大型立式蜗壳离心泵主要参数选择及模型试验

钱 瑭,岳志伟,杜博闻

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

0 引 言

大型泵站是水利基础设施的重要组成部分,在排涝、灌溉、调水和供水等方面发挥着不可替代的作用[1]。随着中国南水北调、大型市政供水等跨流域调水的需求逐渐增加,使泵站向大流量、高扬程、宽变幅方向发展[2]。目前国内在大型立式蜗壳离心泵领域的研究并不多,已有的成果包括过渡过程计算分析及水锤防护等[3],但是对于水泵参数选取以及水力开发的研究还较少。重庆市渝西水资源配置工程金刚沱泵站为头部取水泵站,泵站重要等级高,引用流量大、扬程变幅大,且汛期过机泥沙含量较高,含沙水流对水泵存在一定的磨蚀,因此水泵参数的合理选取显得尤为重要。本文针对金刚沱泵站的特点,探讨选择合适的泵型和参数,并将水泵参数提供给主机制造厂家用以开发模型,开展模型试验,以验证参数选取的合理性[4]。

1 水泵参数选择

水泵参数选择直接影响到泵站建设的经济性和运行的安全可靠性。水泵主要技术参数的选择应在确保机组稳定安全可靠的前提下,使水泵的性能符合国内外技术发展水平,并且参数之间达到总体的最优配合。

1.1 泵站概况

渝西水资源配置工程金刚沱泵站位于重庆市江津区,泵站从长江取水,经引水管自流入进水井,由泵站提水后通过出水隧洞入圣中水库,再向东干线、西干线分水。泵站设计流量为28.60 m3/s,设计扬程为75.0 m,装机容量为36 MW。金刚沱泵站为圆桶形半地下厂房,泵站由引水建筑物(取水头部、引水管、进水井)、泵站厂房、出水隧洞、出水塔及管理楼、变配电间等组成。

1.2 机组型式及机组台数的确定

本泵站设计流量为28.6 m3/s,扬程范围45～77 m,设计扬程为75 m,可供选择的泵型有卧式单级双吸离心泵和立式单级单吸离心泵。立式单级单吸离心泵结构简单,导轴承、推力轴承结构在水轮机、抽水蓄能泵上使用广泛,设计、制造工艺成熟,在国内外大型泵站应用广泛,国内运行管理经验丰富。卧式单级双吸离心泵结构紧凑,厂房为单层结构,电机与水泵同层布置,拆卸、检修维护相对较方便,在小型水轮机和灯泡贯流机组使用广泛,但是部件表面加工要求高,制造加工难度大,目前已投运行的工程实例少[5]。经调研,国内具备口径1 600 mm以上蜗壳铸造能力的铸件厂少,蜗壳铸造难度大,国内水泵厂家生产制造此种规格水泵的经验不足,不确定性高。该泵站作为工程首级水源泵站,运行小时数和供水保证率要求高,为保证水泵高效安全稳定运行,应优先选用成熟可靠的泵型方案。综合分析,推荐采用结构简单,设计、制造工艺成熟,难度小的立式单级单吸离心泵[6]。

综合考虑运行调度、水泵参数水平和投资等因素,各方案单级单吸离心泵方案设计、制造难度均在现有工程技术经验以内。其中3+1台(3台主用、1台备用)方案投资相对较省,且泵站枢纽布局更协调,故推荐泵站选用3+1台立式单级单吸离心泵机组方案。

1.3 额定转速选择

结合表1所列与该工程泵站流量或扬程类似泵站的水泵参数,与该泵站扬程接近的水泵比转速在112.65～180.07 m·m3/s,其中与泵站水泵扬程基本相同的万家寨GM3泵站水泵比的转速为180.07 m·m3/s,与单泵流量接近的惠南庄泵站水泵比转速为145.3 m·m3/s。

表1 国内外大型蜗壳离心泵主要参数Tab.1 Main parameters of large volute centrifugal pump at home and abroad

根据金刚沱泵站的流量扬程特点,综合考虑水泵汽蚀、泥沙磨损及水泵比转速水平等因素,结合参数法统计公式计算成果,不同装机台数和水泵型式下,本阶段推荐水泵比转速在140～200 m·m3/s范围内选择。

征询3家国内外水泵厂家,3家水泵厂家均推荐转速为375 r/min的方案。根据泥沙分析成果,泵站在冲淤平衡计算最恶劣条件下,汛期月最大泥沙含量达0.669 kg/m3,考虑到泵站水泵年利用小时数达到6 694 h,为减小泥沙磨损,不宜选用过高的转速。结合机电及土建可比投资进行比较,确定选择装机3+1台方案,水泵转速确定为375 r/min,设计工况点的比转速为165.8 m·m3/s。

1.4 空化特性要求

水泵空化特性试验应在规定的扬程、进水池水位、输出功率范围条件下进行。临界空化系数σ1定义为随着吸出水头的减少,效率低于无空化工况效率1%时的空化系数。初生空化系数σi按2 个叶片表面开始出现可见气泡考虑。汛期泥沙含量较大,机组运行稳定性尤为重要,泵站空化系数σp不宜太小,适当增大泵站空化系数σp,可减少进水管压力脉动,提高机组稳定性。在水泵安装高程为174 m,100%额定转速下,整个扬程范围内水泵空化裕量应满足[7]:

(1) 扬程60～77 m:σp/σ1≥1.5,σp/σi≥1.1;

(2) 扬程55～60 m:σp/σ1≥1.1;

(3) 扬程45～55 m:保证稳定运行;

(4) 如投入变频运行:全扬程范围内,σp/σ1≥1.5,σp/σi≥1.1。

1.5 推荐的水泵主要参数

根据相关计算,金刚沱泵站水泵主要参数如表2所示。

表2 水泵主要参数Tab.2 Main parameters of pump

2 模型试验

主机设备中标单位就金刚沱泵站蜗壳离心泵进行水力模型开发,制作了模型水泵装置和叶轮,并开展了水泵模型试验。

2.1 试验工况

2.1.1模型转轮参数

模型转轮参数见表3。

表3 模型转轮参数Tab.3 Parameters of model pump

2.1.2试验台介绍

模型试验所采用的水力试验台是一座高参数、高精度的水力机械通用试验台,可以分别对贯流式、轴流式、混流式水轮机和水泵进行模型试验。试验台可按IEC 60193及IEC 609等有关规程的规定进行效率、空化、压力脉动、力特性、四象限、补气、飞逸转速等的模型试验,试验台综合效率误差不大于±0.20%。

2.1.3仪器仪表标定

模型试验前,分别对流量计、力矩传感器、水头传感器、尾水位传感器等进行了现场原位标率定,标定结果满足规范要求。

2.1.4水泵能量试验

水泵效率试验在1 000 r/min条件下进行,覆盖水泵整个运行范围进行完整的水泵效率特性试验。对最优效率点进行了10次重复测量,取算术平均值得到模型最优效率,并换算得到原型最优效率。

(1) 水泵最优效率见表4。由表4得出:模型和原型最优效率值满足保证值要求。

表4 水泵最优点效率试验Tab.4 Optimal efficiency test of pump %

(2) 水泵设计点效率。模型设计点效率见表5,原型额定点效率见表6。由表5和表6可知,模型和原型设计点效率值满足保证值要求。

表5 模型设计点效率试验Tab.5 Design point efficiency test of model

表6 原型额定点效率Tab.6 Design point efficiency test of prototype

(3) 加权平均效率。对水泵工况全部加权因子点进行了试验,模型效率及其相应的原型效率如表7所示。由表7可知,水泵加权平均效率满足保证值要求。

表7 加权平均效率试验Tab.7 Weighted average efficiency test %

(4) 水泵最大入力。额定转速条件下,对原型水泵最大入力(50 Hz)进行了试验。试验结果见表8。由表8可知,原型水泵最大输入功率基本满足要求。

表8 水泵最大入力试验结果Tab.8 Test results of maximum pump input

(5) 水泵驼峰特性。水泵工况效率试验中,在最大扬程下、频率为49.8 Hz和50.0 Hz时检查水泵驼峰区裕度,试验结果见表9。由表9可知,水泵驼峰裕度均未超过上限值,满足要求。

表9 水泵驼峰裕度试验结果Tab.9 Pump hump margin test results

2.1.5水泵空化特性试验

在对试验用水进行排气运行之后,进行空化试验以确认水泵初生空化系数(σi)和临界空化系数(σ1),空化试验结果如表10所示。由表10可知,在水泵正常运行范围(Hp=60～77 m)内,水泵空化满足保证值σp/σi≥1.1、σp/σ1≥1.5的要求;在扬程Hp=55～60 m范围内,水泵空化满足保证值σp/σ1≥1.1的要求;在扬程Hp=45～55 m范围内,水泵可稳定运行。表明水泵在较高扬程下运行时(靠近设计工况点),空化系数的裕量较大,可以保证机组的安全稳定运行[8]。

表10 水泵空化试验结果Tab.10 Pump cavitation test results

2.1.6水泵压力脉动试验

压力脉动测量在水泵运行范围内及泵站装置空化系数下进行。需要测量叶轮进出口压力脉动的幅值和频率。传感器布置如图1所示。在水泵进口前的锥管0.5D2±Y方向、底环、顶盖和叶轮出口的叶轮后导叶前方向及蜗壳出口处,共设7个测点。

图1 压力脉动测点示意Fig.1 Schematic of pressure pulsation measuring points

在泵站空化系数下,在水泵特征扬程Hp=75 m、Hp=68 m、Hp=60 m和Hp=50 m进行压力脉动试验。水泵压力脉动试验结果见表11。由表11可知,在水泵正常运行范围内,无明显脱流和空腔涡带,具有良好的压力脉动特性,试验结果满足要求。

表11 水泵压力脉动试验结果Tab.11 Pump pressure pulsation test results

2.1.7四象限全特性试验

水泵四象限全特性试验在高空化系数下进行,试验工况包括水泵工况、水泵制动工况、水轮机工况、水轮机制动工况、反水泵工况。试验结果见图2。

图2 四象限全特性试验结果Fig.2 Test results of Four-quadrant full characteristic

2.1.8水泵反向飞逸转速试验

飞逸转速试验覆盖整个运行扬程范围,在高空化系数下进行,以获得水泵的倒转稳态飞逸特性,用以检验原型水泵的倒转飞逸转速保证值。水泵飞逸试验结果见表12。由表12可知,水泵反向最大飞逸转速满足要求。

表12 飞逸转速试验结果Tab.12 Runaway speed test results

2.1.9轴向水推力试验

为测定在最大扬程和最不利工况下的水推力,通过模型静压轴承测得模型水泵轴向水推力,再通过公式换算至原型,以确定原型水泵最大水推力值。试验结果见图3。

图3 A1558水泵轴向水推力试验结果Fig.3 Axial hydro-thrust test results for moder A1558

试验结果表明:在所有试验工况下,最大轴向水推力均满足合同要求,有利于机组结构的稳定性。

2.1.10尺寸检查

试验项目完成后,对模型水泵通流部件主要尺寸进行检查,主要包括模型水泵装配尺寸、蜗壳装配尺寸、肘管装配尺寸、扩散段尺寸等。检查结果表明,实测尺寸与设计值偏差满足IEC 60193-2019《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验规程》要求。

2.2 结果分析

通过水泵模型试验,可以总结出模型叶轮有如下特点:① 在设计工况点,叶轮内流线分布较合理,流态较好;② 整个水泵运行范围内效率高,效率曲线平滑,做功特性好;③ 尾水管内流态顺畅,无明显脱流和空腔涡带,具有良好的压力脉动特性,整个机组将会具有良好的运行稳定性[9]。

3 结 论

(1) 本文结合重庆市渝西水资源配置工程金刚沱泵站的参数选取,探讨了大型立式蜗壳离心泵选型的要点,结合模型试验,验证了选型的合理性,可为相同类型机组的选型设计提供一定的思路。

(2) 对于西部多泥沙泵站,适当降低比转速,有利于延长水泵的抗磨蚀时间,保障机组的安全稳定运行。同时,适当增大泵站空化系数,增加埋深,可减少进水管压力脉动,提高机组稳定性。

(3) 基于泥沙含量成果和泥沙磨蚀分析,对金刚沱泵站水泵过流部件的抗磨性能提出了严格的技术要求,优化了叶轮材料,增加了抗磨涂层。针对金刚沱泵站汛期泥沙含量较大等问题,水泵叶轮拆装方式采用中拆和上拆方式,泵组技术供水系统取水总管设置旋流器和滤水器。

(4) 考虑到该泵站扬程变幅较大,Hpmax/Hpmin=1.71,虽然模型试验结果表明水泵在低扬程区间也能保证稳定运行,且从目前水文资料分析来看,长江上游多座水库的建成,调蓄了水量,改善了长江水位变幅,预计泵站未来在低扬程运行时间很短。然而,泵站在低扬程运行的确切时间和加权因子还是存在不确定性。因此,综合以上几点分析,目前泵站预留了变频器安装位置和高压变频器室,待远期需要变频调速运行时,可进行相关改造。