我国大型泵站水泵设计扬程选择过高的错误原因分析

2011-05-03吕省三黄智丰

上海大中型电机 2011年2期

吕省三，黄智丰，施伟

(1.江苏省江都水利工程管理处;2.江苏江都亚威机床股份有限公司，江苏江都 225200)

0 引言

由于实践经验的匮乏以及技术理论的缺失，我国早期兴建的大型泵站，存在着水泵设计扬程偏高，实际运行扬程过低偏离了设计扬程，致使站运行效率偏低。中小型排灌装置的运行效率，20世纪80年代开展的“机电排灌节能技术改造”后，中小型排灌设置选用的水泵设计扬程大幅下降，使运行效率得以大幅度提高。

希望大型泵站更新改造时，能降低大泵的设计扬程，提高经常运行效率。

江都一、二站是我国首批兴建的大型泵站，原用水泵为64ZLB－50型轴流泵，设计扬程8 m。实测站高效运行净扬程为7～9 m，站运行效率在70%以上;净扬程在8.6 m时，站最高运行效率达74%;当运行净扬程低于5 m，装置效率达不到大型泵站不低于65%的要求。但该站的实际平均运净行扬程仅为4.7 m，说明由于水泵扬程选用偏高，经常运行在站高效区扬程范围以下，运行效率明显偏低[1]。

20世纪90年代扩容更新改造后，将水泵设计扬程降低3 m，(改为6 m设计扬程)单机流量增容30%。(注意:流量增大，流道水力效率将大幅下降，站运行效率应跟着大幅下降。)但改造后实测净扬程在4 m以上时，站运行效率大幅提高，达65%以上，达到大型泵站运行要求[2]。

如果该站更新改造中不兼顾国家南水北调东线一级泵站和长远扬程不提高的话，同时扩容30%，将大泵设计扬程进一步降低后，该泵站经常运行效率达70%左右，应是轻而易举的事。

然而，种种迹象表明，目前正在开展的大型泵站改造工程中，由于某些错误认识影响，存在更高地选用大泵设计扬程的隐患。

笔者拟对以下3个问题提出讨论。

(1)因缺少经验，导致早期兴建大型泵站选用水泵设计扬程偏高的遗憾。

(2)错误认识是将诱导过高选用大泵扬程的隐患。

(3)拦污栅严重堵塞的恶果，使大型泵站较普遍支持更高选用大泵扬程。

1 早期兴建的大型泵站选用水泵设计扬程偏高

首批兴建的大型泵站，普遍按较高扬程保证率，甚至按最大扬程选择水泵，致使水泵经常运行扬程偏低地离开高效区域，站运行效率偏低。随着模型及原型泵运行观察研究的深入，人们清楚了水泵在设计扬程上下，存在大体对称的高效区，以64ZBL－50轴流泵为例，设计扬程为8 m，最高效率87%。分析其全性能曲线，如果将运行效率达80%以上称为高效区范围的话，那么高效区扬程在5～10 m之间，不管运行扬程向下还是向上偏离设计扬程，水泵运行效率同样会下降，所以按平均运行扬程选用水泵设计扬程才是正确的、高效的。

对于轴流泵，在一定浸没深度下，汽蚀程度由汽蚀余量(注:进入叶轮入口附近的水流，在被叶片增压以前产生的压力下降水柱高度，以m计，称汽蚀余量)大小决定。在不同的扬程，不同的叶片角度下，水泵汽蚀余量不同，在设计工况，即设计扬程，设计叶片角度下，汽蚀余量最小，汽蚀性能最好，汽蚀声响和振动最小，运行效率最高，运行最安全可靠。不管是偏低还是偏高，离开设计扬程或叶片角度加大，都会增大汽蚀余量，偏低越远，角度越大，汽蚀余量越大，汽蚀声响和振动越大，运行效率越低。但偏高越远，受电机功率限制，必须同时减小叶片角度，汽蚀余量增大并不明显。因为提高扬程，减小叶片角度，都使流量减小，流道水力效率提高，泵站运行效率下降很慢。

从这个意义上来说，水泵运行扬程偏离设计扬程过低，不但泵站运行效率大幅下降，汽蚀破坏更加严重，而偏离设计扬程过高运行，泵站运行效率下降较慢，叶轮中心如果有足够的淹没深度，汽蚀破坏亦将较轻。所以大型泵站最高运行效率扬程应高于设计扬程，当选用水泵设计扬程偏高时，等于摒弃了站高效扬程区范围，运行效率自然偏低了。

2 错误的认识诱导大泵选用更高的扬程

我国早期兴建的大型虹吸式轴流泵站中，虹吸驼峰顶存在设计缺陷。在启动过程中，形成了不易排除的弹性残余空气囊，引起负压强烈振动，导致水泵工作扬程在高过鞍顶与低于鞍底之间大幅度跳跃变化，流量也大幅跳跃变化，而在叶片上产生强烈水力振动现象。这种启动振动现象，被论定为水泵启动扬程较高，进入马鞍区，而轴流泵的马鞍区为不稳定的运行区。如图1:轴流泵在这区间运行时，会出现Q1、Q2、Q3剧烈变化的3个不稳定流量，在水泵叶片上将产生严重的水流翻滚撞击现象，从而引起强烈的水力振动和噪音，这种振动和噪音甚至较关闭(零流量)扬程运行更强烈，因此，轴流泵应避免在此区间内运行。

根据这片面观察的结论，充斥相关专业杂志的论文中。有不少知名专业人士都随之附和，误导了相关从业人员。

图1 轴流泵的马鞍形运行区

根据这一错误认识，就不难理解，为什么有人将水泵的设计扬程选得高而又高。本意是要保证大泵站最高运行扬程，甚至水泵启动扬程也必须低于鞍底扬程，避免进入马鞍区。所以出现了“猫背式”出水泵站，启动扬程并不高，经常运行净扬程仅3～5 m，却奇高地选用设计扬程为9.5 m的巨型泵。投运以后，该站经常运行净扬程在3～5 m，甚至更低。泵站经常运行效率在40%左右。而该站如果在9.5 m以上扬程运行，效率可达80%左右。按9.5 m设计扬程配用的电机，经常运行负载率不足50%。

所以，出现了某泵站为解决启动强烈振动问题，耗巨资进行部分机组更新改造，将水泵设计扬程进一步提高。据报道，改造以后，站运行效率很低，而且汽蚀振动严重。更新改造的结果，又急待下一次“节能改造”!

综上可见，根据片面观察而得出的认识，在我国的影响不可轻视。为什么说现象观察是片面呢?因为出现启动剧强振动现象的虹吸式泵站，全面现象是在较低净扬程下启动时，尽管启动扬程很高却并不产生强烈振动，随着净扬程逐步提高，从开始产生短促强烈振动，并自动止息。逐步延长振动时间，直到永不止息为止。举例来说，江都一、二站64ZLB－50型水泵，叶片角度为0°时，水泵最高效率扬程为8 m，鞍底扬程约为7.3 m，鞍顶扬程约为10 m。当净扬程在3 m以下启动时，最大启动扬程超过鞍顶扬程进入小流量区域，整个启动过程中也不会发生强烈振动。净扬程达3 m以上，启动扬程急剧上升超过鞍顶扬程阶段，并不产生振动。待真空破坏阀排气结束，关闭后的停瞬间，启动扬程迅速下降过程中突然发生振动。开始为1 min左右，强烈启动振动自动息止。净扬程逐步提高，振动时间逐步延长，直至净扬程达6.5 m以上时，这种振动将永不止息。逐步提高或降低，在运行中的水泵扬程，全程经过鞍区扬程均不会产生强烈振动。在稳定运行中的水泵，打开真空破坏阀，提高运行扬程并不产生振动，但再关闭以后和水泵启动过程一样将产生的振动直到永不止息，而被迫停机。这是虹吸式轴流泵站产生的强烈水力振动。如果全面观察分析这些现象，就绝不会如此简单错误地认为，虹吸式泵站启动扬程过高进入马鞍区，而马鞍区为不稳定运行区。轴流泵应该避免在这个区域运行吗?

20世纪70年代完成的江都四站设计，确认了轴流泵在马鞍区是可以稳定运行的，圆满地杜绝了虹吸式轴流泵站启动振动现象。合理地将江都四站水泵设计扬程比一、二、三站降低了3 m。经过20多年的运行，充分证明设计是正确的，成功的。

众所周知，轴流泵的全性能曲线不是理论计算出来的，而是根据实测资料绘制的。运行扬程逐步升高至鞍顶扬程附近，都能稳定运行，才可绘制出大量流量曲线。运行扬程逐步降低，至鞍底扬程也能稳定运行，才能绘制出小流量曲线。如果水泵在马鞍区内工作不稳定，就不可能实测出马鞍区性能曲线来。这是一个常识问题。江都排灌站运行实践告诉我们，轴流泵在鞍底以上扬程完全可以稳定运行。江都四站轴流泵的高效扬程为6 m，由于是虹吸式出水，启动扬程较高，最大启动扬程达13 m左右。由于虹吸管设计相当，从未发生启动振动现象。实测运行净扬程达7.8 m时，水泵运行全扬程将在8 m以上。当进入马鞍区，不但能稳定运行，而且装置运行效率达76%。曾作排除进口引河积水非常运行。随着水位逐渐下降，运行扬程逐步上升。最大运行净扬程达11.5 m，可能已经超出鞍顶扬程，进口最低水位在叶轮中心以下吸上2.5 m，都能稳定运行，只是气蚀声响和振动较大。

江都一、二站更新改造前选用64ZBL－50型轴流泵，设计扬程为8 m，就在马鞍区内。在一站兴建初期曾打开真空破坏阀并逐渐降低进水水位试验运行，当水泵运行扬程达10 m时，正处于鞍顶扬程附近，才出现强烈振动现象。此前都能稳定运行，关闭真空破坏阀后，水泵又恢复稳定运行。

在江都一站更新改造工程模型试验中，我们特别仔细地观察了水泵振动情况，模型泵工作扬程脉动正常达13 cm左右，当工作扬程逐步上升时，在马鞍区内稳定工作，只有在临近鞍顶扬程时才会失去稳定，产生强烈振动。在强烈振动发生时，只要稍稍改变水泵转速，即改变鞍顶扬程，水泵振动便会立即停止。

轴流泵在临近鞍顶扬程附近运行时所以会出现强烈水力振动，是因为鞍顶扬程附近H－Q曲线非常平坦，而水泵工作扬程大达0.5 m以上的脉动。这扬程脉动值，鞍顶扬程附近，可导致2 m3·s－1流量的剧烈变化，从而在叶片上产生水流滚翻撞击等强烈水力振动现象。可以断言，在此扬程下，如果改变叶片安放角度，即改变鞍顶扬程，这种振动会立即消除。

3 拦污栅严重堵塞引起的强烈振动和噪声，令大型泵站选用更高水泵设计扬程

大型泵站排涝运行中，普遍存在拦污栅严重堵塞，江都泵站也曾面临过此类问题。站下游水草成垛，拦污栅犹如一道草墙，前后水位差一般达2～3 m，最大可达4～5 m。且栅后水位大幅脉动，剧烈翻滚，水泵出流挟气，电机功率较大幅值振荡。种种现象说明由于拦污栅严重堵塞，进口水位严重降低，且脉动异常，使运行扬程扩大。大泵在恶劣的吸上运行状态高扬程运行，可能临近鞍顶扬程附近，产生强烈的水力振动。总之，使运行工况极不稳定，感到厂房也伴随机组振动，令人不由产生惊惧不安之感。

1998年9月长江流域发生大洪水以后，为寻求泵站改造商机，笔者曾受派遣去湖北武汉市相关单位寻求合作，进行泵站改造。在资料上看到员工们为泵站安全运行，舍身冒死地站在严重堵塞的拦污栅后水中，用双手清除附着在拦污栅上的杂物的报道(江都站也曾临时停机吊起拦污栅，清理杂草的方法比较安全)。曾经想过，不能漠视为泵站高效安全运行，工作人员舍身忘死的情形。泵站改造工程首先要解决拦污栅堵塞的问题。

其实，只要有投资，解决拦污栅堵塞问题并不很困难。江都站的经验是，在进口引河或兴建或依托建筑物设迴转清污装置，清除杂物很彻底、很方便。

笔者与武汉泵站工作人员所思所想相同，所以比较融洽，一致认为急待改造泵站的大致情况为:

(1)原泵站为虹吸式出水真空破坏断流。由于江河泥沙淤积、越驼峰洪水位发生频率提高、虹吸驼峰底为洪水淹没、停机不能断流、洪水期泵站不能开机的几率提高了。

(2)原用64ZLB－50型轴流泵，设计扬程7 m(实际为8 m)，经常运行净扬程为3～5 m。由于启动扬程过高，进入不稳定运行马鞍区，产生强烈振动、启动振动。最大水位差为6.5 m左右。由于拦污栅堵塞严重，运行扬程过高。所以需要改造虹吸管为直管出水，提高水泵设计扬程提高至9～9.5 m，才能保证泵站安全运行。

笔者认为，轴流泵马鞍区可以稳定运行，虹吸式出水泵站启动振动现象是虹吸驼峰设计缺陷造成的。启动过程中随着出水管中水位上升，存留空气受压缩，大部分经真空破坏阀或出水口排出，顶部存在不易于排除的残余弹性气囊，在水泵工作压力脉动的作用下，压缩－反弹－以致产生振荡，使驼峰顶负压双幅值大幅跳跃变化，原型实测江都二站，负压跳跃变化达4 m水柱。造成轴流泵工作扬程，可能在高于鞍顶和低于鞍底扬程之间反复跳跃变化，水泵流量在相应扬程下，大幅跳跃变化，而在叶轮上产生的强烈水力振动，俗称启动振动。[3]根据江都四站及此后续建多座泵站成功的经验，仅花数万元费用改造虹吸驼峰顶，即可消除这种启动振动现象。所以不必改造虹吸管。为提高泵站经常运行效率，应降低水泵设计扬程，而不是提高。拦污栅堵塞问题应优先解决。解决最大洪水位时超驼峰继续运行的改造工程中，也应保留虹吸管。因为废除旧管，新建直管耗资大增。同时必须新建挡水闸门，在保留虹吸管时，该闸门可为简单的事故挡洪门，只承载超驼峰水位差的水压力，造价较低;而采用直管时，该挡洪门必须按泵站断流的快速闸门设计，其需承水压力当升至数十米，闸门及启闭机的造价将远大于前者。

上述分析意见，在某几个单位被认为是奇谈怪论，而无法深入交流。唯有武汉市水利局工管处多次参与洽谈的2位处长和1位王姓的工程师态度诚恳，坦言称“你的分析和教科书相悖，但仔细听来也不无道理，值得深入探讨”。经研究决定，进一步共同探求合作，进行泵站改造项目。