樊亞龍

0 前言

陜西省東雷二期抽黃大型灌溉泵站位于關(guān)中東部渭北旱原臺(tái)塬區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積126.5萬(wàn)畝，是利用黃河水資源修建的一處多級(jí)高揚(yáng)程大型電力提灌工程。灌區(qū)共建設(shè)泵站37座，安裝水泵電動(dòng)機(jī)組170套，總裝機(jī)功率114.6 MW[1]。由于建設(shè)年份較早，水泵采用傳統(tǒng)一維水力設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，加上運(yùn)行時(shí)經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，泵站普遍存在流量衰減、效率低、能耗高等問(wèn)題。尤其是流量衰減較為嚴(yán)重，導(dǎo)致灌溉高峰期難以滿足用水要求。

1 流量衰減問(wèn)題

此處流量衰減指進(jìn)水池、管道無(wú)明顯堵塞和淤積前提下，水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，功率（電流、流量）明顯減小。一般來(lái)說(shuō)，可能引起流量衰減的原因有以下幾點(diǎn)[2]：

（1）軸封、管件接縫處進(jìn)氣。通常在啟動(dòng)后較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，且不太可能通過(guò)關(guān)機(jī)重啟而消失。

（2）表面吸入渦。通常生在低水位工況下產(chǎn)生，伴有較明顯的壓力脈動(dòng)和振動(dòng)，難以通過(guò)關(guān)機(jī)重啟解決。

（3）汽蝕。通常發(fā)生在水泵設(shè)計(jì)不合理、低水位工況，常伴有異常高頻聲音。

（4）流道堵塞。包括管道堵塞和水泵堵塞兩種，管道堵塞一般關(guān)機(jī)重啟不易恢復(fù)，而水泵堵塞可通過(guò)關(guān)機(jī)重啟恢復(fù)。

抽黃泵站的流量衰減在關(guān)機(jī)重啟或者閥門(mén)速閉速開(kāi)后就可以恢復(fù)，初步推斷主要原因在于水泵本身。為解決此問(wèn)題，二黃管理局借助三元流葉輪設(shè)計(jì)新理念[3]和工程經(jīng)驗(yàn)[4-6]，以董家七級(jí)泵站作為試點(diǎn)，在不改變其他建筑物和設(shè)備的前提下，將原葉輪更換為高效節(jié)能型三元流扭曲型葉輪，并對(duì)更換前后水泵運(yùn)行情況進(jìn)行比較分析。

2 三元流技術(shù)改造

2.1 一元流設(shè)計(jì)理論

一元流可以簡(jiǎn)單地看成流體在彎曲的管道內(nèi)勻速流動(dòng)。假定進(jìn)出口流道截面及流道內(nèi)部任何過(guò)流截面的水流是均勻分布的，而流速僅為一個(gè)自變量的函數(shù)，據(jù)此設(shè)計(jì)出葉片的幾何形狀，制作出多種模型進(jìn)行試驗(yàn)，擇優(yōu)選用。離心泵在不同的工況下，其流量壓力變化范圍很大，這種葉輪的模型只能是有限的數(shù)種，因而無(wú)法保證優(yōu)選模型與實(shí)際運(yùn)行工況一致，當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí),葉輪效率極低。由于一元流計(jì)算設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，目前我國(guó)仍有水泵廠延用此設(shè)計(jì)方法。

2.2 二元流設(shè)計(jì)理論

二元流設(shè)計(jì)將葉輪流道及流體流態(tài)作為變量，只考慮水流從葉片根部到葉片頂部的S面流動(dòng)，忽略葉片之間的圓柱面內(nèi)的流動(dòng)阻力，從而將三維坐標(biāo)簡(jiǎn)化為二維坐標(biāo)。二元流設(shè)計(jì)出來(lái)的水泵葉輪在工作中沖擊損失、摩擦損失仍然較大，選用二元流水泵過(guò)程中的服從性差。

2.3 三元設(shè)計(jì)理論

1976年版美國(guó)權(quán)威工具書(shū)《泵手冊(cè)》把我國(guó)科學(xué)家吳仲華創(chuàng)立的三元流動(dòng)理論作為未來(lái)可能出現(xiàn)的新設(shè)計(jì)方法，最初應(yīng)用在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)領(lǐng)域中國(guó)，1986年《射流-尾跡三元流動(dòng)計(jì)算》方法用于水泵設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外一些院所和大型水泵公司陸續(xù)引進(jìn)三元流設(shè)計(jì)方法[7]。

三元流設(shè)計(jì)理論是把葉輪內(nèi)部的三元立體空間無(wú)限地分割，通過(guò)對(duì)葉輪流道內(nèi)各工作點(diǎn)的分析，建立起完整真實(shí)的葉輪內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)三元射流-尾跡流動(dòng)計(jì)算，對(duì)因流體粘性和泵體內(nèi)部壓力梯度引起的流體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行定量分析，通過(guò)水力優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善葉輪內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，使流體沿過(guò)流通道呈流線型光順流動(dòng)，以減小漩渦、進(jìn)口沖擊和出口尾跡脫流等損失，使泵效率得以提高，高效區(qū)更寬。

典型的三元流葉輪設(shè)計(jì)流場(chǎng)是根據(jù)優(yōu)化前的泵運(yùn)行特性，如流量，揚(yáng)程，電流、電壓和出口閥門(mén)開(kāi)度等指標(biāo)進(jìn)行采集，結(jié)合運(yùn)行要求的性能指標(biāo)參數(shù)，均作為作為已知參數(shù)，進(jìn)行葉輪的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。由典型三元流葉輪截面相對(duì)速度分布（圖1）可以看到，采用三元流設(shè)計(jì)輪優(yōu)化后的葉輪內(nèi)不流場(chǎng)分布均勻，流線平滑光順無(wú)漩渦，從而損失較小，且不易產(chǎn)生過(guò)度汽蝕現(xiàn)象。

圖1 三元流葉輪流場(chǎng)分布

2.4 三元流技術(shù)改造

對(duì)水泵的三元流技術(shù)改造，是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)要求，針對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況，不動(dòng)電機(jī)、管路、安裝位置等，控制葉輪安裝接口尺寸，設(shè)計(jì)出與原葉輪可互換的非標(biāo)準(zhǔn)葉輪，以達(dá)到效率最大化，成本最小化。改造過(guò)程為：認(rèn)真檢測(cè)、分析水泵運(yùn)行工況，測(cè)繪原葉輪裝配尺寸及泵殼尺寸；根據(jù)用戶對(duì)水量、水壓要求，確定三元流葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，通過(guò)迭代計(jì)算設(shè)計(jì)，最終制造三元流空間扭曲葉輪；更換葉輪。

本次試點(diǎn)的董家七級(jí)泵站高池方向安裝4臺(tái)20SH-19G型單級(jí)雙吸離心泵，水泵設(shè)計(jì)流量0.46 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程28.3 m，配套電機(jī)功率185 kW。將4#機(jī)組更換為三元流葉輪，其他機(jī)組（以3#機(jī)組為例）仍采用原葉輪作為對(duì)比。3#機(jī)組葉輪（原葉輪）如圖2所示，葉輪直徑470 mm；4#機(jī)組葉輪三維模型（三元流葉輪）如圖3所示，葉輪直徑513 mm。

3 三元流葉輪改造效果

通過(guò)對(duì)不同機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行測(cè)試，可以看到三元流改造具有如下效果：

圖2 3#葉輪（原葉輪）

圖3 4#葉輪三維模型（三元流葉輪）

（1）流量揚(yáng)程相同時(shí)，提高水泵效率。3#機(jī)組（原葉輪）電機(jī)功率185 kW，4#機(jī)組（三元流葉輪）電機(jī)功率140 kW，效率提高了24.3%，日節(jié)電1080 kW，年節(jié)電129600 kW（120天），相當(dāng)于每年減少碳排放101.7 t。

（2）電機(jī)功率相同時(shí)，提高水泵流量。4#機(jī)組（三元流葉輪）工作點(diǎn)流量由0.463/s增大到0.53/s，有效解決供水流量不足問(wèn)題。

（3）流量穩(wěn)定。圖4為4#機(jī)組（三元流葉輪）和3#機(jī)組（原葉輪）運(yùn)行過(guò)程電流變化趨勢(shì)對(duì)比（由于泵站還未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，故采用人工采集電流數(shù)值，總共采集96小時(shí)，每隔1小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)）。由圖可知，3#機(jī)組（原葉輪）開(kāi)機(jī)20小時(shí)后，電流由300 A降至270 A，之后24小時(shí)又降至260 A，再經(jīng)過(guò)41小時(shí)降至255 A，最后穩(wěn)定在255 A，即開(kāi)機(jī)20小時(shí)候就出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的流量衰減，且隨著時(shí)間推后，流量呈階梯狀衰減。4#機(jī)組（三元流葉輪）開(kāi)機(jī)電流328 A，在觀測(cè)的96個(gè)小時(shí)內(nèi)一直保持328 A，不存在流量衰減。

圖4 機(jī)組運(yùn)行電流變化趨勢(shì)對(duì)比圖

4 結(jié)論

對(duì)建成年份較早的灌溉泵站，由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行等原因，容易出現(xiàn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)、效率低、流量衰減等問(wèn)題，采用三元流技術(shù)進(jìn)行改造具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）在不動(dòng)管路、電機(jī)、泵體、泵軸等建筑物和設(shè)備的前提下，只更換葉輪，改造成本低，實(shí)施簡(jiǎn)單，操作性強(qiáng)，并能節(jié)約檢修費(fèi)用。

（2）節(jié)能。在流量和揚(yáng)程不變情況下，采用三元流葉輪，可以提高水泵效率，減小電機(jī)功率，節(jié)省能耗。

（3）增效。在配套電機(jī)功率不變條件下，采用三元流葉輪，能明顯增大水泵出流流量，解決供水不足問(wèn)題，提高水泵效能。

（4）穩(wěn)流。由于三元流葉輪設(shè)計(jì)理論更接近運(yùn)行實(shí)際，能將流量長(zhǎng)時(shí)間保持在開(kāi)機(jī)穩(wěn)定值，消除流量衰減。

[1]陜西省大型灌溉排水泵站更新改造規(guī)劃報(bào)告[R].2008.12.

[2]王福軍.水泵與水泵站[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2011.

[3]鐘再平.一種透平機(jī)械高效葉片[P].中國(guó)專利：ZL201520247822.X.2015-09-30.

[4]楊勝宇,車(chē)永軍.應(yīng)用三元流技術(shù)實(shí)施循環(huán)水泵系統(tǒng)節(jié)能改造[J].節(jié)能工程，2012(5):37-40.

[5]劉曉軍.水泵采用三元流葉輪的使用效果[C].全國(guó)中氮情報(bào)協(xié)作組第23次技術(shù)交流會(huì)論文集,2005:276.

[6]王濤.以三元流動(dòng)理論設(shè)計(jì)的新型水泵葉輪在供水公司的應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2015(1):9-12.

[7]吳霞，黃靜，戈文金.三元流技術(shù)在水泵改造中的成功應(yīng)用[J].江西能源，2007(4):46-47.