东台新抽水站多泵运行时水泵实际性能分析

李 悦 李连成 陶圣叶

(盐城市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 盐城 224002)

1 引 言

堤东灌区为国有大型灌区，位于江苏省东台市东部，总耕地面积122.41万亩。东台新抽水站为东台市堤东灌区续建配套与节水改造工程项目之一，工程为灌溉泵站，自通榆河抽水供堤东灌区用水。东台新抽水站投入使用后，与其他项目分年度实施，最终共同发挥效益，改善灌溉面积44万亩，改善排涝面积122.41万亩，新增粮食生产能力632万kg，新增农业产值1200.93万元，实现年节水100万m3，投资效益明显。

东台新抽水站设计使用3台潜水贯流泵，单泵设计流量8.0m3/s，总设计流量24m3/s。东台新抽水站的高效、稳定运行，给灌区用水提供了重要保障。但工程实际运行中，尤其是3台水泵同时运行时，单机流量略有降低，电机功率有所增大。考虑到本市城市防洪泵站工程使用的水泵型式与泵站布置方式均与此工程类似，本文以此工程为例，以水泵运行时的实测数据为依据，分析探索此类泵站在多泵运行时的功率、装置效率等方面的规律，验证原设计和实验数据，为进一步提高设计、施工水平积累资料，也为类似工程的水机选型提供参考和依据。

2 水泵性能参数

东台新抽水站设计流量24m3/s，泵站净扬程在0m～2.60m之间，为超低扬程泵站，宜选用轴流泵，根据水泵轴放置型式可分为立式轴流泵、贯流泵及斜轴泵。根据本工程设计流量，初步选定3台水泵，单机流量8m3/s。由于斜轴泵泵轴受力复杂，材质要求较高，贯流泵中的竖井式和灯泡式主要适用于大型泵站。将立式轴流泵方案与潜水贯流泵方案进行方案比选。两种方案工程投资相差不大，贯流泵土建结构相对简单，底板埋深相对较浅，施工开挖面小、占地小，配套电机功率小，效率高，同时辅机设备少，运行管理方便。在突破了潜水电机密封等难题后，潜水贯流泵在我国得到了大力推广，目前在我市城市防洪泵站工程上普遍使用且运行情况良好。本工程设计使用潜水贯流泵机组。

经过对部分国内水力模型进行初步比选，工程水泵模型拟将GL-2008-03和JGZM-3两种水力模型进行原型泵比选，两种水泵模型在低扬程贯流泵站工程建设中均应用广泛。水泵流量和转速的一次方、直径的三次方成比例，参考国内外建设低扬程泵站的经验，本设计选取低转速大直径的水泵。两种模型泵装置性能曲线详见图1～图2，真机性能曲线详见图3～图4。

图1 GL-2008-03模型泵装置性能曲线

图2 JGZM-3模型泵装置性能曲线

图3 GL-2008-03潜水贯流泵真机性能曲线

图4 JGZM-3潜水贯流泵真机性能曲线

表1 东台新抽水站工程真机性能对比

从以上图表比较可以看出，采用GL-2008-03水力模型的真机水泵装置效率略高于JGZM-3水力模型，轴功率也略小一些，两种模型装置真机各工况流量均满足设计要求。综合比较，本工程选用GL-2008-03水力模型。

东台新抽水站工程采用2000GZBW-8.6/1.90潜水贯流泵机组，共3台套。叶轮直径1800mm，转速175r/min，叶片安放角0°；水泵采用齿轮箱与电动机连接。单机功率330kW，总装机功率990kW。工程设计水位组合为：进水侧水位0.90m，出水侧水位2.50m，此工况下水泵设计总扬程2.10m，对应设计流量8.6m3/s。

3 现场实测成果

为及时了解灌区工程设施的工程动态、内部和外部的运行状态，以及变化规律，需对泵站运行情况进行检查与观测。通过观测结果发现问题并及时采取措施，以确保工程的安全运行以及充分发挥工程效益。另外还可通过对观测结果进行分析，来验证原设计和实验数据。

测量方法：测验按照《水文测验手册》中有关水位、流量测验的方法施行。根据河道水流特性等实际情况，采用流速仪法进行流量测验。该方法精度较高，同时对水流特性较为复杂、水质情况较为恶劣等不良条件适应性强，适用于本次流量测验任务。经实地查勘，并综合东台新抽水站单机设计流量，测验期间上、下游水位等因素，最终拟定在抽水站进水池西侧交通桥位置布设测验断面。该测验断面等距布设4根测速垂线，分别用于施测0.2、0.8相对水深处的流速。

流量测量使用LS68A型旋杯式流速仪测量，流速测量范围为0.08～3.50m/s，该仪器已于2018年3月在南京东部水文仪器检测中心进行了校准率定。

具体测量时，泵站先后按单机分别开机、单机组合开机等7种工况运行。流量测验则在每次开机工况变动后，再间隔20min左右，待泵站上、下游引河水流稳定后施测。

由于流量测验断面在起点距5.0～10.0m间、15.0～20.0m间，紧邻上游各有一处桥桩阻水，因此表2中“水面宽”均为剔除桥墩阻水影响因素后的实际过水宽度。

测量结果显示，水泵单机开机时，流量均能满足设计要求，各水泵的电机功率也接近。但3台水泵同时开机时，单机平均流量为7.57m3/s，平均功率为241kW，流量较单机运行时降低了8.2%，功率较单机运行时提高了13.3%。下面根据上述测量结果，对水泵不同运行工况下的流量、效率进行对比分析。

表2 本次泵站流量测量成果统计

4 性能对比分析

根据《泵站现场测试与安全检测规程》(SL 548—2012)，水泵效率应按以下公式计算：

式中：η为装置效率；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Q为出水管流量，m3/s；H为装置扬程，m；P为主电机输入功率，kW。

泵的有效功率为泵在单位时间内对流体所做的功，等于泵的扬程和质量流量及重力加速度的乘积，计算公式如下：

Pe=ρgQH

水泵效率计算结果见表3。

表3 水泵有效功率、效率计算

由于流量测验断面在起点距5.0～10.0m、15.0～20.0m间，通过此结果计算出来的水泵效率并未考虑清污机桥、安全格栅、门槽等部位的水头损失。对设计运行水位组合时的水力损失估算见表4。

表4 东台新抽水站水力损失估算

经估算，灌溉工况下，设计运行水位组合时，装置水力损失取用0.5m。

计算考虑水头损失及装置传动效率后的水泵效率，对上述计算结果进行修正与进一步对比，具体见表5。表中装置效率为对应流量与扬程下通过真机性能曲线查得的装置效率。

表5 水泵效率修正

由计算结果可知，水泵效率平均值为50.31%，水泵实际运行效率较为稳定，实测流量偏差均在5%以内，大部分在2.5%以内。校正后的水泵效率与设计装置效率偏差较小。

在单机流量相近的情况下，当同时运行1号、3号机时，单机平均功率为224kW，而同时运行开1号、2号机或者2号、3号机时，单机平均功率达236kW。相邻水泵同时开机的不利影响大于间隔水泵机组同时开机。当3台水泵同时开机时，单机平均功率为241kW，水泵功率为几种工况下最高，3台水泵同时开机时的水泵效率也明显降低，较装置效率降低13.95%。

测量结果显示，3台水泵同时运行时站上水位最低，站下水位最高，净扬程最大。多泵同时运行时水泵抢水造成站上水位下降，站下大流量排水造成壅水使水位抬高，水泵设计扬程随之增大。而水机选型时通常只按照单机运行工况进行设计，并未考虑多泵运行造成的额外水力损失。但实际运行中这种影响不容忽视，水泵效率明显降低，甚至不在水泵的运行高效区。

多台水泵机组同时开机时，还会影响水流流态，进水池可能会形成旋涡，如果产生进气漏斗旋涡，空气会进入水泵，降低水泵效率，机组还会产生振动和噪声。

5 结 语

当多台水泵同时开机时，不可避免地造成各泵进出水流之间的干扰，使得各水泵进流速度分布不均匀甚至紊乱。各泵之间的干扰形成的影响是不利的，这种不利干扰导致泵的效率下降，功率消耗增加，特别是相邻泵之间的干扰更为明显，且水泵同时运行台数越多，不利影响越大。多泵运行时的泵间干扰对水泵水力性能有重要影响，但运行台数与流量、功率之间的影响数值关系，还需更多的资料积累进一步分析确定。

据此，在泵站运行期间可以优化运行方式，如无须运行全部机组时，可选择运行相间隔的水泵机组。类似工程在水机选型时，应考虑多台水泵同时运行时的不利因素的影响，计算多泵运行时额外的水力损失，适当增大水泵的设计总扬程；亦可完善前池和进水池设计，以降低水流紊乱的影响，保证不同工况下水泵的高效运行；当闸站结合布置时，还可优化布置形式，采用自排孔中孔布置的对称结构来降低不利影响。