轴流水泵在双合抽水站运行工况分析

孙淑云

（陕西省礼泉县水利工作队 陕西礼泉 713200）

在水泵运行与管理中，为了最大限度发挥水泵运行效益，经常采用多台水泵并联形式运行，以便最大化发挥水泵性能。所以说研究单台水泵运行工况显得尤为关键。本文通过对双合抽水站进水流道水位、出水池水位校核、轴流泵叶片安放角度等要素的计算，分析了16CJ-80型水泵(转轮型号为I19的轴流水泵)在双合抽水站运行工况。

1 双合抽水站概况

双合抽水站是利用宝鸡峡泔河水库为水源修建的中型电力提灌工程，属二级抽水，灌区有干渠1条，长11 km，斗渠27条,总长33 km，农渠292条，总长43.8 km。干渠沿线建有坡李抽水站、前山抽水站、前山赵抽水站、高家抽水站等4座，小高抽渠道长度12 km，控制面积360 hm2。目前双合灌区设施灌溉面积1 400 hm2，有效灌溉面积973 hm2，涉及赵镇、昭陵两个乡镇的15个行政村，受益农业人口1.3万人。其中双合抽水站装机容量987 kW，地形扬程为58 m，安装高邮水泵厂生产的16CJ一80型全调节轴流泵4台，研究其轴流水泵工况性能可以为抽水站在抗旱为农服务的关键时刻实现水泵并联形式运转、最大化发挥水泵性能提供科学依据。

2 对双合抽水站进水流道水位分析

2.1 进水闸前水位统计分析

根据抽水站1991—2008年的闸前河道水位观测资料，统计32个灌季的闸前水位观测记录有1 067次，其中：冬灌水位222次，春灌水位513次，夏灌水位323次，考虑到现有观测资料局限性，故采用累计频率计算法对现有水位资料进行概略分析，经统计计算，各灌季在50%、75%、80%和95%频率下的闸前水位分别如表1所示，又双合抽水站灌区设计灌溉保证率为75%，而75%与80%频率下的闸前水位接近（仅差0.05 m），因此最低水位分别按50%、80%和95%频率考虑，抽水站灌季进水闸前水位最低水位分别为351.73 m、351.34 m和351.12 m。

表1 不同频率条件下进水闸前水位

2.2 进水流道水位分析

由于双合抽水站进水池无水位实测资料，在此可根据进水闸前水位进行推算。根据现场多年观察，前池水位较进水闸前水位约低0.30～0.60 m。按最不利情况，取进水闸至进水池间的水头损失为0.50 m，则频率为50%、80%和95%时，双合抽水站进水池水位分别为351.23 m、350.84 m、350.62 m。

2.3 出水池水位确定

由于双合抽水站是以宝鸡峡泔河水库为水源的电力提灌工程，工程引水闸设在礼泉县双合泔河河道1 km处，渠首中心线与泔河主流夹角75°，进水闸底板高程比泔河枯水位低4.05 m，比汛期河槽最深点低3.3 m，能在最不利的泔河低水位甚至是脱流情况下也能满足抽水站引水要求。又因为泔河水含沙量大，对水泵磨蚀较为严重，管理单位在隧洞出口修建三个排沙漏斗，漏斗输沙道出口底板高程最低为351.50 m，由此推算双合抽水站出水池水位应为358 m，而出水池实际最高水位356.86 m,最低水位356.46 m,按最低水位356.46 m计，出水池水位应需提高1.54 m，以达到水泵正常运行之需要。

3 水泵叶片安放角位确认

轴流泵工作原理是水泵叶片下表面曲率大于上表面，当叶轮转动时，流经叶片下表面的水流速度必然高于上表面，因此，下表面的压力要低于上表面，由于这个压力差的存在，水对叶片产生一向下的压力，而高速旋转的叶片将对水产生一向上的推力使之上升，由于水流基本上沿着轴向流过叶轮，完成抽水工作。双合抽水站轴流泵经过改造，水泵叶片改为定浆式，其安放角位分别根据《多泥沙河流大型抽水站轴流泵技改实验研究技术鉴定文件》和《陕西省礼泉县双合抽水站现场测试报告》进行分析，改造后的水泵安放角位应该在-4°～0°之间，为了确定改造后水泵的实际安放角，其具体计算方法和过程如下所述。

3.1 管道水头损失

沿程水头损失为h沿=10.29(n2L/d5.33)Q2，其中：钢管糙率n取0.015，管道直径d=1.8m，管道长度 L=5.7m，则：h沿=0.000575Q2；局部水头损失为 h局=0.183ξ局（Q2/d4），局部损失主要数值为：进水口ξ取0.3、肘管按光滑90°弯管ξ取0.44、60°弯管ξ取0.295、伸缩节ξ取0.3、出水口ξ取1.0，以上数值因资料有限，局部损失等系数可能与实际稍微有差异，但对其损失计算影响并不大。经过计算得出：h局=0.0197Q2；管路总水头损失方程为 h损=h沿+h局=0.02028Q2。

3.2 分析水泵实际性能曲线

16CJ-80型水泵性能曲线图来源于2002年4月中国水科院机电研究所对部分改造机组的《多泥沙河流大型抽水站轴流泵技改实验研究技术鉴定文件》，而抽水站实际运行测试数据来源于山西抽水站现场测试中心提供的《陕西礼泉县双合抽水站现场测试报告》，详见表2，水泵测试结果为：当H净=4.729 m、Q=8.3037 m3/s时，按 h损=SQ2=0.02028Q2=0.02028×8.30372=1.398 m；h总=4.729+1.398=6.127 m，当H净=5.004m、Q=8.007m3/s时，h总=6.304m;当 H净=5.59m、Q=7.5961 m3/s时,h总=6.760 m。

3.3 结论

将上述三组数据结合多年实测数据与16CJ-80型水泵(性能曲线进行对比分析可以看出：该水泵叶片安放角在-4°～0°之间，接近-2°稍向左偏移。据此可以判定双合抽水站轴流泵水泵实际安放角应该为-2°。

表2 礼泉县双合抽水站轴流泵现场测试技术参数

4 抽水站出水池水位抬高后水泵工作点校核

4.1 绘制水泵性能曲线

双合抽水站水泵的性能曲线是在中国水科院机电研究所提供的I19型轴流泵转轮（ns=680）和与之配套的C23型导叶水力模型的性能曲线图基础上，根据改造泵提供的性能参数，绘制出安放角在-2°时的性能曲线。也根据其曲线推算出该泵叶片安放角β=-2°时,轴流泵技术参数如表3。

表3 双合抽水站轴流泵安放角与相关技术参数

4.2 水泵净扬程计算和工作点的确定

根据上述统计分析结果,根据出水池水位和其水池水位推算，抽水站在50%、80%和95%频率水位下，当水泵叶片β=-20时，其净扬程分别为：6.77 m、7.16 m、7.38 m 和 h损=0.02028Q2。同时根据《多泥沙河流大型抽水站轴流泵技改实验研究技术鉴定文件》和《陕西礼泉县双合抽水站现场测试报告》相关资料及轴流泵性能曲线图计算出各频率水位下水泵工作点参数见表4。

表4 双合抽水站各频率水位下轴流泵泵工作点参数表

5 轴流泵工况结论及建议

按照排沙漏斗对双合抽水站出水池水位的要求，通过对水泵工作点计算分析认为：该泵驼峰点扬程为8.3 m,当p=50%时，实际总扬程为7.73 m，富余扬程为0.57 m,水泵基本能保证安全运行，但其保证率较低；当p=80%、p=95%时，实际总扬程为8.02 m和8.16 m，富余扬程仅为0.28 m和0.14 m,一旦水位稍有不利变化，水泵就可能进入马鞍形不稳定区运行，出现噪音、振动和断流等异常现象，效率降低，导致水泵不能正常运行。若欲满足排沙漏斗对水头的要求，需对双合抽水站水泵进行改造，即更换水泵转轮。更换转轮后水泵的主要参数应满足转速250 r/min，配套功率不超过800 kW，水泵扬程为8 m，流量为7～8 m3/s时，效率为76%～85%，以此使改造后的轴流水泵发挥最佳效益，为其并联运行提供最佳性能。