在泵站一臺機或者三臺機運行時，運行范圍內葉輪進口邊均沒有發現氣蝕現象。臨界空化大大低于裝置空化系數，葉輪空化性能良好，且留有較大的安全裕量。水泵過流系統內壓力脈動最大值發生在無葉區，全揚程區間內峰峰值小于8%，運行范圍內各測點位置壓力脈動峰峰值均小于保證值，頻譜分析結果中未發現異常分頻幅值。最高飛逸轉速值、最大軸向水推力均滿足合同要求。

（4）泵站從零流量狀態起機過渡到駝峰區最后到穩定運行工況點均有安全的揚程裕量，能夠保證泵站正常的起機運行。

（5）綜合分析，哈電針對牛欄江-滇池補水工程優化設計的A1077號模型泵輪，具有優良的綜合性能，相應投產的真機能夠保證泵站的長期高效穩定運行。

[1]GB/T 2900.45-1996, 電工術語, 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機[S].

[2]IEC60193. Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines -Model acceptance tests[S]. Canada .International Electrotechnical Commission.1999.

[3]曹錕. 水輪機原理及水力設計[M]. 北京: 清華大學出版社，1991.