張林，董衛(wèi)軍，桑國慶

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014；2.濟(jì)南大學(xué)，山東濟(jì)南250022）

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大屯水庫入庫泵站初期運(yùn)行性能分析

張林1，董衛(wèi)軍1，桑國慶2

（1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東濟(jì)南250014；2.濟(jì)南大學(xué)，山東濟(jì)南250022）

對大屯水庫入庫泵站運(yùn)行初期的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析表明，在水庫從空庫逐步蓄水至設(shè)計庫容的一個完整充庫過程中，水泵機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，隨著庫水位的抬高，單機(jī)抽水流量基本保持不變，抽水功率會顯著增加。進(jìn)一步對影響泵站效率的各因素逐項進(jìn)行研究表明，過流通道損失偏大和水泵最高效率點(diǎn)揚(yáng)程偏高是泵站低揚(yáng)程工況下效率偏低的主要原因。

平原水庫；入庫泵站；運(yùn)行性能；特性曲線

大屯水庫設(shè)計最大庫容5 209萬m3，死庫容745萬m3。設(shè)計充庫時間為4～6月和10～12月，分兩次充庫122 d，年度完成兩次蓄滿放空循環(huán)。入庫泵站設(shè)計為壩后濕式廠房，水流從魯北干線末端通過引水渠進(jìn)入泵站前池和進(jìn)水池、經(jīng)水泵裝置提水后進(jìn)入出水池，再經(jīng)壓力箱涵、穿壩涵洞和入庫閘門進(jìn)入水庫。

根據(jù)水庫調(diào)節(jié)計算成果，再考慮進(jìn)、出水池水力損失（按1.0 m估算），確定水泵平均揚(yáng)程6.75 m，最低揚(yáng)程2.20 m，最高揚(yáng)程11.40 m。入庫泵站設(shè)計安裝4臺1200HD-9型立式混流泵機(jī)組，其中3用1備。

1　泵站初期運(yùn)行情況

2013年泵站試運(yùn)行以來，大屯水庫經(jīng)歷了從空庫逐步蓄水至設(shè)計庫容的一個完整過程，相應(yīng)地泵站也經(jīng)歷了一個從以最低揚(yáng)程運(yùn)行到以最高揚(yáng)程運(yùn)行的工況變化過程。2013年11月～12月、2015年5月～6月期間，泵站以3臺機(jī)組運(yùn)行共計46 d，每2 h記錄一次運(yùn)行數(shù)據(jù)，取其日平均值，分別擬合繪出泵站的揚(yáng)程～流量性能曲線、揚(yáng)程～效率性能曲線、揚(yáng)程～功率性能曲線如圖1～圖3所示。其中的揚(yáng)程H為水庫水位與泵站進(jìn)水池水位之差，流量為泵站3臺機(jī)組的總流量，功率為泵站3臺機(jī)組的電機(jī)總輸入功率，效率為機(jī)組做功與總輸入功率之比。

2　泵站運(yùn)行性能分析

2.1揚(yáng)程～流量特性

從圖1中可見，揚(yáng)程～流量性能曲線基本呈略向下傾斜形狀，泵站流量大致保持不變，Q≈12m3/s，即單機(jī)抽水流量約4 m3/s。從A點(diǎn)到B點(diǎn)，揚(yáng)程增加了300%，流量僅下降不足5%。所以，魯北干線在調(diào)度運(yùn)行時，可以認(rèn)為渠道末端分水流量保持不變，這有利于減少沿線各節(jié)制閘的調(diào)節(jié)，從而保持全線流量和水位穩(wěn)定。

圖1　泵站揚(yáng)程～流量性能曲線

圖2　泵站揚(yáng)程～功率性能曲線

圖3　泵站揚(yáng)程～效率性能曲線

一般混流泵的流量隨揚(yáng)程的增加而顯著降低，圖1顯示的泵站流量基本與揚(yáng)程無關(guān)的特性，應(yīng)與泵站較長的過流通道有關(guān)。水流自進(jìn)水池入庫，其間除了水泵自身的過流通道外，還要流經(jīng)進(jìn)水鋼管、出水鋼管、側(cè)翻拍門、出水池、穿壩涵洞、入庫閘門等設(shè)備和建筑物，其過流阻力基本與流量成平方關(guān)系，正好與水泵自身揚(yáng)程～流量特性相反，所以抑制了圖1中曲線的斜率?？芍^流通道對泵站的過流特性產(chǎn)生較大影響。

2.2揚(yáng)程～功率特性

從圖2中可見，揚(yáng)程～功率性能曲線呈明顯的上升形狀，隨著ΔH的增加（即庫水位抬高）而顯著增加。所以，魯北干線在調(diào)度運(yùn)行時，應(yīng)盡量抬高渠道末端水位，以相應(yīng)抬高泵站進(jìn)水池水位，降低泵站揚(yáng)程，從而可以降低電機(jī)功率，實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.3揚(yáng)程～效率特性

從圖3中可見，擬合得到的揚(yáng)程～效率性能曲線呈明顯的上升形狀，沒有得到理想的單峰曲線。隨著ΔH的增加（即庫水位抬高）而大幅提升，從A點(diǎn)至B點(diǎn)，揚(yáng)程增加了300%，效率從25%增加到65%。水庫高水位時的泵站效率遠(yuǎn)高于低水位時的效率，這也是圖2中與之間并不成等比例關(guān)系的原因，盡管泵站做功隨庫水位抬高而等比例增加，但效率的提升大幅降低了所需電機(jī)輸入功率的增加幅度，從而抑制了圖2中揚(yáng)程～功率曲線的斜率。進(jìn)一步分析泵站效率：

式中ρ為水的密度；g為重力加速度；H1為水泵揚(yáng)程，H1=H+ΔH；ΔH為進(jìn)、出水鋼管、側(cè)翻式拍門、等過流通道的水頭損失；ΔP為電機(jī)總輸入功率與輸出軸功率之差。泵站效率η為水泵效率η1、電機(jī)效率η2和過流通道效率η3三項的乘積，任何一項的變化都會導(dǎo)致泵站效率的變化。

1）過流通道效率。泵站運(yùn)行過程中ΔH沒有實際測得，假設(shè)Q保持不變，推算ΔH≈1.5 m。根據(jù)式（1）可知，η3隨H的增加而單調(diào)遞增，所有能夠降低ΔH的措施，如泵站設(shè)計中采用新型側(cè)翻式拍門、增加出水池和入庫涵洞幾何尺寸，在運(yùn)行過程中保持入庫閘門全開等，都能夠提高η3，從而提高η。將η3對H求二階導(dǎo)數(shù)，可得

η3=2ΔH/（H+ΔH）3＜0（2）

可知隨著H的增加，η3的增長速率逐漸降低。所以降低ΔH，在低揚(yáng)程工況下能夠尤為顯著地提高η3，從而可以提高η。

2）電機(jī)效率。根據(jù)電機(jī)出廠資料計算得到的單臺電機(jī)的η2隨P的變化曲線如圖4所示，以M點(diǎn)為界，該曲線可大致分為兩段：P＞200 kW時，η2保持在90%以上高效運(yùn)行，并可視其基本不變；P＜200 kW時，η2與P基本呈線性關(guān)系，當(dāng)P下降時，η2也迅速下降。泵站3臺機(jī)組運(yùn)行時P＞900 kW，所以電機(jī)工作點(diǎn)均處于高效運(yùn)行段，并且距離M點(diǎn)較遠(yuǎn)?？梢娫诒谜菊麄€運(yùn)行揚(yáng)程范圍內(nèi)，η2基本不變，從而對η不會對產(chǎn)生影響。

圖4　電機(jī)效率曲線

3）水泵效率。圖5為水泵出廠試驗中的揚(yáng)程～效率性能曲線，因試驗臺限制，沒有獲得6 m揚(yáng)程以下的數(shù)據(jù)。H1～η1曲線呈明顯的單峰形狀，其最高效率點(diǎn)（E點(diǎn)）揚(yáng)程H≈8.7 m，超出設(shè)計平均揚(yáng)程約2 m。以E點(diǎn)為界，在高揚(yáng)程側(cè)，η1效率下降幅度相對較小，在最高揚(yáng)程10 m時，η1≈80%。在低揚(yáng)程側(cè)，η1大幅下降，在平均揚(yáng)程6.75 m時，η1已較最高效率下降了約5個百分點(diǎn)，偏離E點(diǎn)越遠(yuǎn)，則η1的下降速度也越快。對照圖3、圖4、圖5，按式（1）計算，在較低揚(yáng)程4 m以下時，η1低于60%；在最低揚(yáng)程2 m以下時，η1低于40%。

根據(jù)初期運(yùn)行情況和以上分析可知，選用混流泵來適應(yīng)泵站揚(yáng)程大幅變化運(yùn)

行工況的水泵選型思路是可行的，1200HD-9型混流泵能夠滿足大屯水庫入庫泵站運(yùn)行要求，但其E點(diǎn)揚(yáng)程偏高，使得實際運(yùn)行過程中η1的高效區(qū)段沒有得到充分利用，H～η曲線沒有得到預(yù)期的單峰形狀，這不僅使得低揚(yáng)程工況下泵站效率偏低，而且在偏離E點(diǎn)較遠(yuǎn)的工況下運(yùn)行，長期運(yùn)行水泵性能下降后有可能出現(xiàn)振動、汽蝕等不良現(xiàn)象。混流泵站如何進(jìn)行水泵選型以擴(kuò)大高效運(yùn)行范圍，需要在日后同類型泵站設(shè)計進(jìn)一步研究。

圖5　水泵效率曲線

3　結(jié)語

1）選用混流泵來適應(yīng)大屯水庫入庫泵站揚(yáng)程大幅變化工況的水泵選型思路是可行的，初期運(yùn)行實踐表明，泵站運(yùn)行平穩(wěn)，各項性能指標(biāo)滿足泵站設(shè)計要求。

2）可以預(yù)設(shè)泵站單機(jī)流量保持為4 m3/s不變，這有利于魯北干線在調(diào)度運(yùn)行時減少沿線閘門調(diào)節(jié)，保持全線流量和水位穩(wěn)定。

3）泵站功率隨泵站揚(yáng)程增加而顯著增加，魯北干線在調(diào)度運(yùn)行期間，應(yīng)盡量抬高渠道末端水位，降低泵站揚(yáng)程，實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4）深水高壩型平原水庫的入庫泵站水泵選型問題還需進(jìn)一步深入研究，以擴(kuò)大泵站高效運(yùn)行范圍。

（責(zé)任編輯遲明春）

TV675

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2016-02-23

張林（1974—），男，高級工程師

山東省省級水利科研與技術(shù)推廣項目SDSLKY201505，2014年國家青年基金51409119。