南水北调泗洪站变频调节灯泡贯流泵运行性能分析

马晔锦

(南水北调东线江苏水源有限责任公司宿迁分公司，江苏 宿迁 223800)

1 概 述

泗洪站是南水北调东线工程第四梯级泵站，设计流量120m3/s，主要任务是将洪泽湖水送至睢宁站；有地方排涝和通航功能。泗洪泵站有后置灯泡贯流泵机组5台套，调水设计净扬程3.23m，最大净扬程4.73m，平均净扬程1.60m，排涝设计净扬程3.14m。

为确保水泵性能，招标文件提出效率保证指标：水泵应有宽广高效率区，在平均扬程时应接近最高效率点。水泵效率应以相似条件下运行模型泵装置在试验室进行试验时所测定特性为基础，效率不作修正。水泵模型装置效率在设计扬程工况下应不小于75%；在平均扬程工况下应不小于77%，调水工况时加权平均效率不小于72.5%；加权平均效率计算方法如下：η=0.4ηdes+0.55ηav+0.05ηmax，式中ηdes、ηav、ηmax分别为设计扬程、平均扬程和最大扬程下水泵模型装置效率。

设备采购采用国内外厂家技术合作模式，国外负责灯泡贯流泵机组结构设计、水力设计和模型装置验收试验；关键部件包括水泵叶轮(含轮毂)、密封件由国外生产，其余零部件由国内根据国外厂家提供的图纸和工艺生产加工，国外负责质量控制，为适应工况变化，采用变频调节方式调节水泵转速。

2 灯泡贯流泵装置初步方案水力设计

针对泗洪站特点，运用数值流体力学解法(CFD)，综合参照数据库经验数据，解析水泵叶片和导叶形状及流力分布，优化设计参数，决定水泵设计方案，给出水泵叶片和导叶设计数据，自动绘制出3D模型并通过最先进激光造型机自动加工形成高精度设计模型。缩短水泵模型设计开发时间，而且该水力模型有宽广高效率区，良好汽蚀性能，在设计工况点附近保证良好水力性能。表1和图1给出了不包括叶轮和导流叶片情况下的流道水力损失分布，图2为调水平均扬程工况下速度分布。

表1 流道各部分水力损失

图1 不同工况下流道水力损失分布

图2 调水平均扬程工况下速度分布

3 灯泡贯流泵装置优化方案水力设计

江苏省南水北调泗洪站原建设单位会同相关院校对泗洪站贯流泵装置进、出水流道进行CFD分析研究，进一步复核泗洪站灯泡贯流泵装置初步方案进、出水流道设计和进一步完善泗洪站泵装置水力设计。修改后进水流道长度从原8.4m改为7.5m，进水流道原检修门前平直段改为渐变段；出水流道总长度改为14.6m，出水流道出口底部高程抬高1m。表2给出了不包括叶轮和导流叶片情况下流道水力损失分布，图3为调水平均扬程工况下速度分布。

图3 调水平均扬程工况下速度分布

表2 流道各部分水力损失

4 模型装置试验

4.1 试验台及测试装置

试验台中流道装置和模型泵系按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》(SL 140—2006)规定制作，模型泵叶轮外径为327mm (模型比1/9.33)，模型泵规定扬程与原型泵供水平均扬程保持一致(1.60m)，此时模型泵转速为984.2r/min。泵模型试验整体布置见图4。

图4 泵模型试验整体布置

试验中采用的主要测试设备包括电磁流量计、电子压力表、电子压力显示器、压力传感器、扭矩检测器、电子转矩表和温度传感器等，精度均满足规程规范要求，试验台综合误差为±0.327%。

4.2 试验方法与结果

根据批准的试验大纲，本次试验变化七种转速[500r/min、 600r/min、 700r/min、 800r/min、900r/min、984.2r/min(额定转速)、1134.7r/min(115.3%n：实验装置上限转速)]进行性能测定。不同特征工况下试验结果与合同保证值对比见表3，满足合同要求。模型泵装置性能曲线见图5，原型泵装置性能曲线见图6。

表3 验收试验性能与保证值对比

图5 模型泵装置性能曲线

图6 原型泵装置性能曲线

4.3 空化特性

在调水平均扬程工况下按效率下降1%测试结果计算C=1088.9，满足保证值C=1000 以上要求。调水平均扬程工况下空化性能见图7。

图7 调水平均扬程(Q=21.5m3/min)工况下空化性能(转速984.2r/min)

4.4 飞逸特性

在模型泵飞逸转速为700r/min条件下，利用试验结果计算出在调水平均扬程1.6m时飞逸转速为143.9r/min，在调水最大扬程4.73m时飞逸转速为247.5r/min。在设计联络会时要求电机生产厂家按照水泵最大飞逸转速复核电机强度。

根据验收试验结果，验收组认为，水泵装置模型试验各项指标基本达到合同文件要求，一致同意通过水泵装置模型试验验收。

5 试运行检验

2013年4月23—25日，泗洪站进行单机试运行和全站联合试运行，单机连续试运行24h以上，全站5台机组联合试运行6h以上。试运行结果表明：机组运行稳定、各部位温升正常，不同转速下性能达到合同要求。

试运行期间，水文站流量测试组进行断面流量测量。对不同转速下扬程、流量和功率进行测量，并计算装置效率。表4为5台机组实测结果与模型装置试验性能换算结果对比情况。从表4中可以发现，相同扬程工况下实测流量与模型试验换算流量基本接近，相同流量下效率与模型试验效率基本接近。

表4 现场实测结果与模型装置试验数据对比

5.1 机组运行稳定性及温升情况

5.1.1 温度(采用设备内预先设置温度测定仪进行温度监控)

电机端轴承温度最高为33.8℃(报警温度85℃)；水泵端轴承温度最高为35.3℃(报警温度85℃)；电机定子绕组温度最高为51.3℃(报警温度100℃)；5台机组各部位温度测量数据均显示正常。

5.1.2 噪声(采用声级计进行机组运行噪声测定)

1号机组运行最大噪声为86dB(泵井内距离水泵1m处测)；2号机组运行最大噪声为84dB(泵井内距离水泵1m处测)；3号机组运行最大噪声为86dB(泵井内距离水泵1m处测)；4号机组运行最大噪声为83dB(泵井内距离水泵1m处测)；5号机组运行最大噪声为84dB(泵井内距离水泵1m处测)；变频器室运行最大噪声为72dB(距离外壳1m、高1.2m处测)；厂房外最大噪声为64dB(距离泵房1m、高1.2m处测)。

采用机组在线振动监测系统对机组进行在线监测，机组垂直方向最大振幅为0.0011mm(规范限值0.14mm)；机组水平方向最大振幅为0.001mm(规范限值0.14mm)；各部位振动值优于规范要求。

6 结 论

泗洪站灯泡贯流泵从模型装置验收试验到真机试运行等不同阶段测试结果均表明这种结构型式灯泡贯流泵在不同转速下各项能量特性指标(流量、效率)、空化性能(空化噪声和空化破坏)、机组运行稳定性(振动和温升等)和可靠性等均达到合同要求。

经过优化设计，模型装置在设计扬程下效率达到78.3%，超过合同保证值3.3个百分点，平均扬程下达到78.1%，超过合同保证值1.1个百分点。

现场试运行测试结果表明：泗洪站灯泡贯流泵具有运行稳定、工况调节方便、性能指标满足合同要求等显著特点，而且机组振动指标优于规范要求。与模型试验换算结果对比，相同扬程工况下实测流量与模型试验换算流量基本接近，相同流量下效率与模型试验效率基本接近。