淮安抽水二站加固改造工程机组效益分析研究

袁 聪 杨正东（江苏省灌溉总渠管理处 淮安 223200）

淮安抽水二站加固改造工程机组效益分析研究

袁 聪 杨正东
（江苏省灌溉总渠管理处 淮安 223200）

本文对淮安抽水二站改造工程的立式轴流泵从模型装置到真机运行不同阶段的运行性能进行测试、分析，作为国内最大的轴流泵站及南水北调东线的主力泵站，淮安二站的成功改造经验也为国内其他大型轴流泵站的改造提供了重要技术参考。

淮安抽水二站 加权平均效率 工程效益 研究分析

1 概述

淮安抽水二站位于淮安市楚州区南郊，是淮安水利枢纽工程的重要组成部分，也是南水北调东线工程的第二级泵站之一，泵站规模为大（Ⅱ）型。该站与淮安一站、淮安三站和淮安四站共同抽引江都站输送的长江水入苏北灌溉总渠，输送至淮阴站下，满足南水北调东线第一期工程第二、第三梯级抽水300m3/s的规划目标。

改造后的淮安二站设计规模不变，仍为120m3/s，平均调水扬程3.82m，转速由100r/min降为93.8r/min，配套5000kW立式同步电机，配套立式全调节轴流泵，叶轮直径4.5m。改造工程于2010年12月开工建设，2012年12月通过试运行验收。

2 拟定的技术要求

为达到预期改造效果，在设计阶段即提出效率保证指标：水泵应具有较宽的高效率区及获得较高的加权平均效率。在设计净扬程为4.89m、抽水流量为设计流量时，水泵模型装置效率不低于70%；水泵在平均净扬程为3.82m时，在设计工况角度下，水泵模型装置效率不低于71%；水泵在最大净扬程为5.06m时，在设计工况角度下，水泵模型装置效率不低于70%。水泵在最小净扬程为2.0m时，在设计工况角度下，水泵模型装置效率不低于58%。泵站的模型装置加权平均效率应不低于70.5%。加权效率数值计算的公式如下：

η泵=0.1ηmax+0.3ηdes+0.55ηav+0.05ηmin

各特征扬程权重为：最高扬程0.1，设计扬程0.3，平均扬程0.55，最小扬程0.05。水泵设计工况点汽蚀比转速C值不小于1000，保证水泵的抗汽蚀性能较高，并能获得较高的平均效率。

3 泵站流道优化水力计算

为满足泵站高效运行，满足南水北调东线工程的设计要求，设计单位委托扬州大学进行了泵站进、出水流道流场数值模拟及优化水力计算，以评估现有流道的水力性能，从而确定是否对现有流道进行改造。

3.1 进、出水流道三维流动数值计算结果

对淮安二站现状肘形进水流道的进水流场采用三维湍流模型进行了数值模拟。图1为进水流道主要断面的流场图，根据流场模拟结果计算得出目标函数及设计流量时的流道水力损失结果：均匀度为93.3%，平均角度为87.83，流道水力损失为0.098m。

对虹吸式出水流道内的出水流场采用标准k-ε湍流模型进行了三维流动数值模拟，图2为出水流道主要断面的流场图。可以看出，虹吸式出水流道上升段内的流态较为平顺、无不良流态，但在流道下降段中墩两侧的底部区域存在较大范围的旋涡区。

3.2 结论

（1）根据数值模拟计算结果，淮安二站现状肘形进水流道流态较为平顺、流道水力损失较小；由于流道原设计采用的流道高度偏小、流道宽度方向的收缩偏快，进水流道出口的流速均匀度略差。根据“只填不凿”的要求，进水流道现有形线难以再作优化。

图1 淮安二站肘形进水流道流场图

图2 淮安二站虹吸式出水流道流场图

（2）根据数值模拟计算的结果，淮安二站现状虹吸式出水流道上升段的流态较为平顺，下降段的底部区域存在旋涡区，但流道的水力损失相对较小。如果对出水流道进行优化，须采用打坝施工的方案，而且流道下降段的水力损失对整个出水流道的水力损失影响不大。

（3）根据数值模拟计算的结果，淮安二站进、出水流道总的水力损失为0.55m，水力损失并不大，因此对进、出水流道建议不进行改造。

图3 淮安二站水泵原型装置综合特性曲线

4 泵站模型装置特性试验

水泵生产厂家中标后，根据实施阶段的水泵叶轮直径及水泵结构尺寸，在河海大学试验台上进行了泵站模型装置特性试验，以检验和优化水泵水力性能。

4.1 试验台及测试装置

河海大学水力机械多功能试验台是“211工程”重点建设项目之一，试验综合误差≤0.5%，采用立式封闭循环系统，总容量为50m3。不仅可以做立式、卧式水泵及水轮机模型装置特性试验，而且可以做可逆式水泵、水轮机模型装置特性试验、正反向水泵工况和正反向水轮机工况等多功能的试验研究。

4.2 试验方法

按照《水泵模型及装置模型验收试验规程》（SL140-2006）执行，测量流量、进口压力、出口压力、扭矩、转速、真空度、大气压和水温等参数。

4.3 试验结果

采用叶片安放角分别为-6°、-4°、-2°、0°、+2°进行能量特性试验，测试结果表明：模型最高装置效率为72.69%，对应叶片安放角为0°，扬程为5.58m，模型流量为0.290m3/s，换算至原型流量为65.31m3/s；叶片安放角为-2°时，模型最高装置效率为72.31%，对应扬程为5.30m，模型流量为0.266m3/s，换算至原型流量为59.77m3/s；设计工况点扬程4.89m时，模型装置效率为72.2%，流量为0.275m3/s，换算至原型流量为61.86m3/s；平均净扬程3.82m时，模型装置效率为70.92%，流量为0.302m3/s，换算至原型流量为67.89m3/s。叶片安放角为-2.5°时，调水最高扬程5.06m，模型装置效率为72.2%，设计扬程4.89m，模型装置效率为72.2%，平均净扬程3.82m，模型装置效率为71.00%。

在设计扬程4.89m和平均扬程3.82m的情况下，泵站的装置效率和流量均超过了设计要求。换算后的泵站原型装置特性曲线见图3，不同特征工况下试验结果与合同保证值对比见表1。

表1 验收试验性能与招标文件保证值对比表（叶片安放角-2.5°）

表2 淮安二站机组现场实测结果与模型装置试验数据对比表

各特征扬程权重为：最高扬程0.1，设计扬程0.3，平均扬程0.55，最小扬程0.05。

5 泵站运行分析

5.1 试运行检验

淮安二站于2013年3月24日全站联合试运行，单机连续试运行24h以上，试运行结果表明，机组运行稳定、各部位温升正常，不同角度下的性能达到了要求。

5.2 能量特性分析

试运行期间，由江苏省灌溉总渠管理处水文站进行了断面流量测量。对不同角度下的扬程、流量和功率进行测量，并计算装置效率，表2为现场实测结果。

5.3 机组运行稳定性及温升情况

在试运行过程中，测量并记录了主水泵、主电机的电流、电压、功率、温度、振动、噪声等有关参数，均满足设计和规范的要求。

6 结语

经过加固改造，淮安二站这座国内最大的轴流泵站继续发挥巨大的经济效益。由于淮北地区干旱，自2012年安装完成后，工程即连续投入运行，截至2014年底，改造后的新机组已累计运行450天，近15000台时，抽水量达35亿m3。经过淮安二站的机组从模型装置试验、真机试运行、长期抗旱运行等不同阶段，表明该站的机组在运行时的流量、效率等各项能量特性指标以及振动、温升等机组运行的稳定性等方面，均达到了更新改造的预期效果