離心泵吸上揚程對其抽水性能的影響

賀學讓

在離心泵站運行實踐中，吸上揚程的高低直接影響著泵組運行工況，特別是汽蝕振動的發(fā)生，使其揚程、流量、軸功率和效率急劇下降，能源單耗升高，過流部件損壞，嚴重者不能運行。因此離心泵吸上揚程的確定尤為重要。

1 離心泵在運行中存在的主要問題

從理論上分析，離心泵吸上揚程實際上是利用了大氣壓和水泵葉輪旋轉(zhuǎn)在中心區(qū)產(chǎn)生的負壓強來實現(xiàn)的。吸上真空高度Hs比水泵的吸上揚程H吸多一個吸水管水頭損失h損和水泵進口處的流速水頭。如果水泵在某個流量下運行，則是定值，H吸也近于定值，那么Hs值隨水泵的吸上揚程的增大而增大。由于Hs值是有限的,當H吸增大至某一數(shù)值后，水泵開始發(fā)生汽蝕，此時的吸上真空高度稱為臨界吸上真空高度。為了保證水泵不發(fā)生汽蝕，規(guī)定臨界吸上真空高度減去0.3 m的安全余量，作為允許吸上真空高度。

因此，葉輪中心區(qū)負壓強的大小以不產(chǎn)生水汽化為原則，在水泵允許吸程之內(nèi)確定泵組的吸上揚程。一般由下式確定：

式中，為水泵安裝地點的大氣壓頭，取值見表1；為工作水溫下的飽和汽化壓力水頭，取值見表2；NPSH為水泵的允許汽蝕余量；為吸水管路損失水頭；h損為水泵進口處的流速水頭。

表1 不同海拔高度大氣壓頭值 單位：mH2O

表2 水溫和飽和汽化壓關(guān)系 單位：mH2O

但在生產(chǎn)實踐中，部分泵組常發(fā)生進氣，產(chǎn)生汽蝕、振動現(xiàn)象。通過大量的實驗觀察，產(chǎn)生汽蝕、振動的主要原因：一是進水池側(cè)向進水，輻射角進水的情況，易產(chǎn)生漩渦，水流加雜汽泡進入泵室。二是摻雜樹葉、柴草的水質(zhì)，由于雜質(zhì)改變了水體結(jié)構(gòu)、流態(tài)，在快速流動過程中帶氣一同進入泵室。三是含砂較大的水質(zhì)，由于水的比重發(fā)生變化以及水在高速流動過程中，水與砂的錯位產(chǎn)生氣體進入泵室。四是淹沒深度太小，進水面在大氣壓作用下受力不均勻產(chǎn)生漩渦帶氣體進入泵室。因此，造成了泵組間斷性發(fā)生汽蝕、振動問題。

2 問題分析及對策

理論分析是建立在各種條件完備的基礎(chǔ)上的，但實踐中的環(huán)境、工況條件是比較復(fù)雜的。不但考慮水體汽化產(chǎn)生汽蝕，還要考慮外界客觀條件影響水質(zhì)、流態(tài)而進入氣體產(chǎn)生的汽蝕。如果水泵安裝高程越高，葉輪中心區(qū)產(chǎn)生的負壓強就越大，不但容易引起柴草、含沙產(chǎn)生氣體，更容易使氣流及汽體進入泵室。所以有效降低水泵的安裝高程，縮小離心泵組的吸上揚程,減小泵腔內(nèi)負壓強，能避免產(chǎn)生氣體進入泵室，很好地消除汽蝕、振動，增加水泵出流，降低能源單耗，提高泵組的裝置效率。所以在泵組設(shè)計安裝過程中，視其情況應(yīng)綜合考慮。

3 離心泵組最佳吸上揚程的確定

由以上分析可知，水泵的吸上揚程與汽蝕發(fā)生是一個漸降的過程，事實上，在工程條件允許時，最大限度地降低安裝高程，能有效改善水泵的抽水性能。所以,水泵的吸上揚程H吸在考慮安全余量K時應(yīng)按照以下式計算：

式中，K1為水質(zhì)可吸入柴草雜質(zhì)安全余量0.3～0.5 m；K2為水質(zhì)含沙在8%以下的安全余量0.2～0.6 m；K3為進水池斜角進水或水位變化的安全余量0.3 m。

水泵的最佳吸上揚程由下式確定：

泵組的安裝高程為

4 實例分析

交口抽渭灌溉管理局渠首抽水站一九九二年更新改造五號泵組設(shè)計安裝圖，見圖1。

圖1 1200-22a水泵電機安裝圖

原安裝高程是按照不產(chǎn)生汽化汽蝕原則設(shè)計的，屬地海拔350 m，取0.93 m，水溫 15℃，取0.18 m，1200-22A水泵配套電動機YKK630-12/710 kW，允許汽蝕余量為5.8 m，流量2.75 m3／s，水管阻力損失0.22 m，進水管口流速水頭0.34 m，安全余量0.3 m，吸上高程及安裝高程計算如下：

該泵組安裝運行后，經(jīng)常出現(xiàn)間斷性汽蝕現(xiàn)象，泵腔異響振動嚴重。經(jīng)過長期觀察，汽蝕發(fā)生在柴草含沙較大，運行水位偏低時；當水位達到最高水位或者開啟真空泵排氣后，汽蝕稍有改善，運行平穩(wěn)。在設(shè)計水位時，經(jīng)測試水泵出流為Q＝1.8 m3/s，H凈＝16.35 m，額定電壓為 6 kV，電流為 83 A，功率因數(shù)為0.75，泵組各項參數(shù)遠遠達不到設(shè)計要求。其能源單耗計算如下：

其中，E為每小時耗電量；M為每小時抽水量；e為能源單耗。

計算結(jié)果遠大于《泵站技術(shù)改造通則》規(guī)定的5 kW·h/kt·m以下的要求。

因此，1998年渠首站專項對5號機組進行技術(shù)改造。主要對柴草、含沙及水位變化安全余量進行修正，取0.8 m。泵組安裝高程降低0.5 m，安裝高程為346.19 m。經(jīng)運行觀測汽蝕振動現(xiàn)象消除，泵組運行平穩(wěn)。在設(shè)計水位時，測試結(jié)果為泵組出流2.38 m3/s，H凈＝16.35 m，運行電壓 6 kV，電流為 79.5 A，功率因數(shù)0.77。

其能源單耗為：

能源單耗降低了1.56 kW·h/kt·m,裝置效率提高了34.3%。由于測試時河源含沙較大，泵組出流雖然沒有達到額定流量，但能源單耗降低到規(guī)定值以下，機組運行平穩(wěn)，達到了技術(shù)改造的目的。

該泵組多年平均運行2760 h計，年節(jié)約電能56.6萬度，年多抽水576萬m3，直接經(jīng)濟收益150.6萬元。

5 結(jié)論

通過理論分析及實踐表明，降低離心泵組的安裝高程，能有效消除邊界及水質(zhì)條件引起的汽蝕、振動現(xiàn)象發(fā)生，提高裝置效率，延長水泵過流部件的使用壽命，節(jié)約運行費用。

[1]萬亮婷，袁俊森.水泵與水泵站（第2版）[M].鄭州:黃河水利出版社，2008.

[2]陜西省水利學校.小型水利工程手冊(抽水機站上冊）[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1979.