大屯水库入库泵站初期运行性能分析

张林，董卫军，桑国庆

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250014；2.济南大学，山东济南250022）



大屯水库入库泵站初期运行性能分析

张林1，董卫军1，桑国庆2

（1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东济南250014；2.济南大学，山东济南250022）

对大屯水库入库泵站运行初期的性能数据进行统计分析表明，在水库从空库逐步蓄水至设计库容的一个完整充库过程中，水泵机组运行平稳，随着库水位的抬高，单机抽水流量基本保持不变，抽水功率会显著增加。进一步对影响泵站效率的各因素逐项进行研究表明，过流通道损失偏大和水泵最高效率点扬程偏高是泵站低扬程工况下效率偏低的主要原因。

平原水库；入库泵站；运行性能；特性曲线

大屯水库设计最大库容5 209万m3，死库容745万m3。设计充库时间为4～6月和10～12月，分两次充库122 d，年度完成两次蓄满放空循环。入库泵站设计为坝后湿式厂房，水流从鲁北干线末端通过引水渠进入泵站前池和进水池、经水泵装置提水后进入出水池，再经压力箱涵、穿坝涵洞和入库闸门进入水库。

根据水库调节计算成果，再考虑进、出水池水力损失（按1.0 m估算），确定水泵平均扬程6.75 m，最低扬程2.20 m，最高扬程11.40 m。入库泵站设计安装4台1200HD-9型立式混流泵机组，其中3用1备。

1　泵站初期运行情况

2013年泵站试运行以来，大屯水库经历了从空库逐步蓄水至设计库容的一个完整过程，相应地泵站也经历了一个从以最低扬程运行到以最高扬程运行的工况变化过程。2013年11月～12月、2015年5月～6月期间，泵站以3台机组运行共计46 d，每2 h记录一次运行数据，取其日平均值，分别拟合绘出泵站的扬程～流量性能曲线、扬程～效率性能曲线、扬程～功率性能曲线如图1～图3所示。其中的扬程H为水库水位与泵站进水池水位之差，流量为泵站3台机组的总流量，功率为泵站3台机组的电机总输入功率，效率为机组做功与总输入功率之比。

2　泵站运行性能分析

2.1扬程～流量特性

从图1中可见，扬程～流量性能曲线基本呈略向下倾斜形状，泵站流量大致保持不变，Q≈12m3/s，即单机抽水流量约4 m3/s。从A点到B点，扬程增加了300%，流量仅下降不足5%。所以，鲁北干线在调度运行时，可以认为渠道末端分水流量保持不变，这有利于减少沿线各节制闸的调节，从而保持全线流量和水位稳定。

图1　泵站扬程～流量性能曲线

图2　泵站扬程～功率性能曲线

图3　泵站扬程～效率性能曲线

一般混流泵的流量随扬程的增加而显著降低，图1显示的泵站流量基本与扬程无关的特性，应与泵站较长的过流通道有关。水流自进水池入库，其间除了水泵自身的过流通道外，还要流经进水钢管、出水钢管、侧翻拍门、出水池、穿坝涵洞、入库闸门等设备和建筑物，其过流阻力基本与流量成平方关系，正好与水泵自身扬程～流量特性相反，所以抑制了图1中曲线的斜率。可知过流通道对泵站的过流特性产生较大影响。

2.2扬程～功率特性

从图2中可见，扬程～功率性能曲线呈明显的上升形状，随着ΔH的增加（即库水位抬高）而显著增加。所以，鲁北干线在调度运行时，应尽量抬高渠道末端水位，以相应抬高泵站进水池水位，降低泵站扬程，从而可以降低电机功率，实现泵站的经济运行。

2.3扬程～效率特性

从图3中可见，拟合得到的扬程～效率性能曲线呈明显的上升形状，没有得到理想的单峰曲线。随着ΔH的增加（即库水位抬高）而大幅提升，从A点至B点，扬程增加了300%，效率从25%增加到65%。水库高水位时的泵站效率远高于低水位时的效率，这也是图2中与之间并不成等比例关系的原因，尽管泵站做功随库水位抬高而等比例增加，但效率的提升大幅降低了所需电机输入功率的增加幅度，从而抑制了图2中扬程～功率曲线的斜率。进一步分析泵站效率：

式中ρ为水的密度；g为重力加速度；H1为水泵扬程，H1=H+ΔH；ΔH为进、出水钢管、侧翻式拍门、等过流通道的水头损失；ΔP为电机总输入功率与输出轴功率之差。泵站效率η为水泵效率η1、电机效率η2和过流通道效率η3三项的乘积，任何一项的变化都会导致泵站效率的变化。

1）过流通道效率。泵站运行过程中ΔH没有实际测得，假设Q保持不变，推算ΔH≈1.5 m。根据式（1）可知，η3随H的增加而单调递增，所有能够降低ΔH的措施，如泵站设计中采用新型侧翻式拍门、增加出水池和入库涵洞几何尺寸，在运行过程中保持入库闸门全开等，都能够提高η3，从而提高η。将η3对H求二阶导数，可得

η3=2ΔH/（H+ΔH）3＜0（2）

可知随着H的增加，η3的增长速率逐渐降低。所以降低ΔH，在低扬程工况下能够尤为显著地提高η3，从而可以提高η。

2）电机效率。根据电机出厂资料计算得到的单台电机的η2随P的变化曲线如图4所示，以M点为界，该曲线可大致分为两段：P＞200 kW时，η2保持在90%以上高效运行，并可视其基本不变；P＜200 kW时，η2与P基本呈线性关系，当P下降时，η2也迅速下降。泵站3台机组运行时P＞900 kW，所以电机工作点均处于高效运行段，并且距离M点较远。可见在泵站整个运行扬程范围内，η2基本不变，从而对η不会对产生影响。

图4　电机效率曲线

3）水泵效率。图5为水泵出厂试验中的扬程～效率性能曲线，因试验台限制，没有获得6 m扬程以下的数据。H1～η1曲线呈明显的单峰形状，其最高效率点（E点）扬程H≈8.7 m，超出设计平均扬程约2 m。以E点为界，在高扬程侧，η1效率下降幅度相对较小，在最高扬程10 m时，η1≈80%。在低扬程侧，η1大幅下降，在平均扬程6.75 m时，η1已较最高效率下降了约5个百分点，偏离E点越远，则η1的下降速度也越快。对照图3、图4、图5，按式（1）计算，在较低扬程4 m以下时，η1低于60%；在最低扬程2 m以下时，η1低于40%。

根据初期运行情况和以上分析可知，选用混流泵来适应泵站扬程大幅变化运

行工况的水泵选型思路是可行的，1200HD-9型混流泵能够满足大屯水库入库泵站运行要求，但其E点扬程偏高，使得实际运行过程中η1的高效区段没有得到充分利用，H～η曲线没有得到预期的单峰形状，这不仅使得低扬程工况下泵站效率偏低，而且在偏离E点较远的工况下运行，长期运行水泵性能下降后有可能出现振动、汽蚀等不良现象。混流泵站如何进行水泵选型以扩大高效运行范围，需要在日后同类型泵站设计进一步研究。

图5　水泵效率曲线

3　结语

1）选用混流泵来适应大屯水库入库泵站扬程大幅变化工况的水泵选型思路是可行的，初期运行实践表明，泵站运行平稳，各项性能指标满足泵站设计要求。

2）可以预设泵站单机流量保持为4 m3/s不变，这有利于鲁北干线在调度运行时减少沿线闸门调节，保持全线流量和水位稳定。

3）泵站功率随泵站扬程增加而显著增加，鲁北干线在调度运行期间，应尽量抬高渠道末端水位，降低泵站扬程，实现泵站的经济运行。

4）深水高坝型平原水库的入库泵站水泵选型问题还需进一步深入研究，以扩大泵站高效运行范围。

（责任编辑迟明春）

TV675

B

1009-6159（2016）-07-0020-02

2016-02-23

张林（1974—），男，高级工程师

山东省省级水利科研与技术推广项目SDSLKY201505，2014年国家青年基金51409119。