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新型式泵站功率剖析和革新办法探讨

2011-08-09 11:55:11中国泵阀招标网

  

  1概述

  谏壁泵站位于江苏省镇江市东郊、江南大运河长江口处,通过大运河与丹、金、溧运河以及武宜运河和洮隔湖相连接,水系通达丹徒、丹阳、金坛、武进、宜兴等县,是太湖西水利规划中的骨干工程之一,也是苏南兴建的第一座大型电力排灌泵站。站内安装2. 8CJ- 70型立式全调节轴流泵6台,单机流量21 m3/ s,配套T DL- 325/ 36- 40同步电动机,单机功率1 600 kW.泵站设计总排灌流量100 m 3/ s( 6台机组中,有1台备用) ,旱年抽引江水可改造丘陵地区和高亢平原灌溉面积18. 67万hm2。冬春枯水季节,可保证大运河的通航水位和作物春灌的需要。排涝时,抽排运河水入江,减轻太湖地区的防洪压力,对保证太湖湖西地区农业稳产、高产起着重要作用。泵站采用双向流道块基型结构,其中X形流道满足了双向提水功能,是平原圩垸地区双向提水的一种较好的泵站结构形式,设计初期,该泵站的水位组合如1所示。

  1谏壁泵站规划水位组合

  谏壁泵站自1978年建成以来,至1997年,累计运行286天,提水20多亿m3,其中排涝138天、灌溉148天,排涝及灌溉经常扬程分别为1. 5 3. 0 m和0. 6 1. 8 m,与原设计时确定的水位组合有较大的差异。选用的2. 8CJ- 70型水泵的设计扬程为5. 6 m,即使考虑泵装置的进出水流道及出槽等水力损失,亦可肯定该泵型对谏壁泵站来说设计扬程过高,导致水泵长期处于低效率区运行,因此,该站改造的首要任务是合理确定扬程,尽可能选好泵型。

  2水位及净扬程分析

  根据谏壁泵站管理处提供的1978 1997年运行期间的上下游水位资料,对灌溉、排涝两种运行工况进行频率分析,结果如2, 3所示。

  灌溉及排涝运行工况最大、最小日均水位,时均水位及最大、最小日均扬程及时均扬程如4所示。

  2灌溉运行工况净扬程频率分析表

  3排涝运行工况净扬程频率分析表

  4运行时间内极值扬程统计表

  3平均扬程计算方法

  3. 1算术平均扬程

  H =H1+ H2+ + H nn=ni= 1 Hi/ n( 1)( 1)灌溉情况。时均扬程: H灌时均= 1. 12 m;日均扬程:H灌日均= 1. 08 m.

  (2)排涝情况。时均扬程: H排时均= 1. 92 m;日均扬程:H排日均= 1. 90 m.

  3. 2能量消耗加权平均扬程

  H =H1 Q1t1 + H 2Q 2 t 2 + + H n Q n t n Q 1 t 1 + Q 2 t 2 + + Q n t n( 2)式(2)中: Q i、t i分别是净扬程为H i时的水泵流量和运行历时。

  由于没有详细的叶片运行角度记录,故根据谏壁泵站2. 8 CJ- 70型水泵装置模型试验结果暂以0和+ 2两个运行角度的能量性能进行平均扬程的计算,这两角度的Q - H性能关系如下列拟合方程:0 : Q = 0. 230 195 % 10 - 2 - 0. 870 605H - 0. 10 434H 2( 3)+ 2 : Q = 0. 229 178 % 10 - 2 - 0. 410 397H - 0. 161 559H 2( 4)

  通过式( 3)和( 4)计算各扬程下的流量值,同时依据水位资料统计出该扬程下的运行时间,由式( 2)可得能量消耗加权平均扬程,计算结果如5所示。

  5能量加权平均扬程

  4泵站扬程的确定及分析

  4. 1平均扬程的确定

  上述两种平均扬程的计算方法中,方法2考虑到了泵站的运行特性,而方法1仅仅是一般概念上的数学平均值,因此,方法2求出的平均扬程更能反映真实情况,以此作为泵型选择的重要参考,更有利于泵站节能。由和可知灌溉运行期间,净扬程0. 6 1. 8 m出现的几率最高,占75. 7% ,排涝运行期间,净扬程1. 5 3. 0 m出现的几率最高,占70. 3% ,上述能量消耗加权平均扬程亦在此范围。根据对其运行期间谏壁闸上下游20年水位资料的分析,以及管理处提供的谏壁闸下游与节制闸下游水位相关分析资料,泵站在灌溉和排涝两种运行工况下的平均扬程、最大扬程、最小扬程如所示。

  灌溉和排涝两种运行工况的设计扬程涉及到灌溉设计保证率、排涝标准以及河道状况等,影响的因素比较复杂,建议结合上述分析成果及原设计规划数据确定。

  6运行时间内平均扬程、最大扬程、最小扬程统计

  4. 2最高扬程的确定

  最高扬程的确定主要受排涝运行工况所控制,除与排涝标准、内河预降等因素有关外,还与水位组合有关,前20年的运行资料表明,运河侧最低水位3. 54 m,与原规划数据3. 00 m相差0. 54 m,长江侧最高水位为8. 00 m,与原规划数据8. 01 m相差0. 01 m,即使在前20年的资料中包含了1991年百年未遇的大涝年份,这20年的资料有一定的代表性,因此,综合考虑到规划数据及已有的运行资料,宜将最大扬程定为5. 0 m.提供的有关资料中没有提及最小扬程,而实际运行中常出现,在最低扬程时流量最大,最易引起进水流道内的吸气涡带产生,从而导致机组的振动,危及泵站安全,因此,改造过程中应该重视,最小扬程可定为1. 02 m.

  4. 3泵装置的高效运行范围

  由于排涝和灌溉的运行时间相当,以平均扬程1. 67 2. 44 m作为泵装置的高效运行范围,此范围也能保证最大运行扬程( 5. 0 m)和最小运行扬程( 1. 02 m)时泵站的安全运行。

  5谏壁泵站改造方案研究

  根据扬程分析,谏壁泵站建站以来的实际扬程为2 m左右,最大运行扬程(排涝时出现) 4. 38 m,最小运行扬程(灌溉时出现) 1. 02 m,远远偏离原设计扬程(泵设计扬程为5. 6 m) ,导致运行效率低下,汽蚀性能恶化。1978年曾进行现场测试,在叶片安放角为+ 6时测试结果为扬程2 3 m,装置(含电机)效率sy= 46% 56%.1999年8月现场测试的扬程为2. 25 m和3. 39 m,机组效率分别为40. 7%和51. 0%.测试中,水泵叶轮内汽蚀声较大,汽蚀严重,说明叶片汽蚀性能较差;另外,进水侧两根测线的流速变幅很大,说明进水水流条件不好,可能有涡带产生。CJ型水泵的水力模型为我国60年代开发的成果,流量系数小,汽蚀性能较差,效率低,应予改造。

  5. 1泵站改造的设计参数

  泵改设计参数包括扬程、流量、效率和汽蚀余量,根据扬程分析和现场测试可得出更为切合实际的,同时又有保证防洪、排涝安全运行的改造设计参数,如7所示。

  由7可知,谏壁泵站实际运行的扬程远低于设计扬程,流量同比偏小,效率偏低。这与新的水力模型换算结果相比,水平差距大,因此,对原有泵型进行改造更新是必要的。

  5. 2泵站改造方案

  5. 2. 1水力模型选择

  考虑到谏壁泵站灌溉排涝运行情况,运行扬程偏低,建议装置扬程取值:最大扬程为5. 0 m左右,高效区扬程为1. 67 2. 44 m.分析国内有关水力模型资料,建议选用江苏省水利动力工程重点实验室研制开发的新型轴流泵水力模型ZM3. 0- Y991作为改造用水力模型。水力模型高效点性能参数( n= 1 450 r/ min, D= 300 mm) :比转数1 350、汽蚀比转数1 183、必需汽蚀余量7. 0 m、流量390 L/ s、扬程3. 35 m、效率83.

  9%.该模型曾作为江苏省重点工程高港泵站选用方案之一,性能较优,并曾经泵段和泵装置(高港双向流道)的模型试验,其结果如, 2.装置性能曲线仅供参考。

  5. 5. 2改造方案

  经方案比较,本站改造拟保持叶轮直径不变,采用新的水力模型。

  改造后,水泵叶轮直径仍为2. 8 m,转速150 r/ min,由于改造后,泵性能改进,效率提高,在相同的扬程和效率下,抽水流量大大增加。在扬程为2. 5 m,轴功率为1 300 kW,改造前的流量为24. 0 m 3 / s,改造后的流量在叶片角度+ 2时可达到31.

  0 m 3 / s,提高29. 0%.这样,在配套功率不变时,通过水力模D代表产品使用范围,低真空阀,关阀工作时实际起保持虹吸、保持真空的作用。

  型改造可增加抽水流量7. 0 m3/ s,效率增加14% ,其经济效益大为提高,作用大为增强。

  谏壁泵站采用特殊的X流道形式,由于流量大幅度增加,进水流道内的涡带会更加严重,必需采取新的消涡措施。对于如此低扬程泵站而言,出水结构对泵装置效率影响显得非常重要,在整个损失扬程中,出水损失所占的比重较大。因此以运行安全和提高效率角度来讲,必须对进出水流道进行改造,具体方案可通过模型试验进行论证。

  关于泵的出口导叶:由于采用了新的水力模型,必须对原导叶进行更换,重新设计新的导叶。

  关于运行中可听到泵内有汽蚀声,这主要是因为水泵实际运行工况严重偏离设计工况,这种情况下水泵的必需汽蚀余量较大,加剧了水泵汽蚀。主水泵改型后,能有效地改善泵站汽蚀性能。泵站的水力振动主要是由涡带引起的,涡带发生在泵轴线下方的底板上,涡带进入水泵后引起振动和噪音,因此建议在流道内设消涡防涡栅,以减轻涡带的产生。

  通过对谏壁泵站水位分析计算出能量消耗加权平均扬程,确定其最大扬程为5. 0 m左右,高效区扬程为2. 0 m左右。并根据其参数,选择水力模型和改造方案。

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