豎井貫流泵裝置模型試驗與運行方案優化分析

陳 洋

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海 200439；上海寶山人力資源有限公司，上海 201900)

低揚程泵站在水資源調配、水環境改善、城市防洪和灌溉排澇等方面建設得越來越多，豎井貫流泵裝置水力性能優異，裝置效率高[1- 2]。近年來，不少學者對其進行了研究，例如劉君等[3]經過對比分析，得出前置豎井貫流泵裝置比后置豎井貫流泵裝置具有更好的內特性；周春峰等[4]研究了豎井貫流泵中豎井部分對貫流泵裝置的水力性能的影響；翟作衛等[5]對杏林灣排澇泵站豎井貫流泵裝置進出水流道流態進行數值模擬，得出出水流道通過設置中隔墩保證良好出水條件。隨著CFD技術的推廣，針對豎井貫流泵裝置內特性的研究越來越多。對豎井貫流泵的裝置模型試驗的測試研究也有，如楊建峰等[6]對通呂運河豎井貫流泵裝置開展了裝置模型試驗；袁堯等[7]對江陰定波雙向豎井貫流泵站進行物理模型試驗分析；徐磊等[8]對南水北調東線一期工程邳州站進行了裝置模型試驗研究，得出超高的裝置效率。但隨著豎井貫流泵的大型化發展，這些裝置試驗測試還不夠多，特別是更低揚程段的測試數據不多?？紤]到南方地區的超低揚程泵站凈揚程常只有1～2m，而流道水力損失至少也有0.4～0.6m，流道效率很低，使得裝置效率難以提高。規范根據調查資料分析，給出了裝置效率值得參考范圍，GB 50265—2010《泵站設計規范》[9]9.1.11規定“凈揚程低于3m的泵站，其裝置效率不宜低于60%”，然而隨著我國泵站設備設計水平和制造水平、流道研究和施工水平的提高，該范圍已不能完全反映現階段泵站的裝置效率水平。為此，仍然需要大量現階段的裝置模型試驗資料，反映現階段能達到的裝置效率水平。本文結合某特低揚程豎井貫流泵站，采用裝置模型試驗的方法，比較分析了出水流道增加中隔墩對裝置能量特性的影響，并對運行方案提出了優化調整建議。本文的試驗測試結果也是對現階段的低揚程豎井貫流泵裝置效率水平的部分體現，并提供了數據支持。

1 研究對象

浙江某沿海泵站單機設計流量20m3/s，泵站設計凈揚程0.98m，最低凈揚程0m，最高凈揚程2.76m。泵站裝設2臺前置豎井貫流泵，快速閘門(帶拍門)斷流。原方案選型設計水泵葉輪直徑D=2.60m，水泵轉速110r/min，進水流道寬7.2m，出水流道無中間隔水墩，快速閘門為單孔閘門，寬度6.0m。采用天津TJ04-ZL- 07#水力模型。由于工程原因，快速閘門起吊方案調整2孔3.1m寬閘門，出水流道增設1m寬中間隔水墩，出水流道長度和水位條件不變。原方案和調整方案的出水流道尺寸布置見表1，工程流道模型三維示意如圖1所示。

圖1 工程模型三維示意圖

表1 研究對象兩種方案尺寸

2 裝置模型試驗

裝置模型試驗臺主要工作參數如下。揚程：-1～16m；流量：0～0.8m3/s；動力機功率40kW，轉速0～1600r/min。泵進出口過流設施試驗采用封閉布置。原、模型過流部件幾何相似，尺寸按同一模型比確定。原、模型泵葉輪直徑Dn及Dm分別為2.6m和0.3m，模型比8.667。流道模型的加工如圖2所示。在無汽蝕條件下，完成水泵裝置模型葉片角度-4°～+4°常規動力特性試驗。氣蝕試驗時保持流量不變，通過對封閉循環系統抽真空，裝置有效氣蝕余量(有效凈正吸頭)隨系統真空度加大逐漸下降，效率下降1%時有效汽蝕余量即為臨界汽蝕余量NPSHc[10]。

圖2 進出水流道制作及模型裝置

3 能量特性試驗結果比較與分析

根據試驗數據采用相似定律換算至原型，葉輪直徑D=2.6m，泵轉速n=110r/min，葉片角0°下運行，如圖3—4所示：

圖3 無中隔墩方案原型裝置特性曲線

圖4 有中隔墩方案原型裝置特性曲線

對于出水流道無中隔墩方案，設計凈揚程0.98m時，模型裝置效率62.3%，流量Q=19.71m3/s。最大凈揚程2.76m時，模型裝置效率為67.26%，流量Q=12.32m3/s。

對于出水流道有中隔墩方案，設計凈揚程0.98m時，模型裝置效率64.6%，流量Q=19.89m3/s。最大凈揚程2.76m時，模型裝置效率為67.64%，流量Q=12.46m3/s。

試驗結果說明：設計揚程下流量略小于設計流量20m3/s。葉片角0°裝置最高效率點在揚程2.0m左右，最大值達76%、77%以上，與文獻[11]常州大運河東測試最優裝置效率75.69%相近。裝置模型能穩定運行，說明流道加設中間隔墩的設計亦合理。

4 增大轉速方案分析

4.1 轉速增加對能量特性的影響

以上為裝置揚程同泵站凈揚程條件下，設計凈揚程0.98m，葉片角0°流量勉強接近設計要求；但計及攔污柵污物水力損失，設計揚程取1.38m、葉片角0°時流量僅為18.83m3/s，裝置效率為73.69%。為加大流量，增加運行穩定性，適當增加轉速是必要的。取轉速120r/min，原型綜合特性如圖5所示；為作對比，取轉速125r/min，原型綜合特性如圖6所示。對比圖5—6，轉速加大到125r/min，雖然設計揚程流量比轉速120r/min稍有增大(葉片角0°增大1.2m3/s)，但裝置效率下降2.3%。為力求高效區接近設計揚程，取設計轉速120r/min。

圖5 轉速120r/min原型裝置特性曲線

圖6 轉速125r/min原型裝置特性曲線

4.2 轉速增加對氣蝕性能的影響

如圖7所示，110r/min全部運行范圍NPSHc在3.5～6m，臨界汽蝕余量NPSHc與轉速平方n2成正比。轉速由110r/min增加到120r/min，NPSHc增大1.19倍。根據試驗，110r/min全部運行范圍NPSHc不大于6m，與文獻[11](nD=285)測試結果相符。120r/min條件NPSHc應不大于7.2m，其值遠小于有效汽蝕余量，氣蝕性能良好。

圖7 原型裝置揚程與汽蝕特性曲線

5 結論與建議

(1)根據裝置模型試驗對比和外特性分析。出水流道增設中隔墩后，凈揚程0.98m時，裝置效率提高了2.3%，流量相差不大。但對于不同中隔墩長度的影響還有待進一步研究。

(2)可通過合理增加機組轉速，加大流量，調整優化運行方案，機組轉速的增加引起運行工況點氣蝕性能變化，本工程120r/min全部運行范圍NPSHc不大于7.2m，氣蝕性能良好。

(3)GB 50265—2010規定“凈揚程低于3m的泵站，其裝置效率不宜低于60%”，本文的試驗結果，在揚程2.0m左右，最大值達76%、77%以上。體現現階段特低揚程泵裝置的設備設計和制造水平所能達到的裝置效率。