多工况条件下某滨海抽水泵站水力特性研究

殷振兴，刘俊青

(江苏省淮沭新河管理处， 江苏 淮安 223005)

水资源供给问题是我国当前社会发展的一个棘手问题。目前，我国在全面推动创新制造工艺发展，研究设备创新、材料更新等前沿课题[1-2]，其中抽水泵站作为解决我国长途水资源调配中一个较为关键的法宝，逐渐被较多水利工作人员所运用[3-5]。抽水泵站由于其工作的特殊性，对管路防护压力、阀门开关等构件设备均有较高要求，设备的损坏或瘫痪均会影响水力传输效率，更严重的甚至会发生爆管、供水管线瘫痪等问题[6-8]。因而，有必要进行长距离传输水泵站水力特性的深入研究，已有较多学者[9-11]根据具体泵站运行状况，研究了泵站的水力特性，但针对统一所有工况，设定泵站多工况运行等方面的研究内容较少。本文基于数学模型计算分析，研究了各工况条件下泵站传输效率，反映水泵与泵站水力特性的关系，为提升泵站工作效率提供一定的参考。

1 工程概况

某滨海抽水泵站为江苏连云港抽水蓄能供水工程线路，设计全长26.3 km，该抽水线路连着连云港市新修水池，水池修建地势高程较高，达到815 m，利用重力水流原理，一部分输送水势能至蓄能站，控制流量为0.28 m3/s，另一部分作为附近农田灌溉用水，流量较小，控制在0.15 m3/s。抽水泵站段全长13.7 km，采用3.1 km长压力钢管从滨海地段输送至高水头水池。该泵站设计采用5台水泵作业，安装在高程623 m处，进水支管长度为20.1 m，出水支管长度为18.7 m，每台水泵工作流量为0.22 m3/s。由于工程传输线路途径区域地质条件较为复杂，穿越滨海冲积平原黏土层，而且水头压力处于较高状态，泵站控制这条蓄能线路的送水、回水压力，这对泵站的安全运营是一个较大的挑战，而不同水泵工作状态下，泵站水力特性会有所差异，亦影响泵站传输压力，因而本文将针对泵站不同水流状态下，研究1台泵、3台泵、5台泵分别独立、并联运营工况下泵站水力特性差异。

2 不同工况下抽水泵站水力特性分析

2.1 泵站稳态运行过程水力特性分析

泵站进出水支管及总管损失系数作为泵站运行一个较为关键的技术参数，根据工程实际资料设定进出水支管损失系数η1=30.129，总管损失系数为η2=14.371。对于单泵定速运行的工况，拟合水泵的基本特性曲线——流量-扬程曲线(Q-H曲线)和流量-效率曲线(Q-η曲线)[12-13]，计算公式如式(1)、式(2)所示：

H=AQ2+BQ+C

(1)

η=aQ3+bQ2+cQ

(2)

式中：A、B、C、a、b、c为水泵基本特性曲线参数；H为扬程，Q为流量，η为效率。将三组数据代入，即可求得方程参数，解出实际方程，从而绘制曲线。而单台水泵的有效功率计算公式如式(3)所示：

W=9.8×Q×H

(3)

由上述公式根据已知条件可计算相关参数，表1为1台泵在稳定运行过程中泵站水力特性参数，根据上述相同计算方法可分别计算出3台泵和5台泵在稳定运行过程中泵站水力特性参数。

表1 一台泵稳态运行计算结果

将各个数值计算结果进行汇总，可获得不同扬程工况条件下泵站水力特性参数，详见2～表4。

表2 扬程H=137.80 m工况下泵站效率表

表3 扬程H=155.36 m工况下泵站效率表

表4 扬程H=193.50 m工况下泵站效率表

根据泵站稳态运行状态下数学模型计算结果可知：

(1)在同等水泵运行非变频工况下，随着水泵净高增大(运输长轴增大)，单泵流量降低，运行效率增大，且各工况条件下单泵效率均超过64%，单泵工况下净高193.50 m下传输效率相比155.36 m下提升了6.3%。

(2)在同等净高非变频工况下，水泵并联台数增多，泵站传输效率及扬程更高，193.50 m净高下5台泵并联运输效率是1台泵各工况下的1.1倍。

(3)在稳态变频运行工况下，单泵效率均提升了4.3%～9.3%，且随着并联水泵的增多，单泵变频效率的提升更为显著。

2.2 泵站水力过渡过程水力特性分析

同理，经计算可获得不同工况条件下水力过渡过程泵站水力特性参数，详见表5。

根据水力过渡过程各工况下泵站水力特性参数，可知：

(1)单台泵运行条件下并不出现负荷压力，而在3台泵、5台泵并联工况下均出现了负荷压力倒转。

(2)通过布设液控阀配置排气阀的防护措施，3台泵、5台泵倒转流量显著降低，倒转速度减弱，但消弱负荷压力影响甚微，部分最小水头线仍在管道线以下，影响泵站正常运行。

(3)在部分断面发生倒转时，可针对某一断面管道进行加固，保护全断面不受水力倒转影响。

2.3 泵站水重力流段水力特性分析

由于本供水线路涉及到重力水流，因而特别对重力流段开展水力特性参数研究很有必要，同样分析稳态运行状态与过渡过程状态下水力特性，包括了沿程与局部水头损失。

图1为泵站压力特性曲线。从图中可知，稳态压力处于动态变化状态，但整体上是先减小后增大的态势，稳态压力最小值出现在断面354.3 m处。重力流过渡过程设定泵站关闭时刻为1800 s，调整开启泵站时间与角度，研究过渡过程不同开阀时间与开阀角度对泵站稳定性的影响。

表5 各工况下水力过渡过程水力特性参数结果

图1 泵站压力特性曲线

根据工程实际工况，本文设定关阀时间统一为1800 s，开阀时间与开阀角度分别选取30 s-75°、30 s-85°、20 s-65°、20 s-75°、20 s-85°，计算结果详见表6。

根据表6计算结果可知，在同一1800 s关阀时间与20 s开阀时间下，随着开阀角度增大，最大压力有所增大，85°开阀角度相比65°、75°分别增大了14.2%、3.4%，最小压力变化并不发生显著变化。而在同为75°、85°开阀角度下，随着开阀时间减小，最大压力亦呈增大态势，在75°、85°开阀角度下，20 s开阀时间相比30 s开阀时间分别提高了4.8%、3.3%。另一方面，在20 s或30 s开阀时间下，过65°开阀角度后，泵站均无法正常安全运营。

表6 5种工况下水力特性参数

3 结 论

(1)在同等水泵稳态非变频工况下，随水泵净高增大，单泵流量降低，运行效率增大，且各工况下单泵效率均超过64%；同等净高稳态非变频工况下，水泵并联台数增多，传输效率及扬程更高；在稳态变频工况下，单泵效率均提升了4.3%～9.3%，且随着并联水泵的增多，单泵变频效率的提升更为显著。

(2)在水力过渡过程工况下，单台泵运行并不出现负荷压力，而3台泵、5台泵态势逆转，出现负荷压力；通过布设液控阀配排气阀的防护措施，3台与5台泵工况下倒转流量显著降低，倒转速度减弱，但消弱负荷压力的影响效果甚微。

(3)同一1800 s关阀时间与开阀时间下，随开阀角度增大，管路最大压力有所增长，85°开阀角度相比65°、75°分别增大了14.2%、3.4%；同一开阀角度下，随开阀时间减小，最大压力呈增大态势，75°、85°开阀角度下20 s开阀时间相比30 s分别提高了4.8%、3.3%。