（农业水土工程专业论文）大型泵站更新改造策略及技术的研究.pdf

摘要 摘要 2 0 0 3 年，水利部对全国1 4 个省( 自治区) 的大中型泵站进行了典型调研， 并对全国3 2 个省( 自治区、直辖市) 的大中型泵站进行了普查，调查发现，水 利泵站的形势不容乐观，建设标准偏低、泵站严重老化、泵站负担沉重等问题十 分突出，大批泵站急需更新改造。 大型泵站的更新改造工程是一项综合性的系统工程，实施改造前应对泵站水 文、水资源情况进行全面的调查研究，对泵站的设计参数和技术经济指标进行全 面复核，及时调整，以适应变化了的情况。在此基础上，由专业机构对泵站进行 模型试验及现场测试，对泵站的技术状况做出分析判断。再对水泵、电动机及传 动装置、进出水管( 流) 、进出水建筑物中需要改造的环节进行技术改造，确保 泵站效率的提高。 由此可见，在大型泵站更新改造过程中，其改造的策略和技术就显得尤为重 要。大型泵站的更新改造策略主要包括水泵技术改造、电动机及传动装置技术改 造、进出水管( 流) 道改造、进出水建筑物的改造等方面。因此，泵站改造的效 果取决于水泵技术改造、电动机及传动装置技术改造、进出水管( 流) 道改造、 进出水建筑物的改造等方面效果。 同时，泵站模型试验作为泵站更新改造过程中不可或缺的技术环节，也具有 十分重要的作用。根据泵站更新改造的实际情况和目标，进行模型设计和试验， 以便正确研究和制定泵站更新改造方案和技术措施。另外，为了便于大型水泵及 泵站新技术的研究和发展，也需要进行泵站模型试验。 本文主要从泵站的技术改造方面，对大型泵站更新改造策略和泵站模型试验 技术进行了研究，并在此基础上，结合安徽上桥泵站加固改造工程，分析了大型 泵站更新改造的具体方法和措施，总结规律，为大型泵站的更新改造提供宝贵参 考。 关键词：泵站；更新改造；模型试验；上桥抽水站 a b s t r a c t h y d r a u l i cd e p a r t m e n to n c ec a r r i e do u tat y p i c a lr e s e a r c ht ol a r g ea n dm i d d l e s c a l ep u m p i n gs t a t i o n sf r o m1 4p r o v i n c e s ( i n e l a u t o n o m yd i s t r i c t s ) a n dg e n e r a l i n v e s t i g a t i o nf r o m3 2p r o v i n c e s ( i n e l a u t o n o m yd i s t r i c t sa n dm u n i c i p a l i t i e s ) i n2 0 0 3 h o w e v e r , t h er e s u l tm a n i f e s t e dv e r yn e g a t i v ec o n d i t i o no ft h ep u m p i n gs t a t i o n ，s u c h 勰l o wl e v e lo f b u i l d i n gs t a n d a r d s e r i o u sa g i n ga n dh e a v yb u r d e no f t h e s es t a t i o n se t c t e c h n i q u ei m p r o v e m e n ti su r g e n t l yn e e d e dt ol a r g eq u a n t i t i e so fp u m p i n gs t a t i o ni n o u rc o u n t r y t e c h n i q u ei m p r o v e m e n to fl a r g es c a l ep u m p i n gs t a t i o ni sa ni n t e g r a t e da n d s y s t e m a t i cp r o j e c t f i r s t l y , b e f o r ei m p r o v e m e n t , c o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o nn e e d st o b ed o n eo np u m p i n gs t a t i o nh y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s a sw e l la so v e r a l lc h e c k o np u m p i n gs t a t i o nd e s i g np a r a m e t e ra n dt e c h n i c a li n d e x ，i no r d e rt oa d a p tf o rn e w c o n d i t i o n b a s e do nt h i sw o r k ，s p e c i a l i s t sd om o d e le x p e r i m e n ta n dt e s to ns i t e t o a n a l y z et h ep u m p i n gs t a t i o nt e c h n i c a lc o n d i t i o n t h e nt e c h n i q u ei m p r o v e m e n tc a nb e c a r r i e do u tt ot h o s ep a r t s ，w h i c hn e e dt ob ei m p r o v e d ，i np u m p ，e l e c t r i cm o t o r , d y n a m i ct r a n s m i s s i o nd e v i c e , i n l e ta n do u t l e tp e n s t o c k ( c h a n n e l ) ，i n l e ta n do u t l e t b u i l d i n g , t oe n s u r et h ee f f i c i e n c yo f p u m p i n gs t a t i o n i ti ss u g g e s t e dt h a ti m p r o v e m e n ts t r a t e g ya n dt e c h n i q u ei sav e r yi m p o r t a n tp a r t i nt h et e c h n i q u ei m p r o v e m e n to fl a r g es c a l ep u m p i n gs t a t i o n s t r a t e g yo fl a r g es c a l e p u m p i n gs t a t i o nt e c h n i q u ei m p r o v e m e n tm a i n l yi n c l u d e si m p r o v e m e n to np u m p ， e l e c t r i cm o t o r , d y n a m i ct r a n s m i s s i o nd e v i c e ，i n l e ta n do u t l e tp e n s t o c k ( c h a n n e l ) ，i n l e t a n do u t l e tb u i l d i n ge r e a sar e s u l t ，t h ee f f e c to fp u m p i n gs t a t i o n t e c h n i q u e i m p r o v e m e n td e p e n d so ni m p r o v e m e n t so nt h e s ed e v i c e s m e a n w h i l e , a sa ni n d i s p e n s a b l et e c h n i c a lp a r to f t h i sp r o g r e s s ，m o d e le x p e r i m e n t o np u m p i n gs t a t i o na l s oh a sg r e a te f f e c t m o d e ld e s i g n i n ga n de x p e r i m e n ti sc a r r i e d o u ta c c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a t i o na n dp u r p o s eo fp u m p i n gs t a t i o n t e c h n i q u e i m p r o v e m e n t ，i no r d e rt or e s e a r c hp r o p e r l ya n dm a k et h es t r a t e g ya n dt e c h n i q u e m e t h o d b e s i d e s ，m o d e le x p e r i m e n ti sa l s on e e d e di no r d e rt od e v e l o pn e wt e c h n i q u e f o rl a r g es c a l ep u m pa n dp u m p i n gs t a t i o n t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt e c h n i q u ei m p r o v e m e n ts t r a t e g ya n dm o d e l e x p e r i m e n tt e c h n i q u eo fp u m p i n gs t a t i o n ，t h e nc o m b i n i n gw i t hs h a n g q i a op u m p i n g s t a t i o ns t r e n g t h e n i n ga n di m p r o v e m e n tp r o j e c t ，f n r t h e ra n a l y s e st h es p e c i f i cm e t h o d o fl a r g es c a l ep u m p i n gs t a t i o nt e c h n i q u ei m p r o v e m e n t , a n ds u m m a r i z e sr u l et os e r v e 嬲ar e f e r e n c e k e yw o r d s ：p u m p i n gs t a t i o n ；t e c h n i q u ei m p r o v e m e n t ；m o d e le x p e r i m e n t ；s h a n g q i a n p u m p i n gs t a t i o n ； 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 4 - l 茸毒l j 7 弘产l 月7 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者c 签名，：耳l 孙7 6 7 年占月7 日 第一章绪论 1 1 泵站改造的背景意义 第一章绪论 泵站作为我国水利工程的重要组成部分，在解决洪涝灾害、干旱缺水、水 环境恶化等方面起着不可替代的作用，承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调 水和供水的重任，在我国国民经济可持续发展和全面服务于小康社会的建设中， 占有重要地位。机电排灌工程承担了我国4 l 的农田灌溉和7 0 的农田排涝任 务，同时在跨流域调水、城市供排水、城镇防洪、改善水环境、交通航运中发 挥着极为重要的作用。初步估计，目前我国排灌动力已达7 0 2 0 万k w ，大、中、 小型固定泵站的数量已超过5 0 万座，固定泵站装机容量己超过2 3 0 0 万k w 。 担负着全国1 4 0 0 万h m 2 的农田灌溉和1 2 0 0 万h m 2 的农田排涝及1 0 0 0 个以上大 中城市和小城镇的防洪、供水任务“删脚。 随着我国大中型泵站的发展，尽管全国机电排灌总动力和总效益面积年年 在增加，但机电排灌单位功率效益面积却逐年下降，抗御自然灾害的能力逐步 减弱。1 9 4 9 年至1 9 8 0 年，单位功率效益面积从3 5 4 9h m 2 k w 降到0 5 6 8 h m 2 k w ， 1 9 9 6 年则降到0 4 8 4 h m 2 k w 。其中重要原因是泵站老化现象严重。我国约有2 3 的泵站建于2 0 世纪六七十年代，机组台数占“3 ，装机容量占5 5 7 ，受当 时经济社会条件的限制，不少工程分期设计与施工，质量难以保证。另一方面， 上世纪六七十年代兴建的泵站自建站以来均担负着繁重的灌排、调水任务，年 运行时间长，特别是经过三四十年的运行。许多泵站都在超期运行，不少泵站 出现了拼设备、拼工程的局面。机组、电气设备和工程设施老化严重，不少机 泵和电气设备均已成淘汰产品，隐患缺陷较多。 2 0 0 3 年，水利部对全国1 4 个省( 自治区) 的大中型泵站进行了典型调研， 并对全国3 2 个省( 自治区、直辖市) 的大中型泵站进行了普查，根据调查区域 的特点、泵站分布状况，重点调研的地区包括西北地区的高扬程提灌泵站、长 江中下游地区的大中型排涝泵站以及东北易涝地区的排灌结合泵站。调查发 现，水利泵站的形势不容乐观，建设标准偏低、泵站严重老化、泵站负担沉重 等问题十分突出，大批泵站急需更新改造“1 。 在大中型离心泵站中，经过2 0 多年的运行，普遍存在着老化失修等问题。 引黄泵站的运行环境恶劣，泥沙磨损、水泵空蚀破坏严重，机组振动加剧，工 作性能下降，能耗增加，造成水泵过流部件的过早破坏，大大缩短了维修周期， 增加了维修工作量。 捧灌泵站中使用得较多的是轴流泵和双吸式离心泵，大中型泵站中8 8 的 此类水泵使用期都在2 5 年以上，超过水利部规定的使用年限，水泵老化相当严 河海大学硬士学位论文 重，叶片空蚀磨损，轴承破裂，大轴弯曲，口环损坏，泵壳破裂，振动加剧， 许多水泵都是在带病勉强运行，虽经多次大修仍然很难恢复到泵的设计性能。 在江苏省，除江都一、二站已相继改造外，江都三、四站，淮安站，茭陵 站等每台机组运行都在几万小时以上。有些站，如临洪西站等虽然运行小时数 很少，但水泵工作条件恶劣，都已到了更新换代的时候。中型泵站水泵老化和 损坏的情况比大型泵站更严重。这些站由于经费和技术水平的限制，不少水泵 长期没有大修，叶片断裂磨蚀，泵轴弯曲，轴承损坏。解台站、刘山南站、房 山站、芝麻站等的水泵均损坏严重，水泵老化系数已达0 8 o 9 。 湖北省有大型泵站7 3 座，运行1 5 年以上的占7 5 ，2 0 年以上占6 3 ， 综合老化率在7 0 以上。湖南省统计，洞庭湖区因设备老化影响泵站正常运行 的占装机总台数的2 0 4 0 。江西省亟待更新改造的泵约占全省泵站总数的 2 3 以上。 由此可见，我国大中型泵站更新改造形势迫人，在我国现有的近5 0 0 座大 型泵站中，有3 8 0 座泵站严重老化，设备严重损坏，急需进行更新改造。其中 需要拆除重建的有1 5 0 座，约占3 9 5 ；需要更新主机泵、电气设备和对建筑 物进行大修加固的有2 3 0 座，约占6 1 5 ；需要更新的主电机、主水泵约5 1 6 0 台套，需要更新大型变压器5 0 0 台，需要各种高低压控制柜1 2 9 0 0 块。在我国 现有的近5 0 0 0 座中型泵站中，有4 1 0 0 座泵站严重老化，设备严重损坏，急需 进行更新改造。其中需要拆除重建的有1 9 0 0 座，约占4 6 5 ：需要更新主机泵、 电气设备和对建筑进行大修加固的有2 2 0 0 座，约占5 3 5 ；需要更新主电机、 主水泵约5 5 0 0 0 台套，需要更新大中型变压器4 0 0 0 台，需要各种高低压控制柜 l l 万块嘲。 1 2 泵站改造的成效 1 9 8 5 年水电部颁布s d l 4 0 - - 8 5 泵站现场测试规程和s d l 4 1 - - 8 5 泵站 技术改造通则。2 0 0 0 年水利部颁布了s l 2 5 4 - - 2 0 0 0 泵站技术改造规程和 s l 2 5 5 - - 2 0 0 0 泵站技术管理规程，以取代原s d l 4 t - - 8 5 泵站技术改造通则 和原泵站技术规范中的管理分册”1 。1 9 9 7 年国家标准g b t 5 0 2 6 5 - - 9 7 泵 站设计规范颁布，取代原泵站技术规范中的设计分册等相关法规，使泵 站技术改造有的放矢，在国民经济建设中更好地发挥作用。 随着泵站测试技术、泵站节能技术等科技图书的出版，全国泵站科 技信息网网刊泵站技术杂志发表了一系列关于泵站技术改造方面的文献资 料。同时，在水利系统内广泛开展技术培i ) l i ，每年定期举办全国泵站信息交流 会等学术交流活动，为泵站现场测试和节能技术改造提供了理论和科学依据， 促进了泵站改造的技术进步。 2 第一章绪论 为了探索不同地区，不同类型泵站技术改造经验，水利部农水司先后在各 地进行了试点。如江苏省的武进、漂阳、丹徒以及江都排灌站等；浙江省的杭 嘉湖、温州、瓯海等；江西省南康县及章江水轮泵站；湖北省排湖、闸口、北 泾嘴、汤逊湖泵站等大、中、小型和高、低扬程不同类型的泵站节能节水技术 改造试点，探索了一套行之有效的技术改造经验和具体措施，为全国泵站技术 改造的全面和健康发展奠定了基础。 在普查、普测和试点的基础上，全国各地开展了较大规模的泵站技术改造 工作，并收到了显著成效，特别是在节约能源蜘洲”1 ，提高泵站的运行可靠性， 扩大效益，促进社会持续发展等方面。例如江苏省，1 9 8 1 年以来测试泵站3 万 余座，装机1 0 2 万k w ，改造泵站2 3 万座。改造后的装置效率提高l o 1 5 。由于装置效率的提高，增加排灌流量6 9 8 m 3 s ，相当于减少建设资金1 7 4 5 亿元，改善或扩大排灌面积1 3 0 6 万亩。年创社会产值4 8 9 亿元。增加利税6 1 1 4 万元。 1 3 泵站改造存在的问题 从全国各地泵站改造的文献资料“”“”可以看出，我国的泵站改造取得了 很大成绩，但我们更应看到，技术改造的步伐仍然很缓慢，大部分地区的改造 速度远远跟不上设备老化速度。泵站改造主要存在技术和政策两方面的问题“”。 t 1 3 1 技术方面的问题 ( 1 ) 设备老化问题没有得到根本解决“。建站己达3 0 4 0 年，但没有改 造的泵站所占比例很大，水泵汽蚀、磨损，能耗大，流量减小，电机绝缘老化。 影响安全等的现象仍很普遍。 ( 2 ) 泵站技术改造的规则，还有待于进一步完善。近年来，各地对泵站改 造进行过一些规划工作，但多方面分析论证还不够，规划数据的依据不足，实 施后的差距很大。 ( 3 ) 优化选型和优化设计技术还不普及，机组选型和配套不合理的现象仍 然存在“”。如水力模型不完善，水泵扬程档次仍不能满足实际需要；电机效率 和功率因数不高；由于调速电机价格高，有的水泵叶片调节机构不灵活，使机 组调节性能差，无法满足节能和安全运行的要求。 ( 4 ) 用三维流动计算方法分析水泵和流道内的流态的工作已经取得了重要 成果，但尚未得到普遍重视和广泛应用。 ( 5 ) 泵站泥沙“三害”问题没有得到很好解决，对水泵、阀门及管道的磨 损造成的危害仍然是一个严重的问题“玎。泥沙淤积严重；拦污栅设计不合理， 水草堵塞严重等。 河海大擘磺士学位论文 1 3 2 政策方面的问题 缺乏必要的政策支持，没有固定的资金来源，泵站投资体系和运行机制不 健全。由于长期没有解决水费合理征收问题，特别是一些公益事业的排水站， 征收水费的困难更大。不少泵站职工基本工资都无法保证的情况下，根本没有 技术改造的能力。 宣传不到位，缺少对泵站改造的重要性和紧迫性认识。泵站是现代水利的 重要体现和标志，是为灌溉排水新技术提供动力的核心设备。在传统水利向现 代水利转变、传统农业向现代农业转变过程中，泵站在社会和经济持续发展中 扮演着重要的角色。由于缺乏对泵站重要性的认识，对泵站改造重视不够。 随着国民经济和现代化技术的发展，特别是计算机和通讯技术的发展，为 泵站现代化水平的提高打下了基础。过去些大型泵站在设计时考虑了自动化 问题，但由于实用性考虑不够，没有充分发挥其节能和保护的监控作用。因此， 一旦出现故障后得不到及时维修，很快就处于瘫痪状态。 伴随经济的发展，很多泵站不仅为农业服务，还增加了城乡供水、环境保 护、跨流域调水等功能，泵站任务有所加重“”。但随着自然条件的不断变化， 如泥沙淤积、水位变化、水质污染等给泵站改造带来更大难度。因此，认真研 究各种条件的变化，协调各方面的利益和相应的技术措施是非常必要的。 此外，管理技术人员素质和工作环境差，工资待遇低，人才流失严重问题 亟待解决。 1 4 主要研究内容 本文在对泵站更新改造策略和泵站模型试验技术研究的基础上，结合安徽 上桥泵站加固改造工程，分析了大型泵站更新改造的具体方法和措施，总结规 律，为大型泵站的更新改造提供宝贵参考。由于水平和时间有限，论文主要完 成了以下研究工作： 1 大型泵站更新改造策略 大型泵站的更新改造策略主要包括水泵技术改造、电动机及传动装置技术 改造、进出水管( 流) 道改造、进出水建筑物的改造等方面。泵站效率又是与 水泵效率、电动机效率、传动效率、管路效率和进出水池效率密切相关的，因 此，泵站改造的效果决定于水泵技术改造、电动机及传动装置技术改造、进出 水管( 流) 道改造、进出水建筑物的改造等方面效果。 2 泵站模型试验技术 泵站改造前应准确地掌握泵站技术参数，以便正确研究和制定泵站改造方 案和技术措施，泵站改造后应通过验收来考核泵站是否达到预期目标，同时为 4 第一章绪论 了便于大型水泵及泵站新技术的研究和发展，需进行泵站模型试验。 3 安徽上桥泵站加固改造工程分析 安徽上桥泵站加固改造工程具有巨大的社会效益和显著的经济效益，是一 项利国利民、造福后代的工程，其改造的主要内容为水泵、电机、金属结构、 厂房等工程的改造。本文通过对该工程更新改造具体方法和措施的分析，总结 规律，为大型泵站的更新改造提供宝贵参考。 5 河海大学硕士学位论文 2 1 水泵技术改造 第二章泵站更新改造策略 水泵是泵站中最主要的设备。水泵的性能直接影响泵站的能源消耗、安全 运行和维护管理。而能源消耗和维护管理直接影响泵站的运行费用。如果泵站 的安全运行无法得到保障，则会威胁到人身和设备安全，不但影响泵站自身的 经济效益，也会影响到当地社会效益的发挥。 另外，水泵的各项性能指标，是随运行时间的增加而逐渐衰减的。例如， 随着运行时间的增加，叶轮、泵轴、密封、轴承等部件因机械磨损、泥沙磨损、 化学腐蚀等原因将会改变其尺寸，从而影响水泵性能指标。各受力部件的疲劳 破坏将会影响其强度，可能造成设备损坏。因此，水泵和其他机械设备一样， 都存在自然老化现象和更新改造问题。 在泵站改造中，水泵改造将会影响动力机、传动装置、管路等部分的改造， 因此，泵站改造应该把水泵改造作为重点，进行多方案比较后选择最优方案。 2 1 1 水泵改造途径 根据多年运行及泵站现场测试结果，对于效率低、能耗高的水泵应进行技 术改造。而水泵效率包括机械效率、容积效率和水力效率，影响这些效率的因 素有很多，因此，水泵改造的途径也是多方面的，应根据泵站的具体情况和用 户的实际需要决定其改造方案。 1 设计或选择优质的水力模型 优质的水力模型具有以下特点：水力性能好，流量大；效率高，高效区范 围宽；工况调节范围宽，可适应不同排灌工况的需要；泵空蚀性能好。 2 更换水泵零部件 对于以下情况，可以考虑更换零部件：原型号的水泵指标可以满足复核 后的泵站要求，而且目前尚无更好的替代产品；磨损严重的零部件不多，而 且市场上可以买到。 3 更新水泵 更新水泵就是购买与原来型号相同水泵替换报废的水泵。通常考虑以下因 素：原型号的水泵指标可以满足复核后的泵站要求，而且目前尚无更好的替 代产品；原泵自然老化严重，实际使用年限超过国家规定的寿命年限：叶 片和泵壳等过流部件的泥沙磨损和泵轴、轴承的机械磨损严重；零部件无法 修复或修复的零件多，修复价格接近新泵的价格。 4 改变叶轮直径 6 第二章泵站更新改造策咯 对于离心泵和部分低比转数混流泵在以下情况可以考虑采用改变水泵叶轮 直径的方法：原型号的水泵指标与复核后的泵站指标不符；原水泵在额定 工况点的流量、扬程都大于泵站实际需要，而且运行效率很低；泵站的运行 工况变化幅度不大。 5 改变叶片角度 对于大中型轴流泵和导叶式混流泵，常采用半调节和全调节叶片调节结构， 当原型号的水泵指标与复核后的泵站指标不符时，可以通过改变水泵叶片角度 的方法来改造水泵，以达到高效和安全运行的目的。 6 改变水泵转速 采用改变水泵转速的改造方法时应考虑以下因素：原型号的水泵指标与 复核后的泵站指标不符；泵站的运行工况变化幅度大，无法用恒定转速来满 足各种工况下的高效运行；原水泵在额定工况点的流量、扬程都大于泵站实 际需要，而且运行效率很低；有可能通过动力机或传动装置改变水泵转速， 而且相对于其他措施是经济的。 7 选择新泵型 如果原来的泵站参数有所变化，或原来所选的水泵不合理，而且用上述改 变水泵转速、改变叶轮直径或改变叶片角度等方法都无法达到经济和安全运行 的目的，应该考虑重新选泵的方案。如果市场上没有合适的泵型，可以委托有 关部门进行新泵的研制。 2 1 2 设计或选择优质的水力模型 8 0 年代以来，我国的科研单位按照i s o 国际标准，研制了一批离心泵、轴 流泵和混流泵模型，其性能达到了国际先进水平。这些水力模型在设计方法上 综合考虑了影响水泵性能的多种因素，如叶轮旋转运动对叶片表面边界层的影 响，进出口速度环量沿半径分布规律，叶轮进口前实际水流运动对转轮性能的 影响等，在原设计方法的基础上进行了修正，使新叶轮更切合实际，取得了明 显的效果。下面介绍的部分优秀水力模型，比较适合大、中型泵站更新改造 的需要。 1 轴流泵水力模型 ( 1 ) z b m 9 8 1 5 0 0 ( 表2 - - 1 ，矗= 1 4 5 0 r r a i n ，d = 3 0 0 m m ) 表2 1z b m 9 8 1 5 0 0 主要性能参数 7 柯海大学硬士学位论文 ( 2 ) z b m 9 5 1 - - 7 5 0 ( 表2 2 ，n - - - - - 1 4 5 0 r m i n ，d = 3 0 0 m m ) 表2 2z b m 9 5 1 - - 7 5 0 主要性能参数 ( 3 ) z b m 7 9 1 1 0 0 0 ( 表3 - - 3 ，= 1 4 5 0 r m i n ，d = 3 0 0 m m ) 表2 3z b m 7 9 1 1 0 0 0 主要性能参数 该叶轮于1 9 7 9 年研制成功，在国内获得广泛应用，在1 0 0 0 比转数的转轮 中，仍不失为优质的水力模型，在大、中型泵站更新改造中继续发挥作用。 ( 4 ) z b m 9 3 1 1 3 5 0 ( 表2 4 ，甩= 1 4 5 0 r m i n ，d = 3 0 0 m m ) 表2 4z b m 9 3 1 1 3 5 0 主要性能参数 8 第二章泵站更新改选簟略 该水力模型具有扬程低、流量大、效率高的特点，已成功应用于江苏省望 虞河泵站。 2 低扬程轴流泵水力模型 近年来，在沿江一带新建的排涝泵站扬程很低，净扬程仅为1 5 2 0 m 。为 此介绍一些可供选用的泵扬程在3 m 以下新研制的优质水力模型。 表2 5低扬程水力模型( = 1 4 5 0 r m i n ，d = 3 0 0 m m ) 3 立式导叶式混流泵水力模型 在丘陵山区或梯级调水中。少数泵站扬程可考虑选用优质的立式导叶式混 流泵水力模型。 表2 6混流泵水力模型( 叶片角度0 。) ( h = 1 4 5 0 r m i n ) 4 高比转数低扬程混流泵水力模型 混流泵通常用降速方案来提高效率，但会使流量减少、效益下降。近年来， 已研制成功一些高比转数( 吃= 5 0 0 ) 的混流泵水力模型 9 河湃大学硬士学位论文 2 1 3 改变叶轮直径 车削叶轮是一种简单而又省钱的水泵节能措施，特别适合于泵站扬程变化 很小，但偏离水泵额定扬程甚远的离心泵。 1 车削定律 q o ：丝 ( 2 1 ) qd 2 鲁= ( 封( 2 - - 2 ) 日 ld ，j 等= ( d z o ( 2 - - 3 ) d 式中：d 2 一叶轮外径。 ( 2 - - 1 ) 式、( 2 - - 2 ) 式和( 2 - - 3 ) 式就是适用于车削前后工作参数的换算 公式( 下标a 表示叶轮车削后的参数) ，称为车削定律。但是，车削后的叶轮和 车削前的叶轮实际上是不相似的，特别是车削量较大时更是如此。因此，按( 2 1 ) 式、( 2 - 2 ) 式和( 2 - 3 ) 式的计算结果和通过试验而得的结果具有一定 的误差。为了使计算值更符合实际，一般需要对计算值进行修正。修正的方法 有两种嘲1 ： ( 1 ) 修正工作参数： 立：丝鱼 ( 2 4 ) qd 2e 丛：f 堕 2 盟( 2 - - 5 ) 日ld 2 ，jt g 2 1 0 第二章泵站更新改造簟略 式中：e 。、e 一叶轮车削前后的叶轮出口处的过流面积： 厦。、屈一叶轮车削前后的叶片出口角。 ( 2 ) 修正车削量： 若按( 2 一i ) 式或( 2 2 ) 式计算所得车削后的叶轮直径为d 2 。，则实际 车削量d ，应该按下式计算： d 2 = i c ( 0 2 一d 2 。) ( 2 6 ) 式中：置一修正系数，应该通过试验加以确定。 图2 1 是国外提供的有关资料，在缺乏试验资料时可供参考。“。 菇 蛾 毫 辑 漆f 2 二= ? 一橱霹 nx口jj 0 瓣e = = 惫g6-_：= 0 , 2 t l l 一一l 一l 。一1 一l j 一一 图2 1 车削量修正系数k 与比转数雄，的关系 此外，也可按图2 - - 2 的方法修正，其中车削比为d 2 。d 2 ，将叶轮直径计 算车削比换算为实际车削比，即可计算出实际车削量【“。 1 美 丑 疑 * 蝮 林 聪 涮 辑 吉 夕 彭 5 形 5 0 0 允许工作扬程 1 5 3 51 0 1 53 91 3 一般变幅( m ) ( 2 ) 选择部件易于更换的泵。在多沙水源上运行的水泵，过流部件磨损严 重，目前尚难避免。多数泵站为了保持水泵一定效率，采取的措施是及时更换 部件、或在固定部件上涂抗磨材料。根据一些泵站的运行经验，卧式泵优于立 式泵，离心泵优于轴流泵，对于轴流泵，干式型泵房优于湿式泵房。 ( 3 ) 单泵容量不宣过大，台数不宜过少，否则运行管理不便“。多沙水源 的泵站，由于泥沙问题，运行管理问题比较突出，如果选择单机容量过大，起 动、停机对电网影响较大，停泵一台对灌溉影响也比较大，泵件较重，拆、吊、 装技术复杂费时间。如东雷泵站，装机2 台，单泵电动机功率达8 0 0 0 k w ，单 泵流量2 4 m 3 s 。每次起动、停机需提前数日向电网联系取得同意，因容量大 起动较困难而复杂：检修一次需数日，因此据一些运行情况较好的泵站经验看， 单泵功率不宜超过2 5 0 k w ，水泵台数不宜少于5 台。 1 9 河海大学磺士学位论文 ( 4 ) 大小水泵配合，以适应流量变化。灌溉用水因各种因素影响，流量变 化频繁，特别是多级抽水泵站联合工作，上下级水量平衡更为复杂。选用大小 泵配合运行，可调节水量，以减少壅水、弃水，并有利于前池防淤。 ( 5 ) 应考虑水泵特性的变动，在多沙水源中，由于泥沙的磨损，水泵叶轮 外径逐渐变小，据一些黄河抽水泵站资料，叶轮一般运行5 0 0 1 5 0 0 h ，叶片长 度磨损3 0 8 0 m m ，出水量减少，叶轮需进行更换。更换新叶轮后出水量又达 到设计值。由于叶轮由大变小，所以水泵的特性也在改变。因此，在多沙水源 上进行泵站设计时，需考虑水泵工况点的变动问题。 ( 6 ) 不能片面追求泵的效率和流量指标，而忽略泵的空蚀性能”，特别在 进行轴流泵的选型时，更应注意到轴流泵的抗空蚀性能，一般应使水泵的设计 转速n 与水泵叶轮直径j d 的乘积n d 值不大于4 3 5 。 ( 7 ) 小型轴流泵宜采用肘型弯吸水管进水。在进水管进口装设闸门，不运 行时关闸，可防淤积并且有利于减少水泵磨损与汽蚀。 ( 8 ) 对于扬程高、管道长的泵站，采用水泵并联工作时，应在阀后支管段 设排沙管道等设施。 ( 9 ) 在多沙水源上，对水泵的进、出水闸阀，宜选用明杆式闸阀，不宣选 用暗杆式闸阀。因暗杆式闸阀螺纹部分在泥沙水中旋转，泥沙磨损螺纹影响闸 门寿命。明杆式螺纹在门体外，不受泥沙磨损，又可上油保养，使用寿命长。 此外，多泥沙水源的泵站，由于水泵受泥沙磨损，更换部件比较频繁。为 了保证供水，需考虑一定数量的检修备用装机容量。从一些黄河抽水泵站的运 行情况看，检修用容量约占总装机容量的1 5 2 0 ，在此情况下，汛期灌溉 用水可不受影响。 2 1 7 水泵磨蚀改善 1 水泵磨蚀成因分析 ( 1 ) 固体颗粒对过流表面的冲击作用。磨损造成的原因是掺混在流体中的 固体颗粒对过流表面进行冲击作用，致使材料表面依次产生弹性变形和塑性变 性，经过固体颗粒的反复冲击，使材料发生疲劳破坏，造成表面材料的脱落m 3 。 磨损轻微时有集中的沿流动方向的划痕和麻点；磨损严重时表面呈波纹状或沟 槽状痕迹，并常连成一片如鱼鳞状的磨坑。磨损强烈发展时，可使部件穿孔， 成块崩落。破坏程度和痕迹与材料的性质有关，脆性材料如铸铁和铸钢等易脱 落，划痕就严重。 ( 2 ) 汽蚀与磨损的联合作用。离心泵与输送含尘气体的离心式风机所受破 坏的原因相同之处是颗粒冲击表面，不同之处在于汽蚀，汽蚀是泵内压力低于 液体的汽化压力时产生汽泡，汽泡在泵内壁面处由于压力升高而溃灭，小液滴 第二章泵站更新改造策略 就像无数小弹头一样，连续地打击金属表面( 其撞击频率高达2 0 0 0 3 0 0 0 h z ) ， 金属表面因受冲击疲劳而剥落，造成材料的损失。如果同时液体中再有固体颗 粒受汽蚀带动冲击金属表面，这种破坏既有液滴的冲击又有沙粒的冲击是汽蚀 与泥沙磨损的联合作用。它们相互促进，互为因果，加剧了破坏进程，称为磨 蚀1 。在这种情况下很难区分是磨损破坏还是汽蚀破坏。可见磨蚀破坏与纯汽 蚀或纯磨损相比是最严重的。叶片进口最先穿孔就是此因。而且固体颗粒冲击 金属表面应该又比液滴冲击严重。小水洞实验也表明，当泥沙含量为0 5 时， 受汽蚀与磨损联合作用的试件失重量为纯汽蚀的8 5 倍，为纯磨损的3 2 倍，纯 磨损又为纯汽蚀的2 7 倍。由此，消除汽蚀可以减轻破坏而消除泥沙更可减轻 破坏。 2 固体颗粒在叶轮中的运动分析 液体在有限叶片数叶轮和无限叶片数叶轮中的流动状态差别很大。无限叶 片数时，叶片间的间距极小，液体受到叶片严格的约束，只能沿叶片从叶轮中 流出，液体相对运动流线和叶片形状完全一致，如图2 6 中a 所示。有限叶片 数叶轮中，相邻叶片间形成宽阔的流道，液体的流动不可能完全被叶片所约束， 由于液体的惯性作用在叶片闯还有一个与叶轮角速度方向相反的轴向漩涡运 动，如图2 6 中b 所示。叶轮中液体的实际流动可以近似地认为是以上两种运 动之叠加。 固体颗粒在叶轮中的运行轨道取决于颗粒的密度“”，如图2 6 ，轨迹1 对 应于细小颗粒和纯水的流线与叶片型线偏离较小。随着颗粒密度的增大，其轨 迹愈加偏离纯水流线轨迹，如图2 6 中d 轨迹2 和3 所示，轨迹l 上的颗粒沿 叶片问通道流过冲击叶片出口较短的距离，而轨迹2 和3 上的颗粒则冲击叶片 较长一段距离，造成叶片出口磨损破坏。 从图2 6 中d 和e 的叶片进出口速度三角形可看出，在叶片问的液体因轴 向漩涡有使液流角由叶片角岛减小到及的作用。另一方面，入1 = 1 角届增大到 崩。叶片中间的液体相对速度合成如图2 6 中c 所示，靠近叶片背面的相对 速度大压力小，工作面的相对速度小压力大，形成了叶片间压力差。对实际液 体来说，如果液体运动时其液流角与叶片本身的角度厉相同，或者说，叶片问 没有压力差，那么，叶片便不能把能量传递给液体。换句话说，叶片应该对液 体起推动作用，所以，液体中固体颗粒冲击叶片出口表面是不可避免的。但为 了减小叶片出口端的负荷，应该减小叶片出口角，也可使颗粒冲击叶片的角度 减小，减轻磨损。 2 i 河海大学碛士学位论文 图2 6液体在有限叶片数叶轮中的运动 3 耐磨损叶轮的设计 ( 1 ) 合理确定水泵参数 合理的泵参数( 日、q 、，z ) 是设计高效、耐磨损叶轮的前提，泵转速和 扬程直接影响到叶轮外径，叶轮外径又与叶轮出口磨损有直接关系：泵流量与 转速影响叶轮进口汽蚀性能，汽蚀性能又决定叶轮在含沙水中叶片进口的穿孔 时间。这些参数相互有影响，可综合到用泵的比转数来确定，一般对离心泵比 转数为9 0 2 0 0 之间较为合理，即可设计出较理想的轴面流道和叶片形状。另 外，在工程允许的情况下尽可能降低泵的安装高度，以免泵发生汽蚀。 ( 2 ) 叶轮进口几何参数 叶轮进口几何参数主要是进口直径和叶片进口安放角，与泵的汽蚀性能有 较大关系，通常为提高泵的汽蚀性能进口直径尽可能加大，可降低流速以免汽 蚀和磨损，但主要应有相应的叶片进口安放角与之配合，否则，即使加大了叶 轮进1 3 直径，也并不能提高泵的抗汽蚀和磨损性能。叶轮进1 3 直径d 0 可按下 式计算： d o ：q 厚 ( 2 - 9 ) tn 式中：d 0 一叶轮迸1 3 直径； q 水泵流量； 第二章泵站更新改造策略 k 一系数( 一般取值范围为4 o 4 5 ) ； 拜一水泵转速。 合理的叶片进口安放角是由冲角和能设计出逐渐变化的叶片型线来共同确 定的，冲角用公式计算： 邮= 移：- p , = 8 | 一l ( 2 - - 1 0 ) 一抽 式中：尾计算点叶片的安放角： 届一计算点液体的入口角，见图2 6 中e 。 上述泵叶轮调整后三条流线的冲角为玩= 4 9 。，a b = 5 4 8 。，a p o = o 0 6 。，采用正冲角主要是用来弥补由轴向漩涡引起的液体入口角届增大到届的差 值，以便液体平滑进入叶片。三次调整中影响叶片磨损破坏的冲角变化幅度不 超过3 。一般清水泵冲角的设计范围通常为a p = 3 。1 5 。由实验可知这个 冲角变化范围在含沙水中过大，因为在清水中即使过大的冲角造成汽蚀，只要 汽蚀不严重，也不会影响泵的流量扬程等性能，但在含沙水中，就会造成汽蚀 和磨损的联合作用，使叶片很快穿孔。所以在含沙水中对叶片进口安放角准确 度要求更高。 ( 3 ) 叶轮出口几何参数 叶轮出口几何参数主要是宽度、外径和出口角等，这些参数是相互联系的， 影响泵的流量、扬程和效率，以及叶轮的出口磨损。采用小叶片出口角、少叶 片数和大出口宽度的叶轮能减轻泵的磨损。一般出口角为2 0 。3 0 。，比转数 小取小值，反之取大值。叶片数5 6 片，叶片数多会增加排挤降低流量。在 确定了叶片进出口角后，应尽可能取大的包角，一般大于1 0 0 9 ，使得叶片形 状逐渐变化成为流线型，以免脱流雨加剧磨损。 2 1 8 水泵汽蚀改善 1 水泵汽蚀的成因及危害 ( 1 ) 汽蚀的产生 当水泵在运行时，由于某些原因泵内局部位置液体的压力降低到工作温度 下的汽化压力，水开始汽化，生成大量的汽泡，当汽泡流入压力较高的部位时， 迅速凝结、溃灭。这一过程中涉及许多物理、化学现象，并产生嗓音、振动和 对过流部件材料的侵蚀作用，这种现象称为水泵的汽蚀现象“町。 河海大学确士学位论文 ( 2 ) 水泵汽蚀的危害 ( a ) 使水泵性能恶化 主要表现在由于空泡的产生，破坏了流道的线型，阻塞流道，过水断面减 小，使泵的性能曲线变坏，即使泵的q h ，q 目，q 等曲线下降。这就 是某些泵站水泵产生汽蚀后出水量减少或不出水的原因。 ( b ) 对过流部件材料形成破坏 当汽泡在高压区溃灭的瞬间，四周的水流质点高速地向汽泡中心冲击，互 相碰撞，产生强烈的水锤。观察资料表明，这种冲击频率很高，瞬时局部压力 可达几十甚至几百兆帕。如果这种打击长时作用在过流部件的表面会引起金属 材料的塑性变形和局部硬化，产生疲劳，性能变脆，很快就会发生裂纹与剥落， 形成蜂窝状孔洞啪1 。汽蚀进一步作用，使裂纹相互贯穿，直到叶轮或泵壳被蚀 坏甚至断裂。 ( c ) 产生噪音与振动 在气泡凝结溃灭时，产生压力瞬时升高和水流质点问的撞击以及对泵壳和 叶轮的打击，使水泵产生噪音和振动现象。观测表明，它具有较广的频谱，测 得的最高频率可达到1 0 0 万h z ，因此噪音也是用来探测汽蚀是否已发生和消 失的一种方法。“。当汽蚀振动频率与水泵自振频率接近时，会引起共振，从而 导致整个机组甚至使整个泵房振动。在这种情况下，机组就不应该继续工作了。 2 水泵汽蚀的改善和防止