淮安二站水泵改型測(cè)試與驗(yàn)證

楊正東 袁 聰

（江蘇省淮安抽水二站管理所，江蘇 淮安 223200）

0 引言

淮安二站始建于1975年，裝有立式全調(diào)節(jié)軸流泵機(jī)組2 臺(tái)套，單機(jī)配套同步電機(jī)功率5000 kW，水泵葉輪直徑4.5 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程7 m。運(yùn)行多年后，由于工程設(shè)備老化日益嚴(yán)重，以及早期機(jī)組設(shè)計(jì)欠合理等歷史問(wèn)題，造成機(jī)組長(zhǎng)期處于低效區(qū)運(yùn)行，性能和效率無(wú)法得到保障。在2010年開始的更新改造中，經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)選擇了新的水泵模型，新的泵型揚(yáng)程降為4.89 m，因?yàn)楦脑斓木窒扌?，通過(guò)新舊泵型對(duì)比，水泵的輪轂比發(fā)生了變化，因此，必須對(duì)該水力模型進(jìn)行改型設(shè)計(jì)。改造安裝結(jié)束后，水泵實(shí)際運(yùn)行效果到底如何，效率能不能得到保證都是未知數(shù)，為了檢驗(yàn)改造后機(jī)組的運(yùn)行效率，在機(jī)組試運(yùn)行期間對(duì)工程的各種參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試計(jì)算，并且通過(guò)實(shí)際運(yùn)行效率和模型泵性能曲線進(jìn)行對(duì)比［1-3］，得出了比較準(zhǔn)確的結(jié)論，為今后大型泵站的改造測(cè)試等提供了一定的參考依據(jù)。

1 測(cè)試內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

水泵裝置效率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù)主要包括：電機(jī)輸入功率P（kW）、水泵裝置凈揚(yáng)程H（m）、泵轉(zhuǎn)速n（r/min）、泵的流量Q（m3/s）等。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)主要參照《泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（SD140-85）、《水文普通測(cè)量規(guī)范》（SL58-93）、《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ138-90）、《水工建筑物測(cè)流規(guī)范》（SL20-92）、《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》（GB50179-93）等［4］。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

測(cè)試過(guò)程中主要設(shè)備配置如表1所示。

表1 主要設(shè)備配置

2.1 揚(yáng)程測(cè)量

水泵揚(yáng)程為泵站上下游水位的差值，由進(jìn)、出水池水尺測(cè)得。為確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，開機(jī)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)進(jìn)水的沙莊引江閘控制下游水位，同時(shí)淮安二站附近的其他工程停止運(yùn)行。因運(yùn)行時(shí)，淮安二站上下游水流波動(dòng)較大，上下游水位數(shù)據(jù)取自臨近的淮安一站數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)上下游翼墻處現(xiàn)有水尺斷面所示讀數(shù)和上下游超聲波水位計(jì)測(cè)量數(shù)值加以驗(yàn)證。上、下游斷面水尺零點(diǎn)高程測(cè)量，從國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn)，按三等水準(zhǔn)要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取廢黃河口基面（凍結(jié)基面），并對(duì)監(jiān)測(cè)斷面的基本水準(zhǔn)點(diǎn)、觀測(cè)水尺進(jìn)行考證。儀器采用國(guó)內(nèi)水準(zhǔn)儀系列的S3級(jí)水準(zhǔn)儀。

2.2 功率測(cè)量

同步電動(dòng)機(jī)的有功功率、電壓、電流、功率因數(shù)等數(shù)據(jù)通過(guò)主機(jī)高壓開關(guān)柜上型號(hào)為PD194PQ-2K4 的多功能電力儀表測(cè)量。

2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量

水泵轉(zhuǎn)速采用同步電機(jī)配套的型號(hào)為SDC-2 的電機(jī)測(cè)速儀測(cè)量。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集觀測(cè)，運(yùn)行中實(shí)際轉(zhuǎn)速與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速相差較小，故在實(shí)際計(jì)算中仍以額定轉(zhuǎn)速代替。

2.4 流量測(cè)量

流量測(cè)量主要采用ADCP 測(cè)流方法，ADCP 全稱Acoustic Doppler Current Profilers，中文名稱為聲學(xué)多普勒流速剖面儀，是近二三十年發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)流設(shè)備。利用聲學(xué)原理，ADCP 向水體發(fā)射一組脈沖聲波，這些聲脈沖碰到水體中懸浮的且隨水體運(yùn)動(dòng)的微粒后產(chǎn)生反射波，假定水體中顆粒物與水體流速相同，依據(jù)發(fā)射波與反射波之間的頻率改變（這個(gè)頻率改變即稱多普勒頻移）可計(jì)算出水流相對(duì)于ADCP 的速度。同時(shí)，向河底發(fā)射底跟蹤聲脈沖，測(cè)出ADCP 安裝平臺(tái)（測(cè)船）相對(duì)的速度矢量以及水深，然后取兩者矢量差值就是要測(cè)量的流速矢量，即水流的絕對(duì)速度［5-7］。通常ADCP 在走航測(cè)量中可以得到下列數(shù)據(jù)：

（1）相對(duì)流速（由“水跟蹤”測(cè)出）；

（2）船速（由“底跟蹤”測(cè)出，或由GPS 算出）；

（3）水深（由河底回波強(qiáng)度測(cè)出，類似于回聲測(cè)深儀）；

（4）船的航行軌跡（由船速和計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)算出，或由GPS 算出）。

圖1 為ADCP 測(cè)量區(qū)域、微斷面、單元示意圖。

ADCP 流量計(jì)算用公式（1）計(jì)算：

式中：

Q—流量；

S—河流某斷面面積；

u—河流斷面某點(diǎn)處流速矢量；

ξ—作業(yè)船航跡上的單位法線矢量；

ds—河流斷面上微元面積。

測(cè)流斷面設(shè)置在下游距翼墻邊端約4.2 m 處。圖2 為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試斷面圖，圖3 為斷面流速分布圖（時(shí)間為2013年3月24日10∶30，Q=114 m3/s）。

根據(jù)ADCP 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試斷面圖可以看出，水流在距測(cè)流方向0～17 m處最大水深3 m，坡度較緩，流速相對(duì)較低。隨著水深增加，流速較低，波動(dòng)較小。根據(jù)斷面流速分布圖可知，測(cè)流長(zhǎng)度大的區(qū)域流速波動(dòng)較大，速度較大，測(cè)流長(zhǎng)度小的區(qū)域流速相對(duì)較小。

2.5 效率計(jì)算

效率計(jì)算公式為式（2）：

式中：

η′— 效率，%，即有效電功率/耗用電功率，包括電動(dòng)機(jī)、水泵、傳動(dòng)系統(tǒng)及水管摩阻等方面的綜合效率；

H— 抽水揚(yáng)程，m，即抽水站站上與站下水位差，當(dāng)出水射入空氣時(shí)，以出水管口中高站上水位之差為凈揚(yáng)程；

Q— 機(jī)組抽水流量，m3/s；

Ns— 機(jī)組總電功率，kW。

3 測(cè)試成果分析

3.1 效率計(jì)算成果

2013年3月24日開機(jī)運(yùn)行期間，對(duì)5 種調(diào)試工況搶測(cè)流量5 個(gè)測(cè)次，同時(shí)同步觀測(cè)記錄水位與工情參數(shù)。實(shí)測(cè)流量為114～161 m3/s；上游水位9.71 m 左右，下游水位5.78～5.48 m，站上下游水位差為3.92～4.24 m。通過(guò)計(jì)算，得出淮安抽水二站機(jī)組效率具體數(shù)據(jù)見表2。

3.2 誤差來(lái)源與控制

流量測(cè)驗(yàn)誤差是影響本次成果的主要因素?；窗捕? 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行流量較大，下游引河順直段長(zhǎng)度較短，引河進(jìn)水口成“T”字型。因本次運(yùn)行為單向引水，形成偏流狀態(tài)，加之機(jī)組角度調(diào)整時(shí)間間隔相對(duì)較短，水流脈動(dòng)現(xiàn)象較為明顯，并目測(cè)水面有回流現(xiàn)象，水流的不穩(wěn)定性對(duì)本次流量測(cè)驗(yàn)精度影響較大。

測(cè)驗(yàn)誤差控制的主要途徑:加強(qiáng)測(cè)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)跟蹤與水面現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)，加大流量測(cè)回，同時(shí)有效控制無(wú)線載體運(yùn)行速度。

3.3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在模型泵換算出的原型泵性能曲線上標(biāo)記出來(lái)，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，試運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)每個(gè)角度之間的距離基本一致，0°、+2°、-4°試運(yùn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)和模型泵實(shí)驗(yàn)換算的Q-H 線非常接近，測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。-2°和-6°下，運(yùn)行數(shù)據(jù)與模型泵數(shù)據(jù)距離較遠(yuǎn)，偏差相對(duì)較大，主要原因是模型泵和原型泵葉片角度都存在一定的誤差，還有幾何比尺效應(yīng)。從效率角度而言，根據(jù)試運(yùn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)可知，效率大概在68%左右，而根據(jù)換算綜合特性曲線所示，試運(yùn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)效率在70%左右，大概低了2%左右，這是因?yàn)樵谠囘\(yùn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試的功率是電功率，如果除去電機(jī)損失，則試運(yùn)行試驗(yàn)效率和模型泵裝置效率相當(dāng)。綜上所述，試運(yùn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)和模型泵試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)符合較好。

圖1 ADCP 測(cè)流系統(tǒng)示意圖

圖2 淮安二站測(cè)流位置水下斷面圖

圖3 淮安二站測(cè)流斷面流速分布圖

表2 淮安二站試運(yùn)行期間流量測(cè)驗(yàn)成果表

圖4 試運(yùn)行數(shù)據(jù)與模型泵性能對(duì)照?qǐng)D

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本次改型現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中采用了先進(jìn)的測(cè)試方法和測(cè)試儀器，測(cè)試方法符合泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程要求，得出的結(jié)果真實(shí)可靠；

（2）淮安二站通過(guò)更新改造，運(yùn)行效率和模型裝置試驗(yàn)效率相當(dāng)，滿足設(shè)計(jì)要求，工程效益能夠得到較大提高；

（3）為了充分了解機(jī)組的性能狀況，今后將在實(shí)際運(yùn)行中針對(duì)不同水位組合、不同機(jī)組臺(tái)數(shù)、不同水源調(diào)度模式等對(duì)機(jī)組效率可能產(chǎn)生影響的不同條件加強(qiáng)測(cè)試，在相應(yīng)條件下分別予以率定，確保機(jī)組的運(yùn)行效率得到保證。

［1］湯方平，周濟(jì)人.低揚(yáng)程泵裝置性能的決定因素［J］.排灌機(jī)械，1997，15（1）：12-13，27.

［2］張仁田.低揚(yáng)程泵站裝置特性的理論研究［J］.排灌機(jī)械，1993（3）:17-18.

［3］劉麗君，劉軍.對(duì)提高水泵裝置性能有關(guān)問(wèn)題的再認(rèn)識(shí)［J］.排灌機(jī)械，2004，22（1）:13-15.

［4］須倫根，徐春榮，鄭源.大中型泵站現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用［J］.中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2006，32（5）：29-32.

［5］湯正軍，周濟(jì)人，仇寶云，黃季艷.南水北調(diào)源頭江都第二抽水站原型性能試驗(yàn)研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2005，3（6）：8-11.

［6］馮建軍.ADCP 原理及數(shù)據(jù)處理方法［J］.港工技術(shù)，2007（3）：53-55.

［7］李志敏.ADCP 流量測(cè)驗(yàn)應(yīng)用研究［J］.廣西水利水電，2003（3）：7-10.