关于正确选择大泵设计扬程的研究

范顺芳黄春华张学阳（.江苏省江都水利工程管理处 江都 500 .连云港市赣榆区水利局 赣榆 00）

关于正确选择大泵设计扬程的研究

范顺芳1黄春华1张学阳2
（1.江苏省江都水利工程管理处 江都 225200 2.连云港市赣榆区水利局 赣榆 222100）

新中国成立初期设计低扬程大型泵站，由于缺少借鉴，为提高水泵扬程保证率，选用水泵设计扬程偏高，使泵站经常运行效率达不到国家最低要求，虹吸驼峰顶设计失误而产生强烈的启动振动现象等。本文举例探讨了如何按泵站平均运行净扬程正确选用水泵设计扬程，从而大幅度提高泵站经常运行效率。

泵站运行效率 轴流泵 设计扬程 水力损失

1 引言

由于主泵设计扬程偏高选择的错误，我国一般大型泵站不能进入较高运行效率区，经常运行效率达不到65%的国家标准要求，个别大型泵站经常运行效率仅有20%～30%。自兴建大型泵站以来，采用选择大泵设计扬程方法有三种：一为泵站设计扬程加进出水流道的水力损失；二为泵站最大启动扬程不允许进入轴流泵的马鞍区间；三为按泵站经常运行平均净扬程选择。从理论分析和运行效果两方面看，前两种大泵设计扬程选择方法均是错误的。只有第三种按泵站经常运行平均净扬程选择大泵设计扬程，才能保证泵站经常运行在高效区，才能达到泵站最高运行效率。本文将重点介绍这三种大泵设计扬程选择的背景和运行效果。

2 确定泵站设计扬程加进出水流道水力损失

2.1 大型泵站设计扬程的背景

我国首建的大型泵站由江苏省水利厅组建专题设计组，在1956年完成初步设计，拟名“滨江抽水站”（当时站址未定），装置10台套大型PVP-160型半调轴流泵机组，抽引长江水，消除苏北地区的频频旱灾，并协同上海水泵厂等单位进行泵站设备试制。当时毫无大型泵站运行经验，也没有低扬程大流量的轴流泵模型试验资料，只能与上海水泵厂协商，该厂拟仿制（前）苏联的PVP-160半调节轴流泵（后来定型生产为64ZL-50型半调节轴流泵），主要参数是大泵设计扬程8.0m，正符合泵站规划设计扬程7m，加流道水力损失（0.7m）的要求。所以，共同确定选择大泵设计扬程为泵站设计扬程加流道水力损失，具有足够的扬程保证率。此次设计开创了大泵设计扬程选择的初始意见，为新中国成立初期兴建大型泵站所广泛接受。

事实上，滨江抽水站并没有兴建，几经变迁，后经国务院批准，利用已订设备扩大规模，于20世纪60年代初建成江都第一、二抽水站，建成后，经济效益和社会效益特别显著，此后又相继建成了江都第三、四抽水站，共称“江都排灌站”。江都第一、二、三抽水站同样以滨江抽水站的意见选用大泵设计扬程。

2.2 运行中发现的主要问题

图1 江都一、二站水泵运行效率曲线图

图2 江都四站水泵特性曲线图

江都第一、二、三抽水站建成后，由于泵站进出口水位变幅较大，大泵运行扬程变幅自然较大，发现经常运行扬程偏低，经常运行效率远低于泵站高效区，达不到65%的国家要求，如图1（图中虚线为人为提高运行扬程后实测部分效率高效区曲线）所示，牵引电机负载率和运行效率也很低。针对这一现象，在20世纪70年代初将江都第一、二抽水站的半调节叶片，由原来0°位运行，改造为＋5°运行，以提高电机的负载率，即电机的运行效率和大泵抽水量。由于抽水量增大，流道水力效率下降，虽不能提高泵站运行效率，但可以提高泵站的社会效益和经济效益。1973年开始设计的江都四站，在中国科学院工程院周君亮院士和潘贤德等前辈指导下，将大泵设计扬程下降2m，定为6m，性能曲线如图2，经常运行效率可达65.5%，当运行净扬程为7.8m（人为提高扬程后实测）叶片安放角度为+4°时，最高运行效率可达76%，见图3。

图4 轴流泵的全性能曲线

在江都一、二站运行中，另一个重大发现是，虹吸式轴流泵站启动扬程较高，当净扬程较大时，会产生强烈的启动振动现象，当净扬程超过某一数值时（6.5m）这种振动会永不止息，只能停机，待潮水来临，净扬程减低时再开机。这一现象在我国早期兴建的虹吸式轴流泵站中较为普遍。当时曾在全国引起热议，因而得出错误的结论：轴流泵马鞍区（鞍底和鞍顶扬程之间）为不稳定运行区，虹吸式泵站启动扬程较高，一旦进入这个区域，便自然出现3个不同流量（如图4），不同流量便在叶片上翻滚撞击，引起强烈的水力振动，这就是启动振动。由此错误导致选择更高水泵设计扬程。

1973年初组建江都四站设计组，认真分析江都一、二站模型试验和原型观测报告后，参考黄委水科所《关于金堤河张庄抽水站模型试验报告》，意见与上述错误结论相反，认为虹吸式轴流泵站启动振动原因，不是启动扬程较高进入了轴流泵马鞍区引起的，在轴流泵马鞍区运行也是稳定的，而是由于虹吸驼峰顶设计出现了失误，水泵启动时，出水侧产生残余空气囊，在水流脉动压力作用下，弹性残余空气囊可能产生振荡，使水泵运行扬程在高于鞍顶和低于鞍底扬程之间，大幅度跳跃变化，水泵流量也在大幅度跳跃变化，而产生强烈的水力振动。因此消除这种振动方法很简单，消除残余空气囊生存的条件，便可杜绝启动振动发生。1975年有两台机组投入试运行，进行了各种扬程启动试运行，并未发现启动振动现象。1977年江都四站竣工后，历经数十年安全运行，完全证明当时设计思想是正确的，为大型水泵设计扬程正确选用提供了范例，在南水北调东线工程中得以推广运用。

3 按泵站最高扬程选择水泵设计扬程的危害实例

湖南省岩汪湖泵站，原装置64ZL-50型轴流泵，设计扬程8m，经常运行扬程为3～4m，但曾因启动强烈振动无法开机排涝。如按江都四站成功处置经验，通过改造虹吸驼峰顶出水侧，消除残余空气囊，即可杜绝启动振动现象。然而当时却错误地将原设计扬程为8m的轴流泵改造为9m的混流泵，导致改造后的泵站经常运行效率仅达20%～30%，而且，由于经常运行扬程远低于设计扬程，汽蚀振动严重。

某省兴建巨型排涝泵站，为避免最大启动扬程进入马鞍区，引起启动振动，不但按站最大扬程9.5m（千年一遇），选用40CJ95型巨型泵，叶片角度+4°～-20°，大幅度全调节，以确保启动时水泵扬程不会进入马鞍区，采用大负角度启动，水泵也没有马鞍区。该泵高效区效率h泵为88.7%，配套电机6000kW，运行效率h机为96.0%，流道设计水力效率h水为93.0%，计算该站在设计扬程运行时效率为h站=h泵h机h水=88.7%×96.0%×93%=82%。可是，该站经常运行净扬程为3～4m，水泵运行效率在80%以下，电机负载率当在50%以下。众所周知，当电机负载率超过75%时，运行效率方进入高效区，负载率越低，运行效率越低。加之低扬程时，流量必然大增，流道水力效率大幅下降，该站实际经常运行效率和汽蚀性能自然出奇的低下。

表1 64BZL-50型水泵汽蚀余量表

4 按平均运行净扬程选择水泵设计扬程

在20世纪80年代，在讨论如何提高我国大型泵站经常运行效率中，有人提出轴流泵运行在高效区内工况当然最好，运行效率最高，向高偏离和向低偏离高效区运行，同样是安全的，运行效率和汽蚀性能同样变差，如果考虑到向上偏离高效区时，受电机容量限制，必须降低叶片运行角度，相应地提高水泵汽蚀性能，运行将更安全。举例说明，64ZL-50型轴流泵在高效区内运行（表1中扬程7.23m），汽蚀性能最好，汽蚀余量最小，为7.02m，当运行扬程何高偏离至9.8m时（向上偏离1.8m）汽蚀余量为8.46m，增大1.44n，如改变叶片角度至-2°，汽蚀余量可以下降，汽蚀性能变好。当运行扬程向低偏空效区时，例如4.16m运行时，汽蚀余量为9.13m，增大了2m，如果增大叶片角度，汽蚀性能更差。从这个角度看，向高偏离高效区扬程运行，比向低偏离更安全。

5 结束语

轴流泵运行扬程非常宽广，高效区运行扬程并不狭窄。轴流泵全性能曲线是近乎上下对称的完整的效率曲线，但因水泵设计扬程选用普遍过高，无法体现完整的泵站效率曲线，只有如图1所示的高效区以下的实线部分，甚或只出现效率下降拐点以下直线段。如果水泵设计扬程选用恰当，应该可以实测到完整的泵站效率曲线，不但具有人为提高运行扬程后虚线所示的高效区部分，也应该有更高偏离高效区的效率下降拐点