三峡水库大型取水缆车离心泵吸入管道超规范安装问题研究及处理措施

曹继学，郭棉明，钱晓慧，周 尚，范家兵

（1.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心，湖北宜昌 443100；2.枝江鸿巨船舶制造有限公司，湖北枝江 443200）

0 引 言

离心泵具有流量均匀、运转可靠和维护方便等特点，广泛运用于农业、石油化工、市政给排水工程中，离心泵吸入管道规范安装是保证离心泵正常启动和稳定运行的前提。《风机、压缩机、泵安装工程施工及验收规范（GB50275-2010）》附录C.01 第6条规定：离心泵水平吸入管道应向泵的吸入口方向倾斜，斜度不应小于5‰，但未给出条文说明。行业研究多集中于泵壳内气、液两相运动规律与泵本身性能的研究，鲜有关于离心泵吸入管道气、液两相运动规律，以及倾斜程度与离心泵工作性能的研究。

以三峡水库为水源的给水工程，因库水位变化频繁且变幅大，离心泵的水平吸入管道漂浮于水面，保证规范要求的倾斜角度和顺直，难度大、代价高。本文结合工程实践详细描述了吸入管道超规范安装导致离心泵无法正常启动的现象，通过计算和试验排查原因，总结分析了离心泵启动前后吸入管道中气、液两相运动规律，阐明了离心泵无法启动的原因，并在不改变吸入管道起伏不平状态的前提下，成功解决了问题，验证了本文的研究成果。

1 研究背景

三峡工程是治理开发长江的关键性骨干工程，汛前水位下落至防洪限制水位145 m，汛末蓄水至175 m，年内库水位浮动达30 m。为适应大水位变幅，移动式取水缆车是三峡水库沿岸常用的给水解决方案，见图1所示。

图1 三峡水库大型取水缆车（高程145 m和175 m）示意图Fig.1 Large cable car for water-intake in the Three Gorges Reservoir（water level 145 m&175 m）

汛期近坝区域会聚集大量漂浮物，年均约8 万m3（其中2020年达38 万m3），坝前漂浮物厚度达3 m。漂浮物经常堵塞取水口导致取水缆车无法正常工作，故采用浮船接长离心泵吸入管道，以避开漂浮物。

浮船受力与坝前复杂水流流向相关，而缆车的自由度受轨道限制，为有效调整缆车的受力，避免缆车脱轨，两者之间采用DN400 波纹软管连接。波纹软管用浮力跳趸间隔支撑，充水之后软管高低起伏，无法达到规范要求的顺直和倾斜角度，见图1所示。

缆车未安装延长管前，离心泵可正常取水，但安装后无法正常工作。启动过程如下：第一步排空吸入管道（灌引水和抽真空两种方式），随着水量增加，跳趸间波纹软管逐渐沉入水面，待真空度表计数接近-0.1 MPa 后停止排空；第二步启动离心泵，出口段压力表读数至0.52 MPa，稳压约15 s 后，逐步开启多功能水泵控制阀，一旦多功能水泵控制阀开度达到1/8 左右，运行电流增至400 A（超额定工况2 倍），出口水压力骤降至0 MPa，保护启动，泵机自停，延长管浮出水面。

离心泵是利用叶轮旋转而使水发生离心运动来工作的。在泵内充满液体的情况下，叶轮旋转产生离心力，液体在离心力的作用下由叶轮中心向外运动，获得一定的能量，并快速地离开叶轮外缘进入泵壳内［1］，叶轮中心形成真空，在大气压力的作用下，液体通过管路进入泵内，如此离心泵可循环吸入和排出液体。

电流激增，压力骤降，说明离心泵失压空转，导致此故障的原因有两种：①气蚀问题：吸入管道长度延长，水头损失增加，离心泵安装高度超限，液体气化，堵塞流道；②气缚问题：泵内吸入较多空气，由于空气密度很小，不能抛到叶轮外缘，堵住叶轮部分或全部流道。

2 离心泵安装高度复核

离心泵是利用大气来工作的，大气压强减去安装高度、水头损失的余量必须大于气蚀余量，才能有效避免气蚀现象［2］。气蚀现象产生原因是，泵的安装高度过高，使泵内压力等于或低于输送液体温度下的饱和蒸汽压时，液体气化，气泡形成、破裂，引起剥蚀，此时液体因冲击而产生噪音、振动，将导致流量减少，甚至无法排液。

离心泵允许安装高度［3］计算公式如下：

式中：[Hg]为泵的允许几何安装高度，m；Hj为局部水头损失，m；Pe为吸水水面压力，Pa；Hf为沿程水头损失，m；Pv为饱和蒸汽压力，Pa；vi为吸水管液体流速，m/s；ρ为流体的密度，kg/m3；ξi为局部水头损失系数；g为重力加速度9.81 m/s2；λi为沿程水头损失系数；［NPSH］为水泵汽蚀余量，m；Li为吸水管管长，m；Hw为吸入管的水头损失，m；di为吸入管管径，m。

本工程选用离心泵品牌为上海东方泵业，型号DFSS250-6/4B，主要设计参数如表1。

表1 离心泵设计参数表Tab.1 Main design parameters of centrifugal pump

不锈钢底阀阀板厚4 mm，底阀局部水头损失根据重力平衡计算为0.027 7 m。经复核计算，延长水管产生的沿程和局部水头损失十分有限，合计仅为0.18 m；离心泵允许安装高度限值的计算结果为：[Hg]= 6.59 m，远大于缆车离心泵的实际安装高度4 m，可排除“因吸水水头损失过大产生气蚀现象”的情况。

3 离心泵气缚原因分析

气、液两相流是离心泵实际运行中较为常见的一种多相流，即纯水流体中混入一定含量的空气［4］。国内众多学者对离心泵的性能和泵壳内部含气率的关系进行了研究，袁建平等［5］认为含气率达到10%时，会出现气液分离现象，造成离心泵输水性能急剧下降；随着含气率增大，靠近前后盖板侧的气相浓度逐渐增大，靠近叶轮出口边前盖板侧的气相浓度增加较后盖板更明显，最终气体可能会堵塞流道，出现气缚现象。

离心泵内混入气体的原因，袁寿其等［4］、袁建平等［5］、陈佩贤［6］、谢聪［7］等认为是离心泵进口真空度过低和输送管道漏气，但均未给出详细研究。本工程调试过程中，真空度表可达到设计值，且经反复检查未发现管道漏气现象，说明泵内气体还有其他来源。为探明原因，设计了一套可视化试验装置，即透明泵壳的离心泵（流量20 m3/h）连接30 m 长DN50 透明软管，尾端连接单向排气阀和底阀。试验分两种工况：工况1灌引水（排气阀开、关两种情况），试验过程见图2 所示；工况2 抽真空，试验过程见图3所示。

图2 工况1灌引水过程示意图Fig.2 Condition1 filling pump with water

图3 工况2抽真空过程示意图Fig.3 Condition2 making pump a vacuum

研究泵内气体来源实质是研究排空吸入管道过程中气、液两相运动规律，假设吸入管道中的气体体积和质量分别为V气、m气，液体分别为V水、m水。

工况一，尾端排气阀开时，t1时水聚集于低陷处，t2时水翻过高位水管底部灌入水平段，V水和m水增加、V气和m气相应减少，空气通过排气阀排出；t3时水平段水充满后，空气无法排出，t4时水持续灌入至充满泵室，V水和m水增加、V气减少但m气不变，高位处形成有压气囊，压力逐步增加，至与右侧水压相同，此时真空表读数达到要求。如吸入管道尾部不排气，则从t2阶段开始，m气不变，会形成更大的气囊。

工况二，吸入管道真空度不断增加，水不断吸入管内，t1时并聚集于水平段管，t2时水翻过高位水管底部流向低陷处，V水和m水增加、V气和m气相应减少；t3时低陷处充满水，高位处空气无法抽出，t4时刻水持续流入至充满泵室，与工况一相同，V水和m水增加、V气减少但m气不变，高位处形成有压气囊。

两种工况下，吸入管道均会下沉，气囊在高位处。此时开启离心泵，泵室及竖直管内的水体被抽走后，压力释放，有压气体扩散，泵室含气量超过临界值，泵机失压跳停，延长管浮出水面。

4 消除气缚的措施研究

4.1 重复加引水法

试验发现气囊数量N与管道起伏数量一一对应，且启动水泵后，气囊会随着液体流动，一旦到达泵室，水泵停机；继续灌满引水后，重启泵机，下一个气囊到达泵室，水泵停机，此时气囊数量减少一个，为N-1 个。重复上述操作N次后可消除气囊，避免出现气缚现象，离心泵持续正常工作。

三峡水库大型缆车离心泵吸入管道起伏有2处，按上述“注水—启泵—排水—停泵—注水”方法4 次均未成功取水。经观察，每次排空后吸入管道起伏位置大体相同，说明气囊未随水体流动而移动。

依次更换DN65、DN80、DN100、DN125 的吸入管道重复进行可视化试验，采用DN65 的吸入管道时气囊随水体流动而移动，采用DN80、DN100、DN125 时均不移动，说明利用“气、液两相运动规律”的排空方法在DN400 的大管径吸入管道中不适用。

4.2 离心泵两级串联法

为验证串联两个离心泵是否可以解决问题，改造设计了可视化试验，选取流量均为20 m3/h 的潜水泵与离心泵串联，连接管采用起伏不平透明软管，当管道直径为ND50、DN65、DN80时，气囊会随水流至离心泵处排出，排空气囊后流量可达额定值20 m3/h。但当管道直径为DN100和DN125时，气囊会稳定于管道起伏高点处，水流从吸入管道底部通过，第二级离心泵的出水流量小于额定流量20 m3/h，可见气囊的存在减小了吸入管道过流断面，降低了流量，相当于开度较小的“气阀”。由此证实，吸入管道管径较大时，“串联泵法”虽可以抽水，但达到第二级离心泵额定流量的概率较低，而且造价高、运行复杂、运维成本高。

4.3 高位排气法

通过“气、水两相运动规律”的研究发现，排空吸入管道是关键，根据此理论依据，作者设计了一个简单的装置，即在软管之间加一个长100 cm 的带单向排气阀的不锈钢管，并将其放置于浮力跳趸上，人为制造高点，利用气囊聚集于吸入管道高点位置且有压的特点排空吸入管道，见图4 所示。安装此装置后灌引水，真空表稳定在设计值时，单向排气阀不停排气，待无气体排出后启动离心泵，稳压在0.4 MPa 约10 s 后，逐级加大闸阀开启度至流量达到设计值440 m3/h，且流量持续稳定，表明调试成功。

图4 简易排气装置（单位：mm）Fig.4 A simply vacuum device

经对比，增加延长管后，启动过程［8］耗时由1 min 增长至约5 min，主要原因是增长吸入管道后，负压传导时间增长，导致逐级稳压时间变长。

5 结 论

（1）行业研究大多关心离心泵内气、液两相流动规律，鲜有对气体来源的研究，本文发现，除了离心泵和管道密封不严的因素外，另一隐蔽来源是因管道不顺直导致气体被液体封闭而形成气囊，气囊与管道弯曲数量相同。研究结论可补充相应规范的条文说明。

（2）离心泵的吸入管道长度引起的水头损失量有限，但吸水负压传导时间会变长、底阀开启会延迟，故离心泵启动前期十分关键，须严格控制闸阀开启速度，逐级开启。

（3）起伏不平吸入管道中的气液两相流动规律与管径、介质流速有关，与泵的性能无关；管道管径小、介质流速大，封闭气囊更易随介质流动。