淮安二站水泵改型测试与验证

2015-12-12 03:14杨正东

江苏水利 2015年5期

杨正东袁聪

（江苏省淮安抽水二站管理所，江苏淮安 223200）

0 引言

淮安二站始建于1975年，装有立式全调节轴流泵机组2 台套，单机配套同步电机功率5000 kW，水泵叶轮直径4.5 m，设计扬程7 m。运行多年后，由于工程设备老化日益严重，以及早期机组设计欠合理等历史问题，造成机组长期处于低效区运行，性能和效率无法得到保障。在2010年开始的更新改造中，经过重新设计选择了新的水泵模型，新的泵型扬程降为4.89 m，因为改造的局限性，通过新旧泵型对比，水泵的轮毂比发生了变化，因此，必须对该水力模型进行改型设计。改造安装结束后，水泵实际运行效果到底如何，效率能不能得到保证都是未知数，为了检验改造后机组的运行效率，在机组试运行期间对工程的各种参数进行了测试计算，并且通过实际运行效率和模型泵性能曲线进行对比［1-3］，得出了比较准确的结论，为今后大型泵站的改造测试等提供了一定的参考依据。

1 测试内容及标准

水泵装置效率现场测试参数主要包括：电机输入功率P（kW）、水泵装置净扬程H（m）、泵转速n（r/min）、泵的流量Q（m3/s）等。测试标准主要参照《泵站现场测试规程》（SD140-85）、《水文普通测量规范》（SL58-93）、《水位观测标准》（GBJ138-90）、《水工建筑物测流规范》（SL20-92）、《河流流量测验规范》（GB50179-93）等［4］。

2 现场测试情况

测试过程中主要设备配置如表1所示。

表1 主要设备配置

2.1 扬程测量

水泵扬程为泵站上下游水位的差值，由进、出水池水尺测得。为确保测试的准确性，开机运行时，通过进水的沙庄引江闸控制下游水位，同时淮安二站附近的其他工程停止运行。因运行时，淮安二站上下游水流波动较大，上下游水位数据取自临近的淮安一站数据，同时通过上下游翼墙处现有水尺断面所示读数和上下游超声波水位计测量数值加以验证。上、下游断面水尺零点高程测量，从国家水准点，按三等水准要求进行监测，取废黄河口基面（冻结基面），并对监测断面的基本水准点、观测水尺进行考证。仪器采用国内水准仪系列的S3级水准仪。

2.2 功率测量

同步电动机的有功功率、电压、电流、功率因数等数据通过主机高压开关柜上型号为PD194PQ-2K4 的多功能电力仪表测量。

2.3 转速测量

水泵转速采用同步电机配套的型号为SDC-2 的电机测速仪测量。通过现场采集观测，运行中实际转速与电机额定转速相差较小，故在实际计算中仍以额定转速代替。

2.4 流量测量

流量测量主要采用ADCP 测流方法，ADCP 全称Acoustic Doppler Current Profilers，中文名称为声学多普勒流速剖面仪，是近二三十年发展起来的一种新型测流设备。利用声学原理，ADCP 向水体发射一组脉冲声波，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，假定水体中颗粒物与水体流速相同，依据发射波与反射波之间的频率改变（这个频率改变即称多普勒频移）可计算出水流相对于ADCP 的速度。同时，向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP 安装平台（测船）相对的速度矢量以及水深，然后取两者矢量差值就是要测量的流速矢量，即水流的绝对速度［5-7］。通常ADCP 在走航测量中可以得到下列数据：

（1）相对流速（由“水跟踪”测出）；

（2）船速（由“底跟踪”测出，或由GPS 算出）；

（3）水深（由河底回波强度测出，类似于回声测深仪）；

（4）船的航行轨迹（由船速和计时数据算出，或由GPS 算出）。

图1 为ADCP 测量区域、微断面、单元示意图。

ADCP 流量计算用公式（1）计算：

式中：

Q—流量；

S—河流某断面面积；

u—河流断面某点处流速矢量；

ξ—作业船航迹上的单位法线矢量；

ds—河流断面上微元面积。

测流断面设置在下游距翼墙边端约4.2 m 处。图2 为现场实际测试断面图，图3 为断面流速分布图（时间为2013年3月24日10∶30，Q=114 m3/s）。

根据ADCP 现场测试断面图可以看出，水流在距测流方向0～17 m处最大水深3 m，坡度较缓，流速相对较低。随着水深增加，流速较低，波动较小。根据断面流速分布图可知，测流长度大的区域流速波动较大，速度较大，测流长度小的区域流速相对较小。

2.5 效率计算

效率计算公式为式（2）：

式中：

η′— 效率，%，即有效电功率/耗用电功率，包括电动机、水泵、传动系统及水管摩阻等方面的综合效率；

H— 抽水扬程，m，即抽水站站上与站下水位差，当出水射入空气时，以出水管口中高站上水位之差为净扬程；

Q— 机组抽水流量，m3/s；

Ns— 机组总电功率，kW。

3 测试成果分析

3.1 效率计算成果

2013年3月24日开机运行期间，对5 种调试工况抢测流量5 个测次，同时同步观测记录水位与工情参数。实测流量为114～161 m3/s；上游水位9.71 m 左右，下游水位5.78～5.48 m，站上下游水位差为3.92～4.24 m。通过计算，得出淮安抽水二站机组效率具体数据见表2。

3.2 误差来源与控制

流量测验误差是影响本次成果的主要因素。淮安二站2 台机组运行流量较大，下游引河顺直段长度较短，引河进水口成“T”字型。因本次运行为单向引水，形成偏流状态，加之机组角度调整时间间隔相对较短，水流脉动现象较为明显，并目测水面有回流现象，水流的不稳定性对本次流量测验精度影响较大。

测验误差控制的主要途径:加强测验过程中数据跟踪与水面现场目测，加大流量测回，同时有效控制无线载体运行速度。

3.3 数据对比分析

将试运行实验数据在模型泵换算出的原型泵性能曲线上标记出来，如图4 所示。

从图4 中可以看出，试运行实验数据每个角度之间的距离基本一致，0°、+2°、-4°试运行数据点和模型泵实验换算的Q-H 线非常接近，测量数据与实验数据吻合较好。-2°和-6°下，运行数据与模型泵数据距离较远，偏差相对较大，主要原因是模型泵和原型泵叶片角度都存在一定的误差，还有几何比尺效应。从效率角度而言，根据试运行数据点可知，效率大概在68%左右，而根据换算综合特性曲线所示，试运行数据点效率在70%左右，大概低了2%左右，这是因为在试运行试验时，测试的功率是电功率，如果除去电机损失，则试运行试验效率和模型泵装置效率相当。综上所述，试运行数据点和模型泵试验数据点符合较好。