石港泵站超工况运行技术研究与管理对策

郭 军， 沈 冲， 鲜凡凡， 张慧峰

(江苏省洪泽湖水利工程管理处， 江苏 淮安 223100)

1 研究背景

1.1 工程基本情况

石港泵站始建于1973年，原为江苏引江济淮第二梯级泵站。2013年列入淮河入江水道整治工程拆除重建，2016年新泵站建成投运。新泵站按照宝应湖地区5年一遇排涝标准设计，安装4台套立式轴流泵，设计扬程5.0 m，设计排涝流量90 m3/s。

与石港泵站并联的南水北调金湖泵站，其设计功能主要是向北调水，设计调水流量150 m3/s，同时兼顾本地区抗旱和排涝的功能，设计排涝流量130 m3/s。

1.2 超工况运行情况

石港泵站超工况运行，主要指泵站上游或下游水位低于对应设计低水位的抗旱抽水运行[1]。石港泵站设计为排涝泵站，而建成后，更多用于抗旱运行。经统计，2016年以来，工程年年运行，抗旱运行3年，抗旱抽水量占总抽水量的78%。泵站历年抽水量统计如表1所示。

表1 历年抽水量统计

其中旱情最严重的是2019年，淮河流域出现60年一遇气象干旱，根据省防指调度指令，石港泵站投入抗旱抽水运行，与南水北调金湖泵站联合向入江水道三河段补水，再由洪泽泵站抽水150 m3/s入洪泽湖。

1.3 设计工况与抗旱运行工况水位对比

石港泵站设计水位与抗旱运行特征水位见表2。

表2 设计水位与抗旱运行特征水位对照

由表2可见，抗旱运行时，上下游水位均低于设计最低水位较多，严重偏离设计工况，而且石港泵站为虹吸流道出水，其出水口顶高程为7.10 m，上游水位低于该高程，已不能正常运行。

1.4 装置有效气蚀余量偏小

石港泵站立式轴流泵技术参数如表3所示。

表3 轴流泵技术参数

水泵设计临界气蚀余量△hc为7.15 m，根据气蚀余量概念，水泵允许气蚀余量△h=(1.1～1.3)△hc，即允许气蚀余量△h范围为7.865～9.295 m，若使水泵运行不产生气蚀现象，必须保证装置有效气蚀余量△ha不小于允许气蚀余量△h。

装置有效气蚀余量△ha计算公式为：△ha=标准大气压-水泵吸程-安全量。

式中：标准大气压为10.33 m，水泵吸程为2.75 m，安全量为0.5 m。

经计算，装置有效气蚀余量△ha为7.08 m，小于允许气蚀余量△h，证明了水泵超设计工况运行时将发生气蚀现象。

2 超设计工况运行危害

2.1 水泵抽水流态变差

抗旱运行时，因偏离了设计工况，水泵抽水流态变差，主要表现在以下3个方面。

(1)水泵叶轮室内声响异常。水泵运行时，能清晰听到叶轮室内连续的气泡爆裂声。

(2)水泵出水流量减少。利用ADCP超声波实时流量测量[2]发现，在相同叶片角度运行下，实测的流量相比排涝抽水流量减少了约10%，单台水泵出水量对比如表4所示。

(3)泵站进、出水池流态较差。进水池流道的进口处水面多处出现漩涡，出水池流道的出口处水浪花较大，并伴有大量白色气泡。

单台水泵出水量对比见表4。

表4 单台水泵出水量对比

2.2 水泵噪音与振动增大

抗旱运行时，现场测量水泵运行噪音和振动数值。经分析比较，下游进水池水位越低，水泵噪音越大，振动数值也呈增大趋势。噪音和振动实测值变化曲线如图1、图2。

图1 噪音实测值变化曲线

图2 振动实测值变化曲线

2.3 水泵上导橡胶轴承烧毁

抗旱运行时，泵站上游出水池最高水位仅有7.72 m，远远低于排涝工况设计水位11.07 m，而水泵上导橡胶轴承高程为9.75 m。因此，抗旱运行时，即使上游水位能满足虹吸出水条件，但由于出水池水位低于上导轴承高程，上导轴承没有来自流道的自然润滑水，当附加润滑水无效时，橡胶轴承与泵轴颈发生干摩擦，出现轴承发热烧毁现象。

2.4 虹吸出水流态无法形成

2019年抗旱运行期间，石港泵站上游水位最低出现7.01 m，低于泵站虹吸出水流道出水口上缘高程7.10 m，水泵开启后，流道内水流无法形成虹吸流态，造成机组严重偏离设计工况运行，抽水扬程变大，机组功率增加。

非虹吸流态下，水泵扬程的计算公式为

H=h1-h2

(1)

式中：h1为虹吸出水流道驼峰高程(12.10 m)，h2为下游水位(6.30 m)。

经计算，非虹吸状态下抽水扬程为5.80 m，超过虹吸运行时的上下游水位差4 m，电机功率由正常的800 kW左右陡增至1650 kW左右，机组整体稳定性能明显变差，噪声、振动均超出常规，励磁电流接近限值。

3 装置效率分析计算

针对抗旱运行工况，开展泵站装置效率分析和计算，分析影响装置效率的因素，计算超工况运行时装置效率。

3.1 影响效率的因素

(1)扬程变小。设计排涝工况下，泵站扬程平均在4 m左右，而抗旱时最大扬程仅有2.3 m，扬程大幅度减小，导致水泵明显偏离了高效区运行。

(2)流量不足。抗旱时，下游水位低于设计水位，实测流量较排涝工况下流量小了10%左右，也验证了机组在非高效区运行。

(3)电动机功率偏大。抗旱时，下游水位过低，在上游水位不变的情况下，水泵提水的高度相对增加了，导致电机无用功占比增多，以致于机组功率变大。

3.2 装置效率计算

泵站装置效率计算公式为

(2)

式中：H为抽水扬程，m；P为电机功率，kW；Q为抽水流量，m3/s。

取一段时间内泵站运行参数进行分析计算，结果如表5所示。

表5 装置效率计算值

通过计算，得出抗旱运行时装置效率较低，仅在40%左右。比对泵装置综合特性曲线[2-3]，计算结果与水泵的装置性能曲线相吻合。

4 管理对策

4.1 加强巡查和数据监测

抗旱运行时，机组偏离设计工况，为及时发现问题、解决问题，主要采取了以下巡查、监测措施。

(1)加密巡查频次，运行人员1 h巡查1次，管理人员巡查每天不少于4次。

(2)全过程对机组噪声和振动进行测量。噪声测量位置为距离水泵叶轮室外壳四周1 m范围内，振动分别测量水泵叶轮外壳连接法兰面和电动机上机架，包括水平和竖直两个方向的振动值。

(3)密切观察电动机运行参数，包括电流、功率、线圈温度、油温、瓦温等。

(4)对每次测量的噪声、振动和电量参数值分别进行纵向和横向比较，分析总结数据的规律，为开展研究提供基础数据。

4.2 优化机组运行调度

抗旱运行时，为最大程度改善水泵抽水流态，运行中优化调度机组运行，按照补水量45 m3/s要求，开机2台，采用机组间隔运行模式[3]，即1、3号或2、4号运行，再或1、4号运行，这样能适当改善进水口流态，在一定程度上减轻水泵气蚀。

4.3 水泵负角度运行

抗旱运行时，下游进水池水位过低，进水池流态不顺，水泵气蚀严重，将叶片角度调至-6°运行，可有效降低机组运行功率，有利于改善机组运行状态。经现场查验和测量，-6°运行时电机各项电气参数和温度均正常，水泵振动与噪声也小于设计角度(0°)运行时状况[4-5]。

4.4 增设轴承润滑水

为解决抗旱运行时水泵上导轴承缺少水润滑易烧毁问题，对水泵上导轴承结构进行了改造。一是增设轴承润滑供水管，供水压力为0.3 MPa，供水量约60L/min。二是聚氨酯橡胶轴承底部增设阻水环，阻水环与泵轴接触部位采用橡胶柔性材料，阻水环与泵轴保持单边间隙在0.10～0.15 mm范围内。结构改造有效解决了上游低水位时橡胶轴承润滑问题。

4.5 控制挡洪闸运行

针对泵站出水池水位低于虹吸出水流道顶口高程问题，采取非常措施将机组牵入正常运行状态。运行前关闭出水池挡洪闸门，非虹吸状态下强行启动主水泵抽水以抬高出水池水位，为尽可能减少水泵在非虹吸状态下的运行时间，必要时可开启2台。

经计算，出水池水面面积约为89 000 m2，水位上升0.1 m，需要抽水约8 900 m3，按照开一台水泵抽水22.5 m3/s计算，需要用时约6.5 min。

2019年7月旱情最严重时，出水池水位低于虹吸出水流道顶口高程0.09 m，通过对设备性能分析和运行功率计算，制定了强迫运行方案，将叶片角度调至-6°，打开真空破坏阀，开启2台水泵运行，待水位上升到出水口顶面，关闭真空破坏阀，虹吸流态形成，机组进入正常运行状态。待出水池水位上升超过设计最低水位7.60 m时，开启引江闸闸门至适当高度放水，调节水闸过水流量等于水泵抽水流量，严格控制出水池水位不低于设计最低水位。

5 结 语

石港泵站经过多年抗旱运行实践，管理单位有针对性地开展了检查和监测，采取了结构改造、优化调度、科学控制等措施，形成了一系列管理方法，保证了机组的运行安全和工程效益的正常发挥。

目前，管理单位正在进行水泵结构改造的研究，思考通过水泵叶片和导叶结构优化，提高抗气蚀特性，争取从根本上解决超工况运行的缺陷，以使按照排涝设计的石港泵站更好地发挥抗旱效益。