乌江泵站机组性能现场测试技术研究

项双树

（安徽省驷马山引江工程管理处,安徽 马鞍山 238251）

1 引言

驷马山灌区属大（1）型灌区。灌区以提引长江水为主，滁河上已建的节制闸起节制灌溉水位和拦蓄降雨径流作用。1969年12月动工兴建，规划为五级提水，总扬程46.5 m，装机32台7.85万kW，设计灌溉面积365.4万亩，涉及皖苏两省4市10个县（市、区）。乌江泵站是驷马山灌区首级提水泵站，从长江提水。设计装机10台，配套高压同步电动机，单机容量1 600 kW。水泵为2.8CJ-70全调节立式轴流泵，水泵叶轮直径Φ2.8 m，额定扬程5.62 m，额定流量21.5 m3/s，转速150 r/min。由于近年来，长江在汛期和枯水期水位变化较大，加上驷马山工程的功能由单一的抗旱扩展为生态补水和城市供水。为提高泵站效率，改善水泵的汽蚀性能，适应下游低水位和高水位时的安全可靠运行，经过充分的模型试验选型，在不改变原流道的结构情况下对其中的四台水泵进行了改进，选用2800ZLQ23-3.72型全调节轴流泵。为验证改进后的机组的性能是否达到模型试验的性能要求，在实际运行时根据下游长江水位的变化，历时九个月进行了现场性能测试。流量测定利用国家发明专利技术自制的绕流管实现。水泵轴功率安装了自制遥测电阻应变仪测量，扬程采用数字水位传感器测量。

2 轴功率测定

根据乌江泵站低扬程大轴径机组的特点和现场条件，采用的方法主要是运用电阻应变法。因为水泵轴旋转，为能引出信号，采用基于无线传输技术自制的遥测电阻应变仪测量水泵轴功率，实现无线测量。

2.1 应变片布设

乌江泵站机组采用的是直接传动。考虑标定方便，在电机上沿与轴线呈45°粘贴电阻应变片R1，用以测量主应力的应变,在轴四周等分角度粘贴四片应变片以消除电机轴向荷载及可能存在的弯矩的影响，应变片接成全桥电路作信号输出。如图1所示。

图1 电阻应变片粘贴示意图

2.2 应变电测信号传输

基于无线传输技术，研制新型无线应变仪，主要有以下几个部分组成：①微型锂电池（12 V,12 Ah）；②单片机数据处理器模块（ADC0510)；③微型信号发射器；④微型信号接收器；⑤数显仪表。泵轴转动时，粘贴于大轴表面的应变片受到扭矩的影响，其电阻值发生变化，此变化信号经放大处理后通过数据发射器发送，经过无线接收器接收及处理后得到轴功率数据。如图2所示。

图2 应变片电桥无线传输框图

鉴于乌江泵站泵轴可操作空间小，应变电测及标定方案选择在机泵联轴器上部电机轴部位施行。其中应变仪发射部分①～③随电桥一起固定于电机轴，接收部分④⑤悬吊于电机轴旁围栏上部或电机支座。如图3、4所示。

图3 电池、信号处理显示发射器的固定

图4 信号接收显示器

2.3 应变电测标定

为消除材料性能不确定性影响，对应变仪进行了现场标定。在电机轴粘贴应变片部位的上下各装有专设的卡环，各卡环上焊接一要2 m长的水平臂杆，杆端联钢丝绳，绳上挂LK -5拉力器和拉力调节器。当调节拉力器时，泵轴扭矩发生变化，对照应变仪输出值和拉力计的读数，得出实际状态下的泵轴扭矩与桥路不平衡电压确定的函数关系。图5为扭矩现场标定架。

图5 扭矩现场标定架

3 流量测定

乌江泵站进口为双肘形流道。实际测试采用泵进口渐缩管段，绕流管流量计十字正交插入，此绕流管流量计是根据泵实际尺寸制作并经南京航天航空大学风洞标定的，绕流管距离叶轮中心670 mm。绕流管安装部位泵导水锥直径Φ1 270 mm；渐缩管段高度415 mm。图6为组装好的带截流阀绕流管流量计。

4 扬程及电功率测试

乌江泵站下游为长江，受潮汐影响较大，上游河道窄，容量小。扬程测试利用上下游的数字式水位传感器，实时采集上下游的水位数据。机组的电功率利用机组高压开关柜的综合数字表采集。

5 测试结果及分析

针对乌江泵站的实际情况，在不同时期进行了现场多工况点（不同扬程、不同叶片角度）流量、扬程、电功率、泵轴扭矩（轴功率）参数测试。6月11日5号机在装置扬程Hsy≈0.88 m、叶片角度-6°。结果如表1所示：11月3日5号机在装置扬程Hsy≈4.75 m时的试验结果如表2。

表1 Hsy≈0.88 m 5号机试验结果

表2 Hsy≈4.75 m 5号机试验结果

对照测试结果及测试现场观察可以得出：

(1)机组在装置扬程0.88 m时（偏离额定扬程较多），叶片角-6°运行，流量较小，装置效率较低，且水泵有汽蚀在；水泵层的噪音明显偏高，振动较大。

(2)对照表2可以看出，相同叶片角时，叶片角由小向大（序号1～7）所测流量小于由大向小（序号7～13）所测数值，其主要原因可能是：下游水位变化、人工读数不同时、叶片角度调整后稳定时间较短。但全部流量数值与电功率数值变化趋势相同，应可说明流量和功率读数合理可信。

(3)根据换算成原型泵装置综合特性曲线，在扬程4.75 m时，叶片角为-4°、-2°、0°时的流量分别为17.4 m3/s，19.7 m3/s和22.1 m3/s；装置效率分别为74.4%、76.2%和75.5%.对照表2在对应的叶片角度下：现场实测流量分别为17.9 m3/s、20.4 m3/s和22.97 m3/s；泵装置效率指标分别为68.58%、71.10%和71.51%，低于模型试验值5%～8%。这是由于泵站现场的机组装有拍门、出囗快速闸门及砼流道的影响。

(4)现场多次、多工况对应实测了电机电功率和轴功率，其5号机电机效率均在95%以上。测试结果表明：大型电机效率较高，在正常运用范围内数值变化很小。可以认为：作为泵站测试和指标考核，对于机组配套有特殊性的泵站实测轴功率是必要的；常规泵站、电机为名厂产品，仅实测电功率，电机效率取厂家标准值可基本满足泵站指标考核要求。

6 量测误差估算

6.1 流量测试误差

水泵内的水流比较紊乱，为提高测试精度，采取了多点测量。乌江泵站绕流管安装位置点的过流断面为环形，本次测试取8个测点。取测点数所造成的流速误差±1%；现场尺寸测量的过流断面面积误差不大于±0.5%；绕流管的流速系数经标定误差为±0.5%；传感器误差±0.2%；指示仪误差±0.2%；读数误差±0.5%。则流量测定总误差约：

6.2 轴功率测试误差

轴功率测试误差主要有标定误差、读数误差和仪表误差。标定误差中又主要是测力架安装误差、臂杆长度误差、测力计误差等。力的测定误差±0.4%；标定臂杆长为2 m，相对误差±0.2%；拉力计精度1级，误差为±1%；关于指示仪表，因采用综合精度较高（优于0.2%）的数据处理模块，指示仪表误差较小，取±0.2%；仪表数显稳定，取读数误差=±0.5%。则轴功率总误差约：

7 结束语

本次现场测试所采用的绕流管流量计为专利技术产品，精度较高。现场测试用绕流管流量计安装、维护方便，经久耐用；可用于泵站的日常监测。轴功率测试所采用的遥测应变仪国内首创，扭矩测定采用现场标定，测试精度高于《泵站现场测试与安全检测规程》规定，且粘贴于泵轴的电阻应变片已作可靠保护，可满足较长时间内任意运行条件正常使用，为泵机组长时间运行提供充分数据。