淮安抽水二站加固改造工程機組效益分析研究

袁 聰 楊正東（江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200）

淮安抽水二站加固改造工程機組效益分析研究

袁 聰 楊正東
（江蘇省灌溉總渠管理處 淮安 223200）

本文對淮安抽水二站改造工程的立式軸流泵從模型裝置到真機運行不同階段的運行性能進行測試、分析，作為國內最大的軸流泵站及南水北調東線的主力泵站，淮安二站的成功改造經驗也為國內其他大型軸流泵站的改造提供了重要技術參考。

淮安抽水二站 加權平均效率 工程效益 研究分析

1 概述

淮安抽水二站位于淮安市楚州區南郊，是淮安水利樞紐工程的重要組成部分，也是南水北調東線工程的第二級泵站之一，泵站規模為大（Ⅱ）型。該站與淮安一站、淮安三站和淮安四站共同抽引江都站輸送的長江水入蘇北灌溉總渠，輸送至淮陰站下，滿足南水北調東線第一期工程第二、第三梯級抽水300m3/s的規劃目標。

改造后的淮安二站設計規模不變，仍為120m3/s，平均調水揚程3.82m，轉速由100r/min降為93.8r/min，配套5000kW立式同步電機，配套立式全調節軸流泵，葉輪直徑4.5m。改造工程于2010年12月開工建設，2012年12月通過試運行驗收。

2 擬定的技術要求

為達到預期改造效果，在設計階段即提出效率保證指標：水泵應具有較寬的高效率區及獲得較高的加權平均效率。在設計凈揚程為4.89m、抽水流量為設計流量時，水泵模型裝置效率不低于70%；水泵在平均凈揚程為3.82m時，在設計工況角度下，水泵模型裝置效率不低于71%；水泵在最大凈揚程為5.06m時，在設計工況角度下，水泵模型裝置效率不低于70%。水泵在最小凈揚程為2.0m時，在設計工況角度下，水泵模型裝置效率不低于58%。泵站的模型裝置加權平均效率應不低于70.5%。加權效率數值計算的公式如下：

η泵=0.1ηmax+0.3ηdes+0.55ηav+0.05ηmin

各特征揚程權重為：最高揚程0.1，設計揚程0.3，平均揚程0.55，最小揚程0.05。水泵設計工況點汽蝕比轉速C值不小于1000，保證水泵的抗汽蝕性能較高，并能獲得較高的平均效率。

3 泵站流道優化水力計算

為滿足泵站高效運行，滿足南水北調東線工程的設計要求，設計單位委托揚州大學進行了泵站進、出水流道流場數值模擬及優化水力計算，以評估現有流道的水力性能，從而確定是否對現有流道進行改造。

3.1 進、出水流道三維流動數值計算結果

對淮安二站現狀肘形進水流道的進水流場采用三維湍流模型進行了數值模擬。圖1為進水流道主要斷面的流場圖，根據流場模擬結果計算得出目標函數及設計流量時的流道水力損失結果：均勻度為93.3%，平均角度為87.83，流道水力損失為0.098m。

對虹吸式出水流道內的出水流場采用標準k-ε湍流模型進行了三維流動數值模擬，圖2為出水流道主要斷面的流場圖。可以看出，虹吸式出水流道上升段內的流態較為平順、無不良流態，但在流道下降段中墩兩側的底部區域存在較大范圍的旋渦區。

3.2 結論

（1）根據數值模擬計算結果，淮安二站現狀肘形進水流道流態較為平順、流道水力損失較小；由于流道原設計采用的流道高度偏小、流道寬度方向的收縮偏快，進水流道出口的流速均勻度略差。根據“只填不鑿”的要求，進水流道現有形線難以再作優化。

圖1 淮安二站肘形進水流道流場圖

圖2 淮安二站虹吸式出水流道流場圖

（2）根據數值模擬計算的結果，淮安二站現狀虹吸式出水流道上升段的流態較為平順，下降段的底部區域存在旋渦區，但流道的水力損失相對較小。如果對出水流道進行優化，須采用打壩施工的方案，而且流道下降段的水力損失對整個出水流道的水力損失影響不大。

（3）根據數值模擬計算的結果，淮安二站進、出水流道總的水力損失為0.55m，水力損失并不大，因此對進、出水流道建議不進行改造。

圖3 淮安二站水泵原型裝置綜合特性曲線

4 泵站模型裝置特性試驗

水泵生產廠家中標后，根據實施階段的水泵葉輪直徑及水泵結構尺寸，在河海大學試驗臺上進行了泵站模型裝置特性試驗，以檢驗和優化水泵水力性能。

4.1 試驗臺及測試裝置

河海大學水力機械多功能試驗臺是“211工程”重點建設項目之一，試驗綜合誤差≤0.5%，采用立式封閉循環系統，總容量為50m3。不僅可以做立式、臥式水泵及水輪機模型裝置特性試驗，而且可以做可逆式水泵、水輪機模型裝置特性試驗、正反向水泵工況和正反向水輪機工況等多功能的試驗研究。

4.2 試驗方法

按照《水泵模型及裝置模型驗收試驗規程》（SL140-2006）執行，測量流量、進口壓力、出口壓力、扭矩、轉速、真空度、大氣壓和水溫等參數。

4.3 試驗結果

采用葉片安放角分別為-6°、-4°、-2°、0°、+2°進行能量特性試驗，測試結果表明：模型最高裝置效率為72.69%，對應葉片安放角為0°，揚程為5.58m，模型流量為0.290m3/s，換算至原型流量為65.31m3/s；葉片安放角為-2°時，模型最高裝置效率為72.31%，對應揚程為5.30m，模型流量為0.266m3/s，換算至原型流量為59.77m3/s；設計工況點揚程4.89m時，模型裝置效率為72.2%，流量為0.275m3/s，換算至原型流量為61.86m3/s；平均凈揚程3.82m時，模型裝置效率為70.92%，流量為0.302m3/s，換算至原型流量為67.89m3/s。葉片安放角為-2.5°時，調水最高揚程5.06m，模型裝置效率為72.2%，設計揚程4.89m，模型裝置效率為72.2%，平均凈揚程3.82m，模型裝置效率為71.00%。

在設計揚程4.89m和平均揚程3.82m的情況下，泵站的裝置效率和流量均超過了設計要求。換算后的泵站原型裝置特性曲線見圖3，不同特征工況下試驗結果與合同保證值對比見表1。

表1 驗收試驗性能與招標文件保證值對比表（葉片安放角-2.5°）

表2 淮安二站機組現場實測結果與模型裝置試驗數據對比表

各特征揚程權重為：最高揚程0.1，設計揚程0.3，平均揚程0.55，最小揚程0.05。

5 泵站運行分析

5.1 試運行檢驗

淮安二站于2013年3月24日全站聯合試運行，單機連續試運行24h以上，試運行結果表明，機組運行穩定、各部位溫升正常，不同角度下的性能達到了要求。

5.2 能量特性分析

試運行期間，由江蘇省灌溉總渠管理處水文站進行了斷面流量測量。對不同角度下的揚程、流量和功率進行測量，并計算裝置效率，表2為現場實測結果。

5.3 機組運行穩定性及溫升情況

在試運行過程中，測量并記錄了主水泵、主電機的電流、電壓、功率、溫度、振動、噪聲等有關參數，均滿足設計和規范的要求。

6 結語

經過加固改造，淮安二站這座國內最大的軸流泵站繼續發揮巨大的經濟效益。由于淮北地區干旱，自2012年安裝完成后，工程即連續投入運行，截至2014年底，改造后的新機組已累計運行450天，近15000臺時，抽水量達35億m3。經過淮安二站的機組從模型裝置試驗、真機試運行、長期抗旱運行等不同階段，表明該站的機組在運行時的流量、效率等各項能量特性指標以及振動、溫升等機組運行的穩定性等方面，均達到了更新改造的預期效果