基于密云调蓄工程梯级泵站的抽水装置性能分析

吴辉明, 田 雨，廖卫红，刘波波，宋 巍(1.北京工业大学建筑工程学院，北京1001；.中国水利水电科学研究院，北京 10008；.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，西安 710010；.北京市南水北调团城湖管理处，北京 100097)

0 引 言

对于大型泵站，进、出水流道的形式和型线设计与水泵的运行性能密切相关，进行泵站安装前，一般都需进行水泵装置模型试验以获取其性能数据。团城湖至密云水库前6级泵站均为低扬程、大流量泵站。前5级泵站为立式轴流泵站，第6级为立式混流泵站，水泵叶片角度均可全角调节，可实现不同工况点之间的任意切换，当各级泵站承担调水任务时，由于上游来水量变化、水位变化等引起的泵站运行工况变化，常使水泵工作点偏离其高效区，导致泵站运行效率偏低。为保证泵站在调水过程中，面对各种调水任务都能高效运行，需要根据泵站的实际抽水流量、进出水侧水位引起的扬程变化，对水泵叶片角度进行调节，以提高泵站运行效率，保证在任何工况点下都能实现优化运行。目前，整个工程刚投入试运行，暂时没有实测泵站运行数据。因此，需要在模型试验的基础上，对泵站抽水装置的性能进行预测。目前国内也兴建了许多大、中型跨流域调水工程和一般供水工程，部分学者针对泵站综合特性曲线进行了研究，比如龙新平等[1]在做了泵站性能曲面拟合后进行了泵站优化调度分析；桑国庆[2]针对南水北调东线万年闸泵站做了叶片全调节泵站抽水装置性能计算，得到了水泵原型装置的综合特性曲线。

本文以密云调蓄工程梯级泵站屯佃泵站、西台上泵站为主要研究对象,前者为轴流泵，后者为混流泵，通过现有水泵模型装置数据, 对原型泵装置效率及性能进行预测, 与此同时考虑电机效率和传动效率, 对抽水装置效率及性能进行分析计算, 确定出不同扬程、流量工况点下抽水装置的效率, 为泵站优化运行提供基础数据，同时比较两者之间的效率，分析不同泵型的在不同工况下的运行状态。

1 抽水装置效率

抽水装置是由水泵、动力机、传动设备、管路及其附件组成的组合体，是完成抽水任务的主要载体。抽水装置效率的计算：在水泵效率的基础上考虑电机效率和传动效率，就能够得到抽水装置效率[3]。抽水装置效率计算公式如下。

ηst=ηpumpAssemηtransηmotor

(1)

式中：ηst为抽水装置效率；ηpumpAssem为水泵效率；ηtrans为传动效率；ηmotor为电机装置效率。

水泵效率表示传递能量的有效程度。效率反映泵内损失功率的大小及衡量轴功率的有效利用程度。主要包括3个部分：机械效率、容积效率、水力效率

机械效率：

ηm=(P-ΔPm)/P

(2)

容积效率：

ηv=(Pw-ΔPv)/Pw

(3)

水力效率：

ηh=Pe/(Pw-ΔPv)

(4)

水泵效率：

ηpumpAssem=ηmηvηh

(5)

式中：P为轴功率；ΔPm为机械损失功率；Pw为水功率；ΔPv为容积损失(泄漏损失)功率；Pe为有效功率。

各个泵站采用电机和水泵直联的机械传动以及同步电动机，传动效率可以认为100%，同步电动机是一种高效的动力设备，从满负荷到50%负荷内可以认为其效率基本不变，具体数值为电机输出效率和电机额定功率的比值。

2 水泵原型与模型装置性能换算

2.1 水泵相似定律

原型水泵装置的性能可以通过对模型水泵装置性能试验数据进行相似换算得到。原型水泵和模型水泵装置之间的流量和扬程采用目前统一的换算公式：

(7)

式中：Qp为原型水泵流量，m3/s；Qm为模型水泵流量，m3/s；Hp为原型水泵扬程，m；Hm为模型水泵扬程，m；np为原型水泵转速，r/min；nm为模型水泵转速，r/min；Dp为原型水泵叶轮直径，mm；Dm为模型水泵叶轮直径，mm。

对于原型水泵的水力效率，本文采用SL140-2006《水泵模型及装置模型验收试验规程》[5]中所规定采用的IEC 995(1991年)公式进行水力效率换算，公式如下：

(8)

式中：ηh,p为原型水泵效率；ηh,m为模型水泵效率；Reu,ref=7×106；Reu,M为每一试验点的模型雷诺数；Reu,p为相似工况的原型雷诺数；ηh,opt,M为模型泵最优水力效率；Reu,opt,M为模型泵最优水力效率ηh,opt,M点处的雷诺数；Vre为相对Reu,ref的损失分布系数，Vref=0.6；D为叶轮的名义直径，m；u为叶轮的名义直径D处的圆周速度，m/s；v为运动黏滞系数，m2/s。

2.2 性能计算流程

由于工程在2015年7月中旬刚投入运行，实测泵站特性参数还不完善，因此，对泵站抽水装置性能的研究都是基于模型试验所得数据展开。按照以下方法计算和预测泵站原型抽水装置性能：①对泵站抽水装置模型试验数据(流量、扬程和效率)进行拟合，获取连续的模型实验数据；②根据相似律，对拟合后的模型实验数据进行换算，推求原型装置数据，绘制特性曲线；③对各泵站的抽水装置的扬程和流量区间进行合理的离散，组合成抽水装置可运行的全部工况点；④构造出任意扬程和流量工况下泵站抽水装置效率、叶片角度、扬程、流量之间的对应关系，由此推求任意流量和扬程工况下对应的叶片角度和抽水装置效率值。

3 实例分析

3.1 任意工况点下抽水装置的效率和叶片安装角度

通过上一节的模型数据换算得到的屯佃泵站抽水装置原型特性曲线，根据得到的综合特性曲线，结合各泵站的设计扬程，对单个抽水装置可运行的流量、扬程范围进行合理的离散(将扬程和流量范围均以0.01为步长进行离散)，由这些离散的扬程值和流量值共同确定水泵抽水装置的工况点。参照工况点的确定结果，可以得到各个流量、扬程下对应的抽水装置效率及叶片安装角度。由于篇幅有限，仅展示屯佃泵站、西台上泵站抽水装置部分流量-扬程-角度关系和流量-扬程-效率关系分别如表1和表2所示，三维图见图1、图2。

表1 屯佃泵站扬程-流量-效率-角度关系Tab.1 The head, flow, efficiency and angle relations of Tundian pump station

表2 西台上泵站扬程-流量-效率-角度关系Tab.2 The head, flow, efficiency and angle relations of Xitaishang pump station

图1 屯佃泵站流量-扬程-效率三维图Fig.1 The three dimensional figure of the head, flow, efficiency and angle relations of Tundian pump station

图2 西台上泵站流量-扬程-效率三维图Fig.2 The three dimensional figure of the head, flow, efficiency and angle relations of Xitaishang pump station

结果分析：①在表1和表2中, 每一个流量值下方都对应有2 列数字, 左边一列为水泵机组当前流量和扬程下流量泵站系统效率, 右边一列为水泵机组当前流量和扬程下流量泵站系统水泵机组运行角度, 从图1和图2也可以看出明显看到一段类似山峰的区域，此区域附近均可认为是高效区，在单机设计工况下西台上泵站系统效率更高为70%左右,屯佃水泵机组在40%左右。这是因为屯佃泵站设计扬程低，泵型选型不当所致。②通过换算得到了一系列的离散值，根据给定的角度就可以从η-θ，η-Q曲线上得到对应的效率值和流量值，这样得到的效率值、流量值是连续变化的，有了一一对应关系，相对于离散数据点的线性差值，更加符合实际的物理现象，且精度足够高能满足实际需求。

3.2 抽水装置特性曲线拟合

由于试验数据本身的误差、拟合造成的误差、人为因素等的影响，不能保证所有测试点的拟合值都落在试验值的误差带范围内，但可以保证每条曲线中的最高效率点的拟合值全部落在试验值的误差带范围内。因为试验中对最高效率点的测定较其他试验点总是要更为慎重，拟合结果也更为可信[4]。本文依据参考文献[5]和文献[2]的做法，对水泵原型装置不同叶片角度下的流量-扬程曲线和流量-效率曲线拟合，绘制抽水装置综合特性曲线如图3、图4、图5、图6、图7和图8所示。

图3 屯佃泵站抽水装置示意图Fig.3 Pumping equipment characteristic curve of Tundian pumping station

图4 前柳林泵站抽水装置示意图Fig.4 Pumping equipment characteristic curve of Qianliulin pumping station

图5 埝头泵站抽水装置示意图Fig.5 Pumping equipment characteristic curve of Niantou pumping station

图7 李史山泵站抽水装置示意图Fig.7Pumping equipment characteristic curve of Lishishan pumping station

图8 西台上泵站抽水装置示意图Fig.8 Pumping equipment characteristic curve of Xitaishang pumping station

结果分析：图3～图8中粗线部分为根据模型试验点得到的曲线，延长线为拟合得到的结果，这些曲线全面反映了原型抽水装置流量-扬程-效率之间的关系。需要说明的是，基于屯佃泵站的模型试验结果，对前柳林、埝头、兴寿、李史山4座泵站进行了原型抽水装置性能预测研究，这里没有展开说明。

4 结 语

(1)通过对水泵装置模型试验数据进行拟合和换算，得到了水泵装置的综合特性曲线，并在给定的流量和扬程条件下计算得出其相应的叶片角度和效率值，在考虑电机效率的影响后，最终得到了泵站抽水装置的综合特性曲线。

(2)提出了在给定的流量和扬程条件下计算水泵装置相应的叶片角度和效率值的计算方法。构造出抽水装置效率、叶片角度与装置扬程和流量的对应关系，得到了任意扬程、流量工况点对应的叶片角度和效率值，并根据性能数据生成了相应的拟合曲线，方便在实际运行调度中使用。

(3)各水泵装置特性是根据模型试验数据，采用相似律换算得到，由于水泵装置效率影响因素复杂，且换算方法具有一定的近似性，可作为初期运行的参考。实际运行中应逐步采集各工况点参数，对水泵抽水装置性能进行校核、验证。本文计算得出抽水装置性能曲线可作为衡量泵站效率的依据，并可为泵站优化提供基础数据。

(4)对比屯佃泵站和西台上泵站的效率发现,西台上泵站在设计工况下基本都在高效区运行，屯佃泵站设计扬程较低，泵站抽水装置效率较低，从泵站选型角度考虑应该选用效率更高的贯流泵，由于中间四级泵站均为轴流泵，从统一调度角度考虑，选用了同一泵型，方便运行管理调度。

本文研究中尚存在一些不足之处，可作为今后研究方向：

(1)屯佃泵站是六级泵站中设计扬程最低的，为1.08 m，而扬程范围在0～3 m时选择贯流泵效率，水力损失少，提水效率较高，而在工程中，选择了立式轴流泵，由于立式轴流泵本身的特点，导致屯佃泵站效率较低，因此也影响了整个梯级泵站系统的优化。可考虑这样一种情况：在屯佃泵站处打开闸门，让团城湖来水到达屯佃泵站时直接自流到下一级前柳林泵站前，从第二级泵站开始向后调水。即考虑"甩站"工况的可行性。

(2)虽然得到了原型抽水装置特性曲线，可以尽量让泵站在高效区运行，但是整个梯级泵站的优化调度还需进一步的分析研究。

(3)本文基于工程设计参数和水泵模型试验数据，虽然结果比较合理实际效果还有待验证。当工程开始运行后，应首先进行参数率定工作，使泵站抽水装置特性曲线和实际运行情况尽量吻合，这样对梯级泵站调水工程的运行才具有实际的参考价值和指导意义。

□

[1] 龙新平, 朱劲木, 刘梅清, 等.基于性能曲面拟合的泵站优化调度分析[J].水利学报, 2004,11(11):27-32.

[2] 桑国庆,张 林,董庆杰,等.叶片全调节泵站抽水装置性能计算[J].南水北调与水利科技, 2012,10(4):14-17.

[3] 严登丰,叶 健,陈茂满,等.泵及泵装置效率表达与换算[J].排灌机械,2007,(1):128.

[4] 桑国庆.基于动态平衡的梯级泵站输水系统优化运行及控制研究[D]. 济南：山东大学, 2012.

[5] 张 林,于永海,姜晓明.基于B样条的水泵效率特性曲线拟合方法[J].排灌机械, 2006,24(3):9-11.

[6] SL140-97，水泵模型及装置模型验收试验规程[S].

[7] 侍翰生,程吉林,方红远,等.基于动态规划与模拟退火算法的河-湖-梯级泵站系统水资源优化配置研究[J].水利学报,2013,(1):13.

[8] 梁 兴,刘梅清,刘志勇,等.基于混合粒子群算法的梯级泵站优化调度[J].武汉大学学报:工学版,2013,46(4):536-539.