邓楼泵站真机能量性能现场测试与模型试验研究

张剑雄，刘建磊，刘 辉，张 驰，闫 宇

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222； 2水发众兴集团有限公司，济南250100；3.南水北调东线山东干线有限责任公司，济南 250100)

0 引言

南水北调东线工程共分13个梯级，总扬程65 m，设计抽水能力累计共10 200 m3/s，总装机功率达101.7万kW。泵站特点是扬程低、流量大、年运行时间长，适用的水泵泵型为灯泡贯流泵、竖井贯流泵、立式导叶式混流泵和立式轴流泵等低扬程泵[1]。其中采用最多的为立式轴流泵，如江都、长沟、邓楼、八里湾、刘山、解台等泵站，项目经现场考察和认真筛选最终选择邓楼泵站进行全面、精确、细致的现场测试。成果将对开展低扬程大流量泵站机组效率测试、运行稳定性和过渡过程的研究及评价起到参考作用[2]。

1 泵站简介

邓楼泵站工程是南水北调东线第12级抽水梯级泵站，山东境内的第6级抽水泵站，为大(I)型泵站Ⅰ等工程，主要建筑物为Ⅰ级，次要建筑物为Ⅲ级。主要建筑物包括主副厂房、引水闸、出水涵闸、梁济运河节制闸、引水渠、出水渠、变电所、办公楼等，工程占地为0.234 km2。泵站总装机容量8 960 kW，总装机流量133.5 m3/s，设计年运行时间3 770 h，设计调水流量为100 m3/s。

泵站设计选用4台日立泵制造(无锡)有限公司生产的3150ZLQ33.5-3.57型立式机械全调节轴流泵，配套4台上海电气制造的TL2240-48型同步电动机，额定转速125 r/min，3用1备。装置形式采用肘形流道进水，虹吸式流道出水，真空破坏阀断流。泵站设计扬程3.57 m，最大扬程3.57 m，最小扬程1.57 m，单泵设计流量33 m3/s。

2 泵站真机能量性能测试方法

2.1 流量测量

流量采用泵站已经装设的北京昌民公司生产的UR-1000-10P超声波流量计测量，超声波流量计装设于进水肘管矩形收缩断面。将该超声波流量计输出的4～20 mA信号接入现场测试系统，并标定，使试验测量值与流量计显示值一致。

2.2 扬程测量

泵站扬程采用ABB差压变送器测量，测量采用吸上式液位计方法，高压端采用虹吸管引自泵站出水池，低压端接至备用泵(4号泵)进口测压管，扬程测点布置如图1所示。

图1 扬程测点布置图

2.3 进水池水位测量

泵站进水池水位采用SIMENS压力变送器测量，接至备用泵(4号泵)进口测压管。进水池水位以转轮中心线为基准(零平面)。经实测，传感器位于基准面以下5.7 kPa。

2.4 电动机输入功率测量

电动机输入功率测点从盘柜室PT、CT 测量互感器接出，采用功率变送器测量，功率变送器型号：S3-WRD-3，准确度等级为0.2。功率变送器可同时测量电机输入有功功率和无功功率，计算出功率因数。

2.5 叶片角度测量和调节

水泵桨叶开度采用机械方式调节，为避免机械死行程影响，先将桨叶开大0.5°，然后向关闭方向调节至需要角度。水泵桨叶转角由现场机械标尺读数。

2.6 效率试验方法

桨叶角度固定，通过调节泵站进出口闸门开度改变泵站扬程。试验从泵站进出口闸门全开(最小扬程)开始，逐渐关闭泵站出口闸门至泵站允许最高出水池水位止，然后逐渐关闭泵站进口闸门至泵站允许最低进水池水位止[3]。期间进行不少于5个扬程点测试；每个工况点稳定时间约1 h，以连续3次测试，每个测次时长为60 s，三次测量效率偏差绝对值小于0.5%视为机组运行工况稳定，取中间值作为最终测试结果。同时记录机组运行稳定性(振动、摆度、噪声、水压力脉动)。项目进行了桨叶角度为-9°、-7°、-5°、-3°、-1°试验，扬程区间为2～4 m。抽水装置综合特性曲线如图2所示。

图2 抽水装置综合特性曲线划分图

机组经济运行区域划分(以效率为分界线)：

1)以在各桨叶角度下最优效率点连线为最优运行线；

2)以各叶片角度相对最优效率点降低1%范围区域为机组经济运行区；

3)效率相对最优效率点降低1%～3%范围区域为机组可运行区；

4)效率降低3%以上限制运行。

水泵装置效率=抽水装置效率/电机效率，电机效率由制造厂提供。水泵装置综合特性曲线如图3所示。

图3 水泵装置综合特性曲线

3 模型试验

2009年11月在中水北方勘测设计研究有限责任公司水力通用试验台[4]对邓楼泵站水泵装置模型进行试验。采用南水北调工程同台测试TJ-04-ZL-06号转轮配肘形进水流道和虹吸式出水流道。邓楼泵站装置模型及真机参数见表1。

表1 水泵装置特征参数

根据模型试验结果将流量、扬程参数依据换算关系统一换算到标称直径3.15 m，转速125 r/min，效率不进行换算。真机泵装置综合特性曲线如图4所示。

图4 邓楼泵站水泵装置模型换算至原型真机综合特性曲线

现场测试和模型试验得到的水泵装置真机综合特性曲线结果对比可知：

1)最优效率点扬程从4 m降至3.5 m。

2)最优效率从78.78%降至76.72%。

3)最优效率点流量从34.45 m3/s，降至29.3 m3/s。

4)最优效率桨叶角度从-2°向-5°偏移。

泵站真机与模型装置主要差别如下：泵站真机在肘型进水流道进口设置了防止人员落入进水池后被吸入水泵的安全栅，栅条宽8 mm，长60 mm，栅距150 mm。由7道横梁支撑，全流道断面布置，造成部分水头损失，为二者最重要差别。

4 结语

1)现场测试确定了泵站实际能量性能指标，同时验证了真机与该泵装置模型试验能量性能的一致性，真机测试得到的综合特性划分曲线对于邓楼泵站的安全经济运行有着重要的指导意义；同时为低扬程大流量泵站现场试验及获取泵站机组实际特征参数进行了示范性工作。

2)针对性开展典型低扬程大流量装置模型系列开发研究，加强过流部件几何相似和叶片导叶型线检查，进一步提升模型、原型泵制造和安装调试水平。