牛栏江大功率离心泵模型试验结果分析

刘登峰 ，黎 辉

（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

前言

牛栏江—滇池补水工程是一项水资源综合利用工程，是滇中调水的近期重点工程。工程由德泽水库水源枢纽工程、干河泵站工程及干河提水泵站～昆明输水线路工程组成。工程位于云南省曲靖市及昆明市境内。多年平均设计引水量为5.72亿m3。工程近期的主要任务是补充滇池生态水量。改善滇池水环境，并在昆明发生供水危机时，提供城市生活及工业用水。2030年主要任务为曲靖市生产、生活供水，其次与金沙江调水工程共同向滇池补水，并作为昆明市的后备水源提供供水安全保障。

1 泵站概况

德泽水库位于牛栏江上，距昆明市公路里程173km、距曲靖市 84km、距沾益县 72km。为多年调节水库，水库总库容4.48亿m3，调节库容2.27亿m3，年供水量约5.72亿m3，其中枯季水量为2.43亿m3，汛期水量为3.29亿m3，供水保证率为70%，水量汛枯比为57.5/42.5。引水、输水系统设计流量为23m3/s，最大允许过流量24m3/s，多年平均年运行时间6910h，以年供水量控制。干河泵站位于德泽水库上游的干河村附近，承担从德泽水库提水至出水池的任务。泵站出水池～昆明的输水渠道、隧洞系统长约115.6km。电站安装4台立轴、单级、单吸离心式水泵电动机组，电动机单机容量约 22MW。哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称哈电）于2010年12月中标该项目。德泽水库泵站主要参数如下：

（1）扬程

最高几何扬程：224.8m；

最高扬程(含水力损失Q=3×7.67m3/s)：233.2m；

最低几何扬程：186.3m；

最低扬程(含水力损失Q=1×7.67m3/s)：187.4m；

设计扬程（含水力损失Q=3×7.67m3/s）：21.2m；

加权平均扬程（含水力损失 Q=3×7.67m3/s）：

208.7 m。

（2）流量

输水系统设计通过流量：23m3/s；

输水系统最大通过流量：24m3/s。

（3）引水系统水损

引水系统总水力损失：0.019849Q2；

其中水泵进水阀门前的引水系统的水力损失：0.006427Q2。

（4）水泵运行方式

泵站全部4台水泵均采用变速运行。在设计扬程221.2m以下采用3台水泵电动机组降速调节，控制泵站总出水流量23～24m3/s；在设计扬程221.2m以上，则根据水库上游来流情况，采用3台水泵电动机组额定转速运行，或特殊情况下采用4台水泵电动机组降速调节（过渡过程考虑4台机运行工况），控制泵站总出水流量 20～23m3/s。

（5）泵站管道特性

干河泵站供水系统主要由进水口、有压引水隧洞、调压井、进水支管、水泵、出水支管、压力管道、水泵出水池等组成。引水隧洞长3323.7m，洞径4.0m。上游调压井为圆筒式调压井，上筒内径11.0m，下筒内径 4.0m，调压井后主压力钢管段长 58.172m，内径4.0m，最长一根支管至机组中心长 43.681m，内径2.0m；水泵机组出口主压力钢管长约595.309m，内径3.2m，最长一根压力钢管支管长约 21.294m，内径1.2m。在不同运行水位组合，当水泵电动机组突发各种最不利组合工况断电事故，水泵出水液压球阀分阶段关闭时，要求水泵叶轮进口不能出现负压，最大水击压力不超过100m；水泵蜗壳出口最大水击压力升高不超过 30%，水泵电动机组最大倒转转速不超过 1.2倍的额定转速。

（6）泵站机组台数

工作水泵台数：3台；备用水泵台数：1台。

（7）水泵型式：立轴单吸单级离心泵；

（8）水泵转速：600r/min；

（9）水泵安装高程：1725m。

2 验收试验台和试验装置介绍

本次验收试验在哈电大电机研究所高水头水力机械模型试验II台进行。高水头试验II台是一座高参数、高精度的水力机械通用试验装置。试验台设有两个试验工位，可以分别对混流式、轴流式、贯流式和可逆式水轮机进行模型试验。试验台可按 IEC60193及IEC609等有关规程规定进行效率、空化及飞逸转速等主要性能试验，也可进行压力脉动、力特性、四象限、补气及模型叶轮叶片应力测量等补充试验和其他科研工作。

2.1 试验台主要参数

最高试验水头（扬程）：150m；

最大试验流量：2.0m3/s；

叶轮直径：300～500mm；

测功机功率：500kW；

测功机转速：0～2500r/min；

供水泵电机功率：600kW×2；

流量校正筒容积：120×2m3；

地下水库容积：750m3；

试验台综合效率误差：≤±0.20%。

哈电针对牛栏江泵站参数开发了A1077模型叶轮及其模型试验装置,是在流态数值模拟分析和水泵流道的各部件优化设计完成之后，全新设计和制造的。材料为金属材料，其中，进水管直锥段部位，采用了透明有机玻璃，以便于观测模型叶轮叶片进水边的流动情况。水泵模型装置包括进水管、底环、叶轮、顶盖、座环、蜗壳和水泵出水口等。模型试验装置主要参数如下：

叶轮型号：A1077；叶片数：9；

叶轮低压边直径：306.94mm；

叶轮高压边直径：614.5mm；

高压测量断面面积：A1=0.062m2；

低压测量断面面积：A2=0.2493m2；

试验室重力加速度：g=9.80647m/s2。

3 模型验收试验结果分析

试验依据《牛栏江-滇池补水工程干河泵站水泵及其配套设备采购供货合同协议书》及 IEC60193-1999《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验规程》，IEC497-1976《蓄能泵模型验收试验国际规程》，IEC995-1991《由水力机械模型验收试验依据比例尺效应确定其原型性能的国际规程》。在验收试验前，对试验用力矩传感器、扬程差压传感器、尾水绝压传感器、电磁流量计、压力脉动传感器及力特性用压力传感器等进行了现场原位率定。

3.1 效率性能

模型效率试验在测功机定转速800r/min高空化系数下进行，同时变测功机转速700r/min装置空化系数下进行了试验结果验证，结果表明测功机转速800r/min和700r/min效率重复很好，水泵效率中考察的设计点效率、最优效率、加权平均效率、设计和最高扬程下流量和最大入力均满足合同规定要求，试验结果比较如图1所示。模型最优效率点连续采样10次计算得出效率重复性误差为±0.0135%，最优效率点具有非常稳定的效率输出。

图1 空化试验结果比较（含泵站正常运行范围）

表1 水泵效率性能试验与合同保证值比较

3.2 空化性能

空化性能验收试验在定测功机转速700r/min下进行，空化系数的基准面为模型导叶中心线高程。空化试验选择的工况点从初步试验结果中选取若干点，包括最优效率点、设计点、最大扬程点、最小扬程点。做出完整的空化特性曲线，根据观测来确定初生空化系数。对空化试验过程中初生气蚀σi和效率下降0.5%的σc时的气泡和旋涡的长度、分布及面积进行拍照和记录。结果表明在整个电站单台机运行和三台机运行范围内均没有出现气蚀现象，临界空化系数和初生空化系数均小于装置空化系数，在100%原型机额定转速下最高扬程点和92%额定转速下最低扬程点σp/σc均大于1.5，满足合同规定要求。

表2 空化验收试验结果

3.3 压力脉动试验结果分析

压力脉动试验在定测功机转速700r/min下进行，覆盖正常运行工况、零流量工况和飞逸工况，测点位置如图2所示，传感器为美国PCB公司生产的112A22压电式动态压力传感器，具有较高的灵敏度和较高的频率响应特性。试验中采样率为2000Hz，每次每个通道采集20000个数据点，用快速傅里叶变换求取各分频幅值和相位，绘制出压力脉动信号的时域和频谱曲线。压力脉动特征幅值取 97%（国内惯例）置信区间下混频双振幅峰峰值，当前常用的统计学计算方法是先求取所测量数据结果的标准差，考虑到压力脉动试验通常采样率选取的足够高，每个试验点下数据量足够大，因此查询97%置信度的Student‘s分布自由度接近无限大的t值为2.17，即表征模型水轮机压力脉动混频双振幅峰峰值与试验水头比值计算如下：

式中：

△Xpp——取置信概率为97%的压力脉动峰峰值；

H——模型压力脉动试验数据点对应的试验水头；Σ——压力脉动试验采集数据的标准差；

n——压力脉动试验采集数据的总量。

图2 压力脉动试验测点

表3 压力脉动试验结果

结果表明，在水泵正常运行范围内，各个测点内的压力脉动峰峰值均满足合同规定要求，频谱分析结果未发现异常的分频幅值。在零流量和飞逸工况下未出现影响机组运行的较大振动。

3.4 零流量试验结果分析

分别在模型测功机转速400～800r/min无空化条件下和800r/min下变空化系数下进行。为防止零流量时水流扰动对扬程传感器的影响，关闭模型试验台水泵前后端阀门，出水流量为零状态下，并在高低压罐分别接入两压力传感器测量高低压以求得扬程。同时进行了压力脉动性能测定。

表4 零流量试验结果

经复核，在无空化条件下，水泵在零流量扬程为237.5m，输入功率为6.48MW（未考虑效率修正）。为进一步了解电站起机过程中的稳定性和扬程裕度，进行了零流量阀门动态开启试验，在零流量状态下，将水泵出口阀门电动动态开启，记录这一短暂过程中水泵扬程和各测点压力脉动幅值的变化，部分模拟了泵站起机过程。试验结果如图3所示，从零流量到正常运行工况，水泵扬程裕度都维持在保证值之上，压力脉动峰峰值较零流量试验值时没有大的变化，泵站能够正常稳定起机。

图3 阀门动态开启水泵特性曲线

3.5 四象限及飞逸试验结果

水泵四象限试验包括水泵试验工况、水泵制动工况、水轮机工况、飞逸工况。验收试验对四象限试验进行了复核。对泵站运行异常断电情况进行试验模拟，飞逸试验在电站装置空化系数下进行，获得最大单位飞逸转速n11r=50.72r/min，换算到原型最高扬程233.2m下最高飞逸转速为 758.3r/min，低于合同要求的780r/min。四象限及飞逸试验结果如下：

图4 四象限试验曲线（n11-Q11）

图5 四象限试验曲线（n11-T11）

3.6 进水管压差试验(指数试验)结果

指数试验是利用作用在水泵进水管上两个固定的侧点上的压力差随流量的变化规律来测量流量的方法，以便为用于现场试验相应的相对流量计算公式获取能够应用于原型机上。根据模型试验对流量的准确测量数据，确定流量和进水管压差之间的关系，再换算到原型机上。所有用压差测量的指数试验都可以用下式描述：

式中：△P—用压差计测量的两测压孔之间的压差值；Qm—模型试验流量，m3/s；K和n均为常数，n值通常在0.48～0.52范围内。

3.7 水泵轴向水推力试验结果

轴向水推力试验在各种工况运行范围内最不利工况条件下进行，根据模型水泵静压轴承上、下油腔油压力之差确定，实验前用标准砝码对差压传感器进行标定，确定了传感器读数和轴向力之间的线性关系，考虑水流对叶轮上冠和下环的轴向作用力、叶轮自身重力、叶轮所受水浮力以及水流对叶轮内腔表面的轴向作用力，用下述公式计算单位轴向力TH11，换算后确定了原型水泵的最大轴向水推力如图8所示，原型机最大轴向水推力满足合同保证要求。

图6 进水管压差测点

图7 进水管压差测流试验曲线

图8 原型机叶片轴线水推力试验曲线

4 结论

总结牛栏江大功率泵验收试验得出如下结论：

（1）验收试验台效率综合测量误差≤ ±0.20%，最优效率点重复性误差为±0.0135%，满足验收试验要求。

（2）模型最优效率、原型机设计点效率、原型机最优效率和加权平均效率均满足合同规定要求，且设计工况点附近高效率区宽。原型机设计扬程下流量达到7.8m3/s，加权平均效率超过92.7%，大大超过常规水泵效率，达到了国际较高水平。

（3）在泵站一台机或者三台机运行时，运行范围内叶轮进口边均没有发现气蚀现象。临界空化大大低于装置空化系数，叶轮空化性能良好，且留有较大的安全裕量。水泵过流系统内压力脉动最大值发生在无叶区，全扬程区间内峰峰值小于8%，运行范围内各测点位置压力脉动峰峰值均小于保证值，频谱分析结果中未发现异常分频幅值。最高飞逸转速值、最大轴向水推力均满足合同要求。

（4）泵站从零流量状态起机过渡到驼峰区最后到稳定运行工况点均有安全的扬程裕量，能够保证泵站正常的起机运行。

（5）综合分析，哈电针对牛栏江-滇池补水工程优化设计的A1077号模型泵轮，具有优良的综合性能，相应投产的真机能够保证泵站的长期高效稳定运行。

[1]GB/T 2900.45-1996, 电工术语, 水轮机、蓄能泵和水泵水轮机[S].

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

[3]曹锟. 水轮机原理及水力设计[M]. 北京: 清华大学出版社，1991.