南水北調(diào)金湖泵站運行效率研究

（江蘇省洪澤湖水利工程管理處 淮安 223100）

1 工程概況

金湖泵站是南水北調(diào)東線工程的第2 梯級站，抽引下游寶應(yīng)湖金寶航道水入淮河入江水道，再由下級洪澤泵站抽入洪澤湖150m3/s。泵站安裝5 臺套3350ZGQ37.5-2.45 型液壓全調(diào)節(jié)燈泡貫流泵，配套2200kW 同步電機，水泵葉輪直徑3.35m，設(shè)計揚程2.45m，單機設(shè)計流量37.5m3/s。

工程自2012年建成投運以來，已累計運行23700 臺時，抽水32 億m3。受下游寶應(yīng)湖生態(tài)水位和金寶航道通航水位的影響，多年來，工程一直處于偏離設(shè)計工況運行，泵站運行效率偏低，均在40%左右。這與《泵站設(shè)計規(guī)范》中“凈揚程低于3m 的泵站，其裝置效率不低于60%”的標(biāo)準(zhǔn)相差較大。因此，如何提高泵站運行效率，對工程經(jīng)濟運行、降低能耗和節(jié)約成本有著十分重要的意義。

2 運行效率影響原因和分析計算

2.1 計算方法

在泵站工程中，一般用水泵裝置效率η泵裝來衡量泵站的運行效率，計算公式如下：

式中：ρ 為水的密度，取常數(shù)1000kg/m3；g 為重力加速度，取常數(shù)9.8m/s2；Qz為水泵瞬時流量，單位m3/s；H泵裝為抽水揚程，單位為m；P泵為電機瞬時有功功率，單位為kW。

公式簡化后如下：

2.2 因素分析

由計算公式可以看出，泵站裝置效率受水泵流量、抽水揚程和電機運行功率三個因素影響。而導(dǎo)致金湖泵站常年運行效率較低原因主要是以下三個方面：

2.2.1 揚程變大是效率提高的關(guān)鍵因素

金湖泵站下游設(shè)計水位為5.45m，上游設(shè)計水位為7.90m，設(shè)計揚程2.45m，屬于低揚程泵站。因特殊的地域原因，泵站下游引河金寶航道未能與寶應(yīng)湖隔離開，而寶應(yīng)湖平均湖底高程為5.20m，湖區(qū)是大面積圍網(wǎng)水產(chǎn)養(yǎng)殖，養(yǎng)殖所需水深一般為1.50～2.00m，最小水深要求不低于1.00m。

為保證湖區(qū)養(yǎng)殖水位不受影響，泵站抽水運行時，要控制下游水位在6.30～6.50m 之間，泵站抽水揚程就只有1.30～1.60m，遠(yuǎn)低于設(shè)計揚程2.45m，從而導(dǎo)致機組裝置效率偏低。裝置效率與揚程關(guān)系表和變化曲線分別見表1和圖1。

表1中選取了2019年泵站抗旱運行不同時段代表性數(shù)據(jù)，可以看出運行期間上下游水位變化較大，揚程變化范圍較寬，裝置效率變化幅度也較大，為分析計算提供了豐富的有價值的數(shù)據(jù)。

表1 裝置效率與揚程關(guān)系表

計算選取了相同的開機臺數(shù)，確保泵站總流量相同條件下進行分析。結(jié)果可見，泵站裝置效率隨著抽水揚程的增大而不斷提高，裝置效率的提高與揚程的增大基本上成正比例線性增長趨勢。當(dāng)揚程小于1.35m 時，裝置效率較低，偏離設(shè)計規(guī)范要求較多。當(dāng)揚程大于1.86m 時，裝置效率顯著增加，且超過60%，最高為67%，滿足《泵站設(shè)計規(guī)范》中裝置效率的要求。

2.2.2 流量增大導(dǎo)致效率降低

金湖站水泵為液壓全調(diào)節(jié)型，電機轉(zhuǎn)速不變，通過調(diào)節(jié)葉片角度來調(diào)整水泵流量，葉片角度調(diào)整范圍為-6°～+6°。由于水泵功率與流量之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，無法單獨將水泵功率或總流量作為變量進行分析。表2和表3分別選取了1.50m 揚程和1.30m揚程的條件下，單機流量不同的數(shù)據(jù)，分析裝置效率隨單機流量變化呈現(xiàn)的趨勢。

圖1 裝置效率與揚程變化曲線圖

圖2 裝置效率與流量變化曲線圖（1.50m）

圖3 裝置效率與流量變化曲線圖（1.30m）

表2 裝置效率與流量關(guān)系表（1.50m）

圖4 水泵試驗性能曲線圖

在表2和表3中，選取的數(shù)據(jù)中開機臺數(shù)、總流量和開啟的機組并非完全相同，在不考慮各臺機組本身狀況和進出水池水流影響的前提下，由圖2、圖3中裝置效率變化趨勢可以得出：當(dāng)揚程一定時，裝置效率隨單機流量增加總體成降低趨勢。圖2中單機流量大于40m3/s，圖3中單機流量大于42.5m3/s時，裝置效率下降趨勢更加明顯。

表3 裝置效率與流量關(guān)系表（1.30m）

通過查詢水泵試驗性能曲線（圖4）可知，水泵高效區(qū)為35～42m3/s，與表中計算出的裝置效率較高的單機流量基本吻合。由流量曲線可以推算，η最高前，單機流量隨主機功率增大迅速增加，η 達(dá)到最高后，單機流量隨主機功率的增加繼續(xù)增加，但是流量的增大幅度遠(yuǎn)低于主機功率增加的幅度，在η泵裝計算公式中，即Q 與P 的比值迅速變小，裝置效率迅速降低，與圖2和圖3中的裝置效率下降趨勢基本相同。

當(dāng)水泵在低揚程大角度運行時，流量超過設(shè)計流量，由于流道水頭損失h 與流量Q 平方成正比，即h=kQ2，水頭損失隨著單機流量增大而增大，加之揚程H 低于設(shè)計揚程，流道水力效率=1-h/H 大幅度降低，也成為了運行效率降低的主要原因。

3 提高運行效率的措施

3.1 提高泵站揚程

根據(jù)江蘇省政府批復(fù)的《淮安市金湖縣高郵湖寶應(yīng)湖退圩還湖專項規(guī)劃》，金湖縣將清除寶應(yīng)湖湖區(qū)內(nèi)圍網(wǎng)養(yǎng)殖，待退圩還湖完成后，調(diào)水運行時，金湖站站下水位可控制在設(shè)計水位5.45m 左右，對工程運行效率提升作用巨大，從根本上解決了運行效率偏低的現(xiàn)狀。

3.2 優(yōu)化機組運行

當(dāng)現(xiàn)狀上下游水位組合無法達(dá)到設(shè)計水位，實際運行時揚程偏低，管理單位可通過調(diào)整機組流量和功率的方式來提高裝置效率。在滿足調(diào)度流量前提下，優(yōu)化配置運行臺數(shù)和單機流量，依據(jù)水泵性能曲線，調(diào)整最佳葉片角度，盡可能保證機組在高效區(qū)域運行，避免長時間大流量高功率的運行工況，從而提高工程運行效率，降低能耗。

3.3 強化運行管理

管理單位在日常維護管理中，定期進行水泵和流道的水下檢查，開展進出水流道淤積物清理，定期清理水泵進水口攔污格柵，及時打撈河面水草和漂浮物。這些管理措施在一定程度上可以減小局部的水力損失，為提高機組運行效率提供了保障。

4 結(jié)語

作為南水北調(diào)大型的調(diào)水泵站，工程運行時間長，抽水量大，開展泵站運行管理研究，提高機組運行效率是非常有必要的。通過工程運行實踐和技術(shù)研究，得出提高裝置效率措施不僅在于工程設(shè)計與設(shè)備本身，還與科學(xué)的調(diào)度、合理的運行以及日常的維護管理息息相關(guān)■