第一节水泵的超常运行

第一节水泵的超常运行一、水泵超高扬程运行平原湖区轴流泵站通常在外洪、内涝的情况下运行，尽管在设计时一些泵站对在某些不利工况下运行进行过校核，但由于受水环境变化的影响，沿江和湖泊的河床逐年淤高，泵站内、外水位变幅较大，特别是特大洪水期间外江水位居高不下，泵站的扬程超出其设计使用范围，泵站被迫停机，甚至损坏。解决上述问题，可根据各泵站实际情况，分别采取措施。1.调节叶片安装角目前，国产轴流泵口径在300mm以上的，叶片角度可以调节。调节叶片安装角在一定程度上扩大了泵的使用范围，当泵站扬程增高时，可减小叶片安装角，适当减小出水量，以满足水泵在高扬程情况下正常运行的要求。目前国内数量较大、分布较广，口径在1m以下的中小型轴流泵站(一般由乡镇管理)，由于技术力量薄弱，加上调角费时费力(半调)。因此，泵站自投入运转后，很少根据运行条件的变化对泵的正常运行范围进行复核和调节，结果造成能源浪费，泵站发挥不了正常效益。因此，建议加强技术指导，特别是对那些使用不当、扬程超过正常使用范围的泵站，应根据新的运行条件，仔细复核水泵工况，提出相应的技术措施。按照经济、有效的使用原则，一般只有当调角不能满足新的运行要求时，才考虑其它的技术改造方案。2.换泵如果将叶片角度调至最小仍不能满足高扬程的长期运行要求，则可考虑更换成高扬程的水泵，如比转数较低的轴流泵或导叶式混流泵等。更换水泵通常是一种比较省事的办法，但对大中型水泵，要考虑机组配套和流道匹配等因素，因此工程投资较大，机组设备费用较高。另外，在同流量下由于泵的扬程高，泵汽蚀及水力振动的可能性增大，特别是与进、出水流道之间的水力配合问题往往成为换泵的主要矛盾。因此，在原有泵站水工基础上采用换泵的办法来解决高扬程问题，不仅代价较高，而且技术上较复杂，因而一般只适用于中小型轴流泵站。另外，换泵时不仅要考虑在最高扬程时泵站能够安全运行，而且也应该尽可能使泵站能在多年运行中的平均效率较高，对于最高扬程与平均扬程相差甚大的泵站应该充分考虑这一点。3.改换叶轮改换叶轮与换泵优缺点大致相同。不过，改换叶轮仅涉及到泵内的某一部件，因而改造投资可大量节省，通常适用于大中型轴流泵站的修复与技术改造。解决超高扬程问题，必须将泵的现有叶轮更换成比转数较低的轴流式叶轮(在功率不变的条件下，增大扬程，减小流量)。由于将叶轮的扬程提高，叶轮出口的速度或动量矩环量增大，因而要求出口导叶的扩压、消旋功能更强。目前国内叶轮直径2.8m及以上的大型立式轴流泵，导叶固定在出口流道的钢筋混凝土中，因而在改叶轮时更换导叶相当困难。由轴流泵的工作原理可知，叶轮扬程提高后，导叶进口水流的绝对液流角(导叶进口安装角)α3减小，导叶的曲率θ增大。如不换导叶，在同一流量下，水流必将在导叶进口的背面形成旋涡区，从而引起泵的效率降低，出口压力脉动，因此在更换改型叶轮时最好也更换导叶。对更换导叶有困难的，最好与有关研究单位合作，在现有装置条件下尽力寻求改善措施，最终改造方案应该通过模型试验来确定。4.提高水泵转速由相似定律得知，提高水泵转速，可增大泵的流量和扬程，但水泵的轴功率增加，动力机需要增容。对超高扬程的泵站，采用这种方法的关键在于增速方式及变速设备的选择。对小型排灌泵站，由于机组较小，变速容易实现(如调节内燃机进油量，改变皮带轮直径等)。对以交流电动机为动力的，可调节同步转速(分无级的变频调速和有级的变频调速)，或调节转差率(适用于异步电动机，分调节电机定子电压、改变串入绕线式电机转子电路的附加电阻等)两种调节方式。前者属于节能型，后者属于耗能型。对大中型农用泵站，由于机组容量较大，调速设备较贵，因而使用受到一定限制。但是，近几年来结合水泵增速及电动机改造需要，武汉水利电力大学泵及泵站教研室的有关专家主张在更换老化电机线圈的同时，实现增容和调速两项功能。即在进行老化电机改造时，通过减薄绝缘层厚度，加大绕组导线截面，在原电机结构不变的条件下，提高电机功率；同时，采用“丢极”的办法提高电机转速，以适应高扬程时泵站的运行需要。水泵增速后带来的新问题，可能有汽蚀、机组结构强度、轴承寿命以及临界转速的校验等问题。水泵增速还可能使进水流道流态变化，使水泵进口处的流速和压力分布不均匀，从而加剧机组振动。采用这种改造方案，建议与有关研究单位和水泵、电机的生产厂家一道，根据泵站具体情况，商定具体改造方案。二、水泵的超功率运行在特大洪涝灾害发生时，特别需要泵站在超高扬程下尽可能地加大水泵流量。这时往往使水泵的轴功率大大超过额定轴功率，致使配套动力机超载损伤。解决水泵超功率问题的常用方法有减小叶片安装角、降低水泵转速、更换功率较大的动力机、电机增容改造等。1.减小叶片安装角当水泵在高扬程运行时，减小叶片安装角可以有效地降低水泵轴功率，避免机组超载；同样道理，当水泵在大流量工况运行且机组长时间过负荷时，也应将叶片角度调小，以保证机组的安全和正常运转。将叶片角度调小，带来的负面影响是泵的流量减小，因此它比较适用于出现高扬程大流量工况运行时间不长、叶片角度全调的大中型立式轴流泵站。对叶片为半调的中小型泵站，如果因扬程偏高，动力机功率不够用，为了节省改造费用，也可将叶片安装角长期固定在较小的位置。2.降低动力机转速通常只适用于变速容易实现的中小型机组。对大型机组，由于变速设备昂贵，一般很少采用。3.更换功率较大的动力机与降速类似，一般只适用于中小型机组，对大型电机，除非确需增容和更新(如老化和损坏严重，修复不如新买)，否则，一般应尽可能不采用，以免造成不必要的花费。4.电机增容改造结合电机老化改造，采用新材料、新工艺，提高原电机的额定功率。以28CJ56型轴流泵配套的1600kW同步电机改造为例，若仅更换老化线圈，电机额定功率可提高到1800kW，功率提高幅度为12.5%。如同时更换电机的某些部件，如改造定子外壳及铁芯、转子大轴、磁轭、铸钢体、铁芯、推力头、镜板及导瓦等，电机额定功率可达2200kW左右，功率最大提高幅度为37.5%。从电机增容改造的实践来看，该法是成功的，因此它是目前解决水泵超载问题很有推广价值的重要技术措施之一。5.其它技术措施解决水泵短时间过载问题，还可采用一些既经济、又实用的临时措施，如泵站运行避开外江水位的高峰期，水泵运行时在叶轮进口放入少量的空气等。三、加大水泵流量运行考虑排涝泵站自身的特点，设法加大泵站抢排流量对减小排区经济损失意义重大。对已建泵站，增大流量的办法除增加抢排时间外，主要是加大叶片安装角和提高水泵转速。加大叶片安装角是指在电机功率允许的范围内，尽可能地调大叶片角度，使机组满负荷运行，以便使泵站在较短的时间内能排除更多的积水。但是，这种运行方式常常受到外江高水位的限制，亦即高扬程与大流量矛盾，机组容量无法适应。为解决上述矛盾，同时满足水泵在高、低扬程时安全、正常、高效运转的客观需要，结合老化电机的增容改造，采用丢极式的变极方法将电机构成两档转速，是值得研究和推广的一种好方法。仍以与28CJ56型泵配套的1600kW同步电机改造为例，该电机额定转速为150r/min(40极)，若采用丢极式的变极方法增速，为获得旋转各向稳定的磁拉力效应，在圆周均匀地丢掉4个磁极，即丢极后的36极电机转速变为166.7r/min，它比原40极时的转速提高了11.1%。当水泵在该转速档运行时，不仅可使泵的扬程达到10m，而且流量比调角时增大了许多。当电机功率增大到2000kW、水泵在5.6m扬程运行时，可将叶片角度调到+8°，单泵流量可达28.2m3/s，与电机增容前相比(叶片角度为+2°)，流量增加了6.2m3/s，效率提高了1.4%(水泵高效区位于+8°)。此时对于安装10台水泵的泵站共增加流量62m3/s，相当增加了一座8台口径1.6m水泵的泵站。用提高转速的办法来增大泵的扬程和流量，可能存在的主要问题是水泵汽蚀及叶轮进口流态的稳定性受影响等。在采用该方案时，一般应根据装置情况，对泵的汽蚀条件进行复核，当增速后泵的汽蚀条件不能满足要求时，可采用其它措施协同解决，如采取措施改善前池进水流态；在叶轮进口加装前置导轮等。四、轴流泵叶轮淹深不足及改善叶轮进口流态由于水环境变化，前池水位降低，或由于叶轮安装过高，水泵无法在较低的前池水位下工作，这些都属于叶轮淹深不足问题。此外，一些泵站在实际运行中碰到的新问题，对叶轮淹深提出了超常要求。例如，因排灌标准提高，要求水泵在前池尽可能低的水位下也能正常运行(如降低内湖调蓄水位，增大调蓄水量，提高泵站排涝标准；又如降低排区地下水位，旱季提水灌溉等)。另一方面，轴流泵由于流量大，对进口流态的稳定性要求高，如与之配套的进水建筑物设计不良，或因外部环境和工作条件变化太大，都会破坏叶轮进口正常的流动条件，从而给泵站的安全和经济运行带来许多难以解决的问题，如汽蚀，水力振动和噪音，泵的工作效率低，流量扬程达不到样本规定的正常要求等。为解决上述问题，最近几年由武汉水利电力大学泵及泵站研究室提出在轴流泵叶轮(以下称主叶轮)进口加装前置导轮。前置导轮是一种负荷较轻、结构特殊的轴流式叶轮，它与主叶轮同轴旋转，专为其进口水流提供能量。由于导轮安装的位置较低(对立式)，加上结构特殊，导轮本身具有很强的抗汽蚀特征，因而在一定程度上可解决水泵汽蚀及叶轮淹深不足问题。与此同时，由于导轮能强制地改善主叶轮进口流态，使其断面的流速和压力分布得以调整，从而可望消除因流态不良带来的水力振动、性能质量不高等种种问题。导轮可由3～4枚螺旋形叶片和流线形的轮毂组成，它与主叶轮只需靠两轮的轮毂边壁用螺钉连接，而不破坏原泵和机组结构。对大型立式轴流泵，为减轻导轮重量(以改善机组受力条件)，导轮可采用轻质材料，如铝合金、玻璃钢等。理论分析及有关试验表明，这种方法技术上完全可行，其效果已在国内某28ZLB-70型轴流泵站的现场试验中得到初步验证。由于该法技术上不复杂，改造费用低，实施较容易，因而特别推荐各地进一步研究和尝试。五、水泵机组振动及其减振措施在大洪水中，因水泵机组振动现象严重而被迫停机造成“关门淹”的情况较为普遍。有的泵站超常运行时的剧烈振动振破了泵房的玻璃。根据干扰力的不同，可将水泵机组振动分为水力振动、机械振动和电磁振动等三大类，生产实际中振动是不可避免的，不同类型的水泵机组振动总是同时产生，不可能把它们截然分开。诱发这些振动的直接因素也是各不相同的。大洪水时水泵机组的超常剧烈振动的主要干扰力源是水力不平衡，应根据当时的实际情况正确分析原因，抓住主要矛盾切实采取有效的减振措施。1.外江洪水位超高，泵站需要扬程加大，水泵工作在拐点附近的马鞍形不稳定区域。这种振动的主要特征是不稳定和瞬间内的周期性反复。如果这种循环的频率与系统的振荡频率合拍，就有可能诱发共振而造成更严重的破坏，其减振措施主要有：(1)清除局部堵塞，疏通引水、进水和出水等过流通道，一方面改善流态，另一方面尽可能地降低泵站的需要扬程。(2)对于全调节水泵可通过改变叶片角度，调小或加大叶片角度都有可能使水泵工作避开拐点。调小叶片角度时还可以改善水泵的Q～H性能曲线，缩小不稳定工作区。(3)在可能的条件下采用变速调节的方法，改变水泵的工作点至稳定工作区域。(4)中小型水泵可设置旁道管或旁泄阀，控制水泵出口的流量不小于不稳定工作流量。2.外江洪水位超高，有的甚至超高2～3米，在这种情况下启动水泵，其出水流道中的空气难以排出，水流的挟气能力也大大降低。空气的反复压缩膨胀，引起压力脉动，诱发机组振动,严重时机组将无法起动。可针对实际工程情况，采取疏导、改进或增设出水流道的排气设施，提高排气速度和挟气能力，尽量缩短起动过程。3.前池水位过低，改变了进水流态，形成进水挟带表面旋涡和附壁涡带，进入叶轮工作室后被叶片切割而引发振动，其频率与叶片数成正比，且常伴有较大的噪音。通常可采用导流、设置隔板等应急措施来有效减振。4.外江洪水波动较大，出水流态紊乱，波浪压力波反射入出水流道而引发机组振动，应积极采取有效实用的出口防浪减波和稳流措施。5.内涝水(有可能漫过拦污栅)冲挟异物，进入流道乃至叶轮工作室，造成局部堵