郭 軍， 沈 沖， 鮮凡凡， 張慧峰

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處， 江蘇 淮安 223100)

1 研究背景

1.1 工程基本情況

石港泵站始建于1973年，原為江蘇引江濟(jì)淮第二梯級(jí)泵站。2013年列入淮河入江水道整治工程拆除重建，2016年新泵站建成投運(yùn)。新泵站按照寶應(yīng)湖地區(qū)5年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，安裝4臺(tái)套立式軸流泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程5.0 m，設(shè)計(jì)排澇流量90 m3/s。

與石港泵站并聯(lián)的南水北調(diào)金湖泵站，其設(shè)計(jì)功能主要是向北調(diào)水，設(shè)計(jì)調(diào)水流量150 m3/s，同時(shí)兼顧本地區(qū)抗旱和排澇的功能，設(shè)計(jì)排澇流量130 m3/s。

1.2 超工況運(yùn)行情況

石港泵站超工況運(yùn)行，主要指泵站上游或下游水位低于對應(yīng)設(shè)計(jì)低水位的抗旱抽水運(yùn)行[1]。石港泵站設(shè)計(jì)為排澇泵站，而建成后，更多用于抗旱運(yùn)行。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2016年以來，工程年年運(yùn)行，抗旱運(yùn)行3年，抗旱抽水量占總抽水量的78%。泵站歷年抽水量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 歷年抽水量統(tǒng)計(jì)

其中旱情最嚴(yán)重的是2019年，淮河流域出現(xiàn)60年一遇氣象干旱，根據(jù)省防指調(diào)度指令，石港泵站投入抗旱抽水運(yùn)行，與南水北調(diào)金湖泵站聯(lián)合向入江水道三河段補(bǔ)水，再由洪澤泵站抽水150 m3/s入洪澤湖。

1.3 設(shè)計(jì)工況與抗旱運(yùn)行工況水位對比

石港泵站設(shè)計(jì)水位與抗旱運(yùn)行特征水位見表2。

表2 設(shè)計(jì)水位與抗旱運(yùn)行特征水位對照

由表2可見，抗旱運(yùn)行時(shí)，上下游水位均低于設(shè)計(jì)最低水位較多，嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，而且石港泵站為虹吸流道出水，其出水口頂高程為7.10 m，上游水位低于該高程，已不能正常運(yùn)行。

1.4 裝置有效氣蝕余量偏小

石港泵站立式軸流泵技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 軸流泵技術(shù)參數(shù)

水泵設(shè)計(jì)臨界氣蝕余量△hc為7.15 m，根據(jù)氣蝕余量概念，水泵允許氣蝕余量△h=(1.1～1.3)△hc，即允許氣蝕余量△h范圍為7.865～9.295 m，若使水泵運(yùn)行不產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，必須保證裝置有效氣蝕余量△ha不小于允許氣蝕余量△h。

裝置有效氣蝕余量△ha計(jì)算公式為：△ha=標(biāo)準(zhǔn)大氣壓-水泵吸程-安全量。

式中：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為10.33 m，水泵吸程為2.75 m，安全量為0.5 m。

經(jīng)計(jì)算，裝置有效氣蝕余量△ha為7.08 m，小于允許氣蝕余量△h，證明了水泵超設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)將發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

2 超設(shè)計(jì)工況運(yùn)行危害

2.1 水泵抽水流態(tài)變差

抗旱運(yùn)行時(shí)，因偏離了設(shè)計(jì)工況，水泵抽水流態(tài)變差，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

(1)水泵葉輪室內(nèi)聲響異常。水泵運(yùn)行時(shí)，能清晰聽到葉輪室內(nèi)連續(xù)的氣泡爆裂聲。

(2)水泵出水流量減少。利用ADCP超聲波實(shí)時(shí)流量測量[2]發(fā)現(xiàn)，在相同葉片角度運(yùn)行下，實(shí)測的流量相比排澇抽水流量減少了約10%，單臺(tái)水泵出水量對比如表4所示。

(3)泵站進(jìn)、出水池流態(tài)較差。進(jìn)水池流道的進(jìn)口處水面多處出現(xiàn)漩渦，出水池流道的出口處水浪花較大，并伴有大量白色氣泡。

單臺(tái)水泵出水量對比見表4。

表4 單臺(tái)水泵出水量對比

2.2 水泵噪音與振動(dòng)增大

抗旱運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場測量水泵運(yùn)行噪音和振動(dòng)數(shù)值。經(jīng)分析比較，下游進(jìn)水池水位越低，水泵噪音越大，振動(dòng)數(shù)值也呈增大趨勢。噪音和振動(dòng)實(shí)測值變化曲線如圖1、圖2。

圖1 噪音實(shí)測值變化曲線

圖2 振動(dòng)實(shí)測值變化曲線

2.3 水泵上導(dǎo)橡膠軸承燒毀

抗旱運(yùn)行時(shí)，泵站上游出水池最高水位僅有7.72 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于排澇工況設(shè)計(jì)水位11.07 m，而水泵上導(dǎo)橡膠軸承高程為9.75 m。因此，抗旱運(yùn)行時(shí)，即使上游水位能滿足虹吸出水條件，但由于出水池水位低于上導(dǎo)軸承高程，上導(dǎo)軸承沒有來自流道的自然潤滑水，當(dāng)附加潤滑水無效時(shí)，橡膠軸承與泵軸頸發(fā)生干摩擦，出現(xiàn)軸承發(fā)熱燒毀現(xiàn)象。

2.4 虹吸出水流態(tài)無法形成

2019年抗旱運(yùn)行期間，石港泵站上游水位最低出現(xiàn)7.01 m，低于泵站虹吸出水流道出水口上緣高程7.10 m，水泵開啟后，流道內(nèi)水流無法形成虹吸流態(tài)，造成機(jī)組嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，抽水揚(yáng)程變大，機(jī)組功率增加。

非虹吸流態(tài)下，水泵揚(yáng)程的計(jì)算公式為

H=h1-h2

(1)

式中：h1為虹吸出水流道駝峰高程(12.10 m)，h2為下游水位(6.30 m)。

經(jīng)計(jì)算，非虹吸狀態(tài)下抽水揚(yáng)程為5.80 m，超過虹吸運(yùn)行時(shí)的上下游水位差4 m，電機(jī)功率由正常的800 kW左右陡增至1650 kW左右，機(jī)組整體穩(wěn)定性能明顯變差，噪聲、振動(dòng)均超出常規(guī)，勵(lì)磁電流接近限值。

3 裝置效率分析計(jì)算

針對抗旱運(yùn)行工況，開展泵站裝置效率分析和計(jì)算，分析影響裝置效率的因素，計(jì)算超工況運(yùn)行時(shí)裝置效率。

3.1 影響效率的因素

(1)揚(yáng)程變小。設(shè)計(jì)排澇工況下，泵站揚(yáng)程平均在4 m左右，而抗旱時(shí)最大揚(yáng)程僅有2.3 m，揚(yáng)程大幅度減小，導(dǎo)致水泵明顯偏離了高效區(qū)運(yùn)行。

(2)流量不足?？购禃r(shí)，下游水位低于設(shè)計(jì)水位，實(shí)測流量較排澇工況下流量小了10%左右，也驗(yàn)證了機(jī)組在非高效區(qū)運(yùn)行。

(3)電動(dòng)機(jī)功率偏大?？购禃r(shí)，下游水位過低，在上游水位不變的情況下，水泵提水的高度相對增加了，導(dǎo)致電機(jī)無用功占比增多，以致于機(jī)組功率變大。

3.2 裝置效率計(jì)算

泵站裝置效率計(jì)算公式為

(2)

式中：H為抽水揚(yáng)程，m；P為電機(jī)功率，kW；Q為抽水流量，m3/s。

取一段時(shí)間內(nèi)泵站運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如表5所示。

表5 裝置效率計(jì)算值

通過計(jì)算，得出抗旱運(yùn)行時(shí)裝置效率較低，僅在40%左右。比對泵裝置綜合特性曲線[2-3]，計(jì)算結(jié)果與水泵的裝置性能曲線相吻合。

4 管理對策

4.1 加強(qiáng)巡查和數(shù)據(jù)監(jiān)測

抗旱運(yùn)行時(shí)，機(jī)組偏離設(shè)計(jì)工況，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，主要采取了以下巡查、監(jiān)測措施。

(1)加密巡查頻次，運(yùn)行人員1 h巡查1次，管理人員巡查每天不少于4次。

(2)全過程對機(jī)組噪聲和振動(dòng)進(jìn)行測量。噪聲測量位置為距離水泵葉輪室外殼四周1 m范圍內(nèi)，振動(dòng)分別測量水泵葉輪外殼連接法蘭面和電動(dòng)機(jī)上機(jī)架，包括水平和豎直兩個(gè)方向的振動(dòng)值。

(3)密切觀察電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，包括電流、功率、線圈溫度、油溫、瓦溫等。

(4)對每次測量的噪聲、振動(dòng)和電量參數(shù)值分別進(jìn)行縱向和橫向比較，分析總結(jié)數(shù)據(jù)的規(guī)律，為開展研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4.2 優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行調(diào)度

抗旱運(yùn)行時(shí)，為最大程度改善水泵抽水流態(tài)，運(yùn)行中優(yōu)化調(diào)度機(jī)組運(yùn)行，按照補(bǔ)水量45 m3/s要求，開機(jī)2臺(tái)，采用機(jī)組間隔運(yùn)行模式[3]，即1、3號(hào)或2、4號(hào)運(yùn)行，再或1、4號(hào)運(yùn)行，這樣能適當(dāng)改善進(jìn)水口流態(tài)，在一定程度上減輕水泵氣蝕。

4.3 水泵負(fù)角度運(yùn)行

抗旱運(yùn)行時(shí)，下游進(jìn)水池水位過低，進(jìn)水池流態(tài)不順，水泵氣蝕嚴(yán)重，將葉片角度調(diào)至-6°運(yùn)行，可有效降低機(jī)組運(yùn)行功率，有利于改善機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。經(jīng)現(xiàn)場查驗(yàn)和測量，-6°運(yùn)行時(shí)電機(jī)各項(xiàng)電氣參數(shù)和溫度均正常，水泵振動(dòng)與噪聲也小于設(shè)計(jì)角度(0°)運(yùn)行時(shí)狀況[4-5]。

4.4 增設(shè)軸承潤滑水

為解決抗旱運(yùn)行時(shí)水泵上導(dǎo)軸承缺少水潤滑易燒毀問題，對水泵上導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造。一是增設(shè)軸承潤滑供水管，供水壓力為0.3 MPa，供水量約60L/min。二是聚氨酯橡膠軸承底部增設(shè)阻水環(huán)，阻水環(huán)與泵軸接觸部位采用橡膠柔性材料，阻水環(huán)與泵軸保持單邊間隙在0.10～0.15 mm范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)改造有效解決了上游低水位時(shí)橡膠軸承潤滑問題。

4.5 控制擋洪閘運(yùn)行

針對泵站出水池水位低于虹吸出水流道頂口高程問題，采取非常措施將機(jī)組牽入正常運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)行前關(guān)閉出水池?fù)鹾殚l門，非虹吸狀態(tài)下強(qiáng)行啟動(dòng)主水泵抽水以抬高出水池水位，為盡可能減少水泵在非虹吸狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間，必要時(shí)可開啟2臺(tái)。

經(jīng)計(jì)算，出水池水面面積約為89 000 m2，水位上升0.1 m，需要抽水約8 900 m3，按照開一臺(tái)水泵抽水22.5 m3/s計(jì)算，需要用時(shí)約6.5 min。

2019年7月旱情最嚴(yán)重時(shí)，出水池水位低于虹吸出水流道頂口高程0.09 m，通過對設(shè)備性能分析和運(yùn)行功率計(jì)算，制定了強(qiáng)迫運(yùn)行方案，將葉片角度調(diào)至-6°，打開真空破壞閥，開啟2臺(tái)水泵運(yùn)行，待水位上升到出水口頂面，關(guān)閉真空破壞閥，虹吸流態(tài)形成，機(jī)組進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。待出水池水位上升超過設(shè)計(jì)最低水位7.60 m時(shí)，開啟引江閘閘門至適當(dāng)高度放水，調(diào)節(jié)水閘過水流量等于水泵抽水流量，嚴(yán)格控制出水池水位不低于設(shè)計(jì)最低水位。

5 結(jié) 語

石港泵站經(jīng)過多年抗旱運(yùn)行實(shí)踐，管理單位有針對性地開展了檢查和監(jiān)測，采取了結(jié)構(gòu)改造、優(yōu)化調(diào)度、科學(xué)控制等措施，形成了一系列管理方法，保證了機(jī)組的運(yùn)行安全和工程效益的正常發(fā)揮。

目前，管理單位正在進(jìn)行水泵結(jié)構(gòu)改造的研究，思考通過水泵葉片和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高抗氣蝕特性，爭取從根本上解決超工況運(yùn)行的缺陷，以使按照排澇設(shè)計(jì)的石港泵站更好地發(fā)揮抗旱效益。