特低扬程大流量贯流泵站水泵选型

李玲玉

(上海友为工程设计有限公司，上海 200093)

随着城市化进程的加速，竖井贯流泵因其流道损失小、开挖深度小且管理方便等特点在长江中下游平原河网地区的低扬程大流量泵站中得到广泛应用，其中包括特低扬程的大流量泵站.竖井贯流泵不仅需要优化进出水流道流态，从而减小流道的水力损失，同时，水力模型的选择、水泵模型参数的准确性对水泵机组稳定运行也非常重要，其关系到工程用电容量、投资造价和后期运行管理难度.国内一般采用等扬程方法或参考接近比转数的水力模型进行选型计算和装置模型试验[1].

在南水北调工程及国内多个大型低扬程泵站已开发研制的系列水力模型中，比转数范围500～1 600，对应扬程最高效点范围2.5～11.5 m.系列模型中还未有针对1 m以下特低扬程的水力模型.国外多用较低的比转数模型满足低扬程的应用[1]，如荷兰艾莫伊等泵站和日本新川河排水站.中国近年来通过降低nD值在较低扬程下使用，即采用低转速大直径方案进行低扬程和特低扬程泵的选型，低转速大直径方案可提高低扬程泵装置效率，减小流速，从而减小水力损失[1-2].周伟等[3]对净扬程为1 m左右的遥观南枢纽泵站工程进行选型分析；于建忠等[4]对最高扬程与平均扬程相差较大的特低扬程泵站选型分析.运行净扬程在1 m以下的特低扬程大流量泵站实例较少.

文中以宁波某竖井贯流泵站为例，对水泵模型参数的选择进行相关研究分析.泵站单泵设计流量37.5 m3/s，设计净扬程仅0.32 m，净扬程范围0～1.22 m.文中针对其特低扬程大流量的特点，采用竖井贯流泵方案，水力模型采用现有南水北调水力模型中高效区扬程较低的TJ04-ZL-07，根据泵与泵装置工作原理建立特性参数的数理关系，进行泵段及装置的相似换算比较分析，确定水泵性能参数，提出推算泵装置效率的方法，并结合其CFD数值模拟计算和装置模型试验结果进行验证，为同类型特低扬程大流量泵站选型计算提供参考.

1 泵段及泵装置扬程、效率特性表达

水泵选型一般采用泵相似定律将模型泵的特性参数换算成实型泵参数.模型泵的特性参数可分为泵段参数和泵装置参数，根据泵与泵装置工作原理，泵段与泵装置参数存在一定的数理关系.

1.1 泵相似定律

实型泵和模型泵流量、扬程和功率之间的关系[1]分别为

(1)

(2)

(3)

式中：Q，H，P，n，D2和ρ分别为实型泵的流量、扬程、功率、转速、叶轮直径和液体密度；QM，HM，PM，nM，D2M和ρM分别为模型泵的流量、扬程、功率、转速、叶轮直径和液体密度.

1.2 泵段效率和泵装置效率

根据能量守恒定律，泵段扬程和泵装置扬程特性表达如式(4)，(5)所示.

HPS=E5-E4，

(4)

HD=E6-E3，

(5)

式中：HPS，HD分别为水泵泵段扬程和水泵装置扬程；E1—E7分别为内河清污机前、清污机后、进水流道进口、叶片进口、导叶出口、出水流道出口及出水池断面的总水头.

断面位置如图1所示.

水力学伯努利能量方程

(6)

式中：z，p和v分别为断面的位置水头、压强和速度；g为重力加速度.

因此，泵装置效率和泵段效率及流道水力损失的关系[5]为

(7)

(8)

(9)

式中：N为水泵轴功率；HJ为泵站净扬程，Δh1—Δh6分别为清污机、进口闸门门槽、进水流道、叶轮和导叶段、出水流道以及出口闸门门槽的水力损失.

图1 泵站断面总能和水力损失示意图

1.3 流道损失

流道的水力损失与流道内平均流速的关系[5]为

ΔhF=Δh3+Δh5=SQ2=S1v2,

(10)

式中：ΔhF为流道水力损失；S1为平均流速对应的水力损失系数；S为流量对应的水力损失系数；v为流道内平均流速.

对不同叶轮直径、不同设计流量的泵装置流道的水力损失可采用名义平均流速[5]进行定量评价，进出水流道内设计流量时的流速基本上与其成正比.

(11)

式中：vn为流道名义平均流速；Qd为水泵设计流量.

2 选型计算比较分析

2.1 损失估算分析

根据多座泵站运行经验[6-8]，泵站控制要求中,一般当进口清污机在污物引起的压差值达到或超过0.20 m时发出清污信号；污物引起的压差值达到或超过0.40 m时，发出警告信号.据此进口清污机水力损失Δh1取0.30 m，清污机、拦污栅和门槽的总水力损失(即Δh1+Δh2+Δh6)可估算为0.40 m.

根据已有研究成果和多个竖井贯流泵站数值模拟数据的分析比较[9-11]可知，进水流道损失随流量的改变变化不大，而出水流道在小流量区域损失较大，在设计流量附近损失变化不大.例如：南水北调邳州站流道效率高，高效区进、出水流道的损失约0.18 m.根据式(10)，(11)，采用邳州数值计算结果推算该工程在设计流量附近的进出水流道损失(即Δh3+Δh5)约0.10 m，该结果与后期该工程CFD全流道数值模拟计算结果吻合.

2.2 泵段及泵装置特性曲线换算分析比较

南水北调工程天津同台测试的TJ04-ZL-07水力模型虽为高效区非系列轴流泵中最低的，但性能较优，为天津同台测试用最多的模型[1]，广泛应用于低扬程泵站.南水北调工程邳州站运行扬程较低，采用TJ04-ZL-07水力模型在天津试验台进行了装置性能测试.

2.2.1 泵装置特性曲线换算结果

根据式(1)—(3)，利用邳州站装置模型曲线进行实型泵换算，当n=67 r/min,D=3 900 mm时,换算的水泵装置性能曲线见图2.图中水泵运行高效区在设计扬程和最高扬程中间，若使高效区进一步降低来接近设计扬程，则需要进一步增加转轮直径D来降低nD值，这将大大增加泵站整体投资，因此，转轮直径暂定3 900 mm.叶片安放角接近0°，设计工况下装置效率为72.0%；最高扬程时，水泵装置效率为78.5%.

图2 水泵装置特性曲线图

2.2.2 泵段特性曲线换算结果

根据式(1)—(3)，利用邳州站泵段性能曲线进行实型泵换算，当n=67 r/min,D=3 900 mm时,换算的泵段特性曲线见图3.

图3 泵段特性曲线图

由图3可知，水泵运行高效区仍位于设计扬程和最高扬程中间，较装置性能曲线换算结果更靠近设计扬程.在设计工况时，叶片安放角约-1°，泵段效率为78.0%；最高扬程时，水泵段效率为78.0%.

2.2.3 配套电动机功率选择

异步电动机功率根据标准系列选取，根据上述换算结果，得到不同工况的水泵运行参数如表1所示，表中k为储备系数，ηg为齿轮箱效率，PE为适合选用的电动机标准额定功率.由表可知，利用装置曲线换算结果对应水泵轴功率较小，选取电动机的额定功率较低.实际运行中，在最高扬程工况运行时，存在电动机出力不够或过负荷运行风险.特低扬程泵站相比低扬程泵站，水泵运行扬程越低时，流道损失占总扬程比例越大，而邳州站模型装置特性曲线nD为435，最优工况点扬程3.60 m，流道损失占总扬程比例小，装置效率偏高，以此装置性能曲线换算本工程实型泵曲线效率误差偏大，因此，采用泵段特性曲线换算结果更适用.

表1 水泵特征工况性能预测

2.3 泵段效率换算装置效率高效区

表2为泵装置效率预测.

表2 泵装置效率预测

由于流道损失对水泵装置运行效率有一定的影响，在无接近扬程工况的装置曲线可用时，可根据式(9)，采用泵段曲线工况点及对应流道损失进行换算，来预测nD值较低的装置效率曲线高效区扬程范围.如表2所示，表中ηD为装置曲线效率，采用泵段曲线0°叶片安放角下不同流量点性能参数进行换算，预测水泵转速为67 r/min时，装置运行最高效点在1.35 m左右，略高于邳州站装置运行曲线换算结果；预测转速为60 r/min时，装置运行最高效点在1.05 m左右.预测结果说明若采用的模型运行扬程较高，而实型泵运行扬程大幅降低，nD大幅降低时，水泵装置性能曲线的高效区在相似换算基础上会整体上移.

3 CFD计算及模型试验验证

为验证泵型选择的结果，常采用CFD计算流体动力学对泵装置进行数值模拟优化计算[12-14]，并按比例缩小后进行装置模型试验验证.

3.1 数值模拟结果

采用CFD计算流体动力学软件，结合设计初拟流道断面尺寸，分析泵段进口处流速分布均匀性及速度矢量角度，对流道竖井末端处尺寸、竖井末端至叶轮的距离进行优化。对叶轮直径为3 900 mm、转速为67 r/min、叶片安放角为0°时不同流量下的水泵实型装置进行全流道数值模拟计算，结果如表3所示，获得的最高效工况点在流量35 m3/s、扬程1.35 m左右，这一结果和表2预测结果流量34.00 m3/s、扬程1.35 m较为接近.

表3 数值模拟计算水泵装置性能

3.2 模型试验结果

根据数值模拟结果，水泵装置模型在河海大学水力试验台上进行.水泵装置模型包括竖井进水流道、导叶及叶轮段和出水流道.模型水泵叶轮直径300 mm，模型水泵与实型水泵流道尺寸完全相似[15].泵装置模型如图4所示.模型试验采用等扬程方法进行研究.

图4 水泵装置模型

当n=67 r/min,D=3 900 mm时,分别对水泵装置模型进行了5个叶片角度下的能量试验，结果如图5a所示.由图可见，0°和+2°叶片安放角对应工况最高效点扬程均在1.40 m左右，与表1预测扬程高效点扬程1.35 m接近，说明采用泵段效率换算装置效率高效区的方法较为准确.

另外，由于模型试验结果中流量略大于表2预测及表3数值模拟结果，同时高效区中心由原泵段曲线中0°叶片安放角偏移至+2°安放角，且高效区扬程偏高，为使实际运行中水泵能长时间在高效区运行，将实型泵转速由67 r/min下调至60 r/min，模型试验结果如图5b所示，图中最高效点扬程在1.10 m左右，与表2预测扬程高效点扬程1.05 m接近.

图5 模型试验换算实型泵装置性能曲线

4 结 论

1) 针对特低扬程泵站，可利用现有南水北调的低扬程水力模型降低nD值进行选型计算.

2) 随着竖井贯流泵转轮直径D的增大，流道内平均流速降低，流道水力损失降低.但水泵流道损失占装置总扬程比例较高，净扬程1 m以下的竖井贯流泵装置最优工况效率与扬程为3 m左右的水泵相比低了约6%，故采用运行扬程差距较大的模型装置特性曲线换算实型泵误差偏大，采用模型泵段特性曲线换算结果更准确.

3) 通过数值模拟和模型试验结果验证，采用泵段效率和泵装置效率换算公式，对泵段曲线工况点及对应流道损失进行换算，可较为准确地预测nD值较低的装置效率曲线高效区扬程范围.