（水利工程专业论文）南水北调二级坝泵站贯流式水泵技术方案比选和装置模型试验研究.pdf

摘要 南水北调东线一期工程二级坝泵站工程具有扬程低，单机流量大，年运行时 间长等特点。二级坝泵站位于南四湖中部、南水北调东线工程苏鲁省际交水断面 上，且南四湖是东线工程的重要调蓄湖泊，因此，该泵站地理位置重要，是东线 工程的咽喉要塞。二级坝泵站泵型宜采用灯泡贯流式水泵机组形式 n 1 ，泵站技术 集成度高，贯流式水泵机组成套设备技术处于世界先进水平。二级坝泵站贯流式 水泵技术方案的分析比选、定型和水泵装置模型试验，是该泵站工程建设中的关键 性技术。贯流式水泵的主要技术性能既关系到机组性能的优劣，又关系到泵站能否 长期经济、稳定运行。二级坝泵站贯流泵采用了灯泡体后置形式b 们3 ，中开式结 构，水泵与电机直连，水泵运行工况调节采用高压变频器调速运行心3 ，并实现变频 运行和工频运行的自动切换，水泵机组结构布置合理高效。本文通过对二级坝泵 站水泵机组及辅助设备的制造承包商的三个水泵技术方案进行技术经济分析比 选，促成并选定了最佳技术方案，通过c f d 流态数值模拟分析预测了水泵主要技术 参数，并通过水泵装置模型试验对该贯流泵主要技术性能进行了验证。在大型贯流 式水泵主要技术性能比选定型、c f d 流态数值模拟分析、水泵装置模型试验等方面 做了有益的探索研究，取得了主水泵叶轮直径增大一级、主7 电机额定转速降低一 档、水泵装置c f d 数值模拟分析建模更接近实际、水泵装置模型试验更完善准确并 获得一次性验收通过的成果，有关研究成果已经应用到二级坝泵站工程中。本文 属首次对大型低扬程贯流式水泵的技术方案比选、c f d 流态数值分析和水泵 装置模型试验等关键性技术进行系统研究，较好地结合了引进国际先进贯流 式水泵设备与技术转化消化工作，所做工作对建设南水北调一流泵站工程具 有重要的意义。 主题词：灯泡贯流泵方案比选 c f d 流态模拟分析水泵装置模型试验 6 t h ee r ji b ap u m ps t a t i o no ft h ef i s tt e r mp r o je c to ft h es o u t h - t o - n o r t h w a t e rd i v e r s i o nh a st h et r a i t so fl o ww a t e rh e a d ，l a r g ec a p a c i t ya n dl o n gr u n t i m ea n n u a l y t h i sp u m ps t a t i o nl o c a t e sa tt h ew a i s to fn a n s il a k eo rt h e b o u d a r yo fs h a n d o n ga n dj i a n g s up r o v i n c e t h ep u m pl o c a t i o ni sv e r y i m p o r t a nb e c a u s et h a tt h en a n s il a k ei sv e r yi m p o r t a n ti na d ju s t i n ga n d s t o r i n gf l o o dw a t e r e r j i b ap u m ps t a t i o na p p l i e st h eb u l b t y p et u b u l a rp u m p s e t s i th a sh i g hi n t e g r a t i o n a lt e c h n o l o g ya n da d v a n c e di nt h ew o r l d t h i s b u l b t y p et u b u l a rp u m ph a st h e s ek e yt e c h n o l o g i e sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n ， t h a ti st h ea n a l y s i so fc o m p a r a t i o na n ds e l e c t i o no ft h et e c h n i c a lp r o j e c t s ， a n dt h e s e t u p s c a l em o d e lt e s to fp u m ps y s t e m t h e p u m p s e t s s p e r f o r m a n c e s a r en o t o n l y r e l a t e dt ot h e q u a l i t y o fp u m ps e t s s c h a r a c t e r i s t i c ，b u ta l s or e l a t e dt ot h es a f ea n do p t i m i z eo ft h es t a t i o nr u n i n g ， a n ds t i l lr e l a t e dt ot h es u mo fi n v e s t a t i o na n da n n u a le x p e n d i t u r e e r j i b a b u l b t y p e t u b u l a rp u m ps e t s a d o p t se l e t r i c e n g i n ep o s t p o s i t i o nf o r m ， m i d d l e o p e n i n g s t r u c t u r e t h e p u m pd i r e c t l y c o n n e c t sw i t ht h e e l e t r i c e n g i n e t h es w i t c h i n ga n da d j u s t i n go ft h ep u m p sw o r kc o n d i t i o n a d o p t s t h esi e m e n s s s y s t e m - o u t l i n e p e r f e c t h a r m o n y , s w i t c h s w i t h f r e q u e n c y c o n v e r t i o nf r o m r a t i n gf r e q u e n c ya u t o m a t i c l y t h u s t h e c o n s t r u c t u r em e e t st h eh i g he f f i c i e n c ya n dl a y o u tr e a s o n a b l y t h i sp a p e r m a k e ss y s t e ma n a l y s i sa n dc o m p a r a t i o nt ot h et h r e et e c h n i c a lp r o je c t so f p u m ps e t s ，c o n f i r m s t h eb e s to n e t h i sp a p e ra l s om a k e si n t r o d u c t i v e v a l i d a t et ot h em a i nd e s i g nt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e st h r o u g hm o d e lt e s to ft h e p u m ps y s t e m w eh a v e d o n es o m eu s e f u l e x p l o r a t i o na n dg o ts o m e i n n o v a t i v ep r o d u c t i o ni na n a l y s i so fp u m pt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e ，m a i n t e c h n i c a lp a r a m e t e ri nc o m p a r a t i o no fp u m ps y s t e m ，t h ec f ds i m u l a t i o n a n da n a l y s i s ，b u l b t y p et u b u l a rp u m ps e t st e s to fm o d e lp u m ps y s t e m ， i n c l u d e st e s ti t e m ，t e s tm e t h o da n dw a yo ft h ec o n v e r s i o nv a l u e st o p r o t o t y p ep u m p s o m eo ft h ep r o d u c t i v e sh a v eb e e nu s e di n t h ee r j i b a 7 p r o j e c t w eh a v e b e e nd i g e s t i n ga n da b s o r b i n g t h e t e c h n i q u e i t i s i n t r o d u c e df i r s t l yf r o mo t h e rn a t i o n ，a n da c h i e v e di n n o v a t i o n a le x p l o r a t i o n t ot h ec o n s t r u c t i o no ft h eg r e a ts o u t h t o n o r t hw a t e rd i v e r s i o np r o je c t w e a r es u r ei tw o u l dh a v em u c hu s e f u lf o ro t h e rs i m i l a rp u m ps t a t i o ni no u r c o u n t r y k e yw o r d s ：c o m p a r a t i o na n ds e l e c t i o no ft h ep r o j e c t so fb u l b t y p et u b u l a r p u m ps e t s ， c f ds i m u l a t i o na n da n a l y s i si n t r o d u c t i o n ，t e s to ft h e s e t u ps c a l em o d e lp u m ps y s t e m 8 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盗丑 日期：孕鱼乃 关于学位论文使用授权的声明， 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：至壅二至二导师签名：峰趔 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 南水北调东线一期工程概述 1 南水北调工程是迄今世界上规模最大的调水工程，是缓解我国北方地区水资 源短缺，优化水资源配置，促进经济社会协调可持续发展的一项重大战略性基础 设施。自1 9 7 2 年华北平原大旱算起，工程经历了数十多年的反复研究论证，最终根 据北方受水区的经济社会发展和水资源短缺状况以及调水区的水源条件，规划选 定了南水北调东线、中线、西线三条调水线路的调水方案。使调水水源、调水线 路和供水范围与长江、黄河、淮河和海河四大江河相互连接，构成“四横三纵” 的工程总体布局。 东线一期工程利用江苏省现有的江水北调工程，逐步扩大调水规模并延长输 水线路。源头从长江下游的江都站抽引长江水，利用京杭大运河及与其平行的河 道逐级提水北送，并连通起调蓄作用的洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖。出东 平湖后分两路输水：一路向北，在位山附近经隧洞穿过黄河，经扩挖现有河道输 水到大屯水库，向聊城、德州供水，二期、三期工程则扩大规模继续向北供水到 河北和天津等地；另一路向东，通过济平干渠输水干线到济南市，穿济南市继续 向东输水到向胶东供水的东湖水库和双王城水库，通过山东省规划建设的胶东地 区引黄调水工程送水至烟台的门楼水库和威海的米山水库，实现向整个胶东地区 供水。东线一期工程规划总调蓄库容4 7 2 9 亿m 3 。 东线一期工程输水线路总长1 4 6 6 k m ，其中长江至东平湖1 0 4 5 k m ，黄河以北 1 7 3 k m ，胶东输水干线2 4 0 k m ，穿黄河段近8 k m 。东平湖是东线工程的最高点，与长 江引水口水位差约4 0 m 。东线一期工程从长江至东平湖设1 3 个调水梯级，2 2 处泵站 枢扭( 一条河上的每一梯级泵站，不论其座数多少均作为一处) ，3 4 座泵站，其中 利用江苏省江水北调工程现有6 处1 3 座泵站，现有泵站装机台数6 5 台，总装机容量 1 3 1 0 5 万k w ，装机流量1 4 5 5 4 m s ；新建泵站2 1 座，新建泵站装机台数9 5 台，总装 机容量2 3 5 1 9 万k w ，装机流量2 9 6 1 2 m 3 s 。江苏省境内9 个梯级共新建或改造2 7 座泵 站分别是：江都三站、四站改造，宝应站，淮安四站，淮安二站改造，金湖站，淮 阴三站，洪泽站，泗阳站，泗洪站，刘老涧二站，睢宁二站，皂河一站改造，皂河 二站，邳州站，刘山站，解台站，蔺家坝站，等等，平均扬程合计为3 9 2 2 米；山 9 东省境内7 个梯级共7 座新建泵站分别是：台儿庄站、万年闸站、韩庄站、二级坝 站、长沟站、邓楼站、八里湾站，平均扬程合计为2 6 2 3 米，山东前三级泵站与江 苏后三级泵站并列，分别通过韩庄运河和不牢河并列输水到南四湖下级湖。在新 建的2 1 座泵站中，结合排涝的泵站有1 1 座，山东省境内台儿庄站、万年闸站和八里 湾站有此功能。一期工程计j ：l j 2 0 1 3 年建成通水，期工程规划设计规模为：抽江 5 0 0 m 3 s ，入南四湖下级湖2 0 0 m 3 s ，入东平湖l o o m 3 s ，过黄河5 0 m 3 s ，送山东半岛 5 0 m 3 s 。一期工程建成后，多年平均抽江水量8 7 6 8 亿m 3 ( 新增抽江水量3 9 亿m 3 ) ，调 入下级湖2 9 7 3 亿m 3 ，入东平湖1 3 3 7 亿m 3 ，过黄河4 4 2 亿m 3 ，送到胶东8 8 3 亿m 3 。 综上所述，东线一期工程共包括3 4 座泵站工程，总装机台数1 6 0 台，总装机容 量3 6 6 2 4 万k w ，总装机流量4 4 1 6 6m 3 s 。泵站工程规模宏大，在南水北调东线一 期工程中占有极其重要的位置。 1 1 2 山东省南水北调工程建设情况 山东省南水北调工程共有十一个单项工程，已开工建设的六个单项工程分别 是济平干渠工程、韩庄运河段工程、南四湖水资源控制及水质监测工程、东线穿 黄河工程、截污导流工程，及胶东干线济南引黄济青段工程，分述如下。 济平干渠工程：由渠首闸、渠道和跨渠建筑物组成，全长8 9 5 k m ，是南水 北调胶东输水干线的首段工程，作用是将东平湖来水输送到济南市和胶东输水干 线。该工程率先于2 0 0 2 年1 2 月2 7 日开工，已于2 0 0 5 年1 2 月2 7 日基本建成通水。 韩庄运河段工程：由台儿庄泵站、万年闸泵站和韩庄泵站三座泵站和魏家 沟、三支沟、峄城大沙河三座橡胶坝水资源控制工程组成，三座泵站作用是将江 苏中运河来水经韩庄运河逐级提引到南四湖下级湖，三座水资源控制工程作用是 防止调引水流失和倒漾。其中万年闸泵站于2 0 0 4 年1 1 月1 8 日开工，于2 0 0 8 年底基 本建成；台儿庄泵站于2 0 0 5 年1 2 月1 2 日开工，将于2 0 0 9 年上半年建成；韩庄泵站 于2 0 0 7 年4 月3 日开工，计划于2 0 1 0 年底完工；魏家沟、三支沟两座水资源控制工程 均已开工。 南四湖水资源控制及水质监测工程：由二级坝泵站、姚楼河闸、杨官屯河 闸、潘庄引河闸、大沙河闸和南四湖水质监测工程组成。二级坝泵站作用是将南 四湖下级湖水提引到上级湖，四个闸及南四湖水质监测工程的主要作用是实施对 南四湖水资源的监测、控制和管理。其中二级坝泵站已于2 0 0 7 年3 月3 0 日开工，计 划于2 0 1 0 年底完工；姚楼河闸己于2 0 0 8 年9 月2 8 日开工，潘庄引河闸己于2 0 0 8 年1 1 月1 日开工，杨官屯河闸、大沙河闸已具备开工条件。 东线穿黄河工程：由出湖闸、滩地埋管、穿黄隧洞、埋涵及明渠组成，作 用是将长江水穿过黄河继续北送。该单项工程己于2 0 0 7 年1 2 月2 8 日开工，计划工 期为3 6 个月。 截污导流工程：分布在七个市共2 1 个单元工程，截污导流工程作用是拦截 经治理达标排放的中水在调水期间不进入或少进入输水干线，并对中水进行截、 蓄、导、用，保证调引水水质稳定达到地表i i i 类水标准。宁阳县截污导流单元工 程己于2 0 0 7 年1 2 月2 8 日开工，截止2 0 0 8 年1 2 月3 1 日，省内涉及截污导流工程的泰 安、荷泽、临沂、枣庄、济宁、聊城、德州共七个市截污导流工程均己全部开工 建设。 穿济南市引黄济青段工程：由济南市区段输水工程、新辟明渠输水工 程、东湖水库和双王城水库组成，作用是连接南水北调工程和胶东输水干线西段 工程，向济南市以东及胶东干线供水。该单项工程已于2 0 0 8 年1 1 月1 2 日开工，部 分项目己与济南市小清河治理工程结合先期开工建设。 两湖段工程：与航运结合需扩挖梁济运河和柳长河，新建长沟、邓楼和八 里湾三座泵站。该工程正在积极筹备之中，计划2 0 0 9 年上半年开工。 其它未开工的单项工程都在积极筹备之中，包括：鲁北段工程，由扩挖七 一、六五运河，新建大屯水库等组成；南四湖下级湖抬高蓄水位影响处理工 程；东平湖输蓄水影响处理工程。2 0 0 8 年1 1 月，东线一期工程总体可研总报告 己获国家批复，未开工项目可望在同步批复单项工程可研报告和初步设计报告后 开工。另外，将全线的工程调度运行管理系统列为第十一个单项工程，这是实现 长江水、黄河水、淮河水和当地水的联合优化调度，实现东线全线协调经济运行 的自动化和管理软件研究，国家已委托河海大学等机构开展研究攻关。 山东省南水北调七级泵站中的台儿庄、万年闸、韩庄和二级坝四级泵站设计 输水规模均为1 2 5 m ：s ，均安装五台机组( 四用一备) ；长沟、邓楼和八里湾三级泵 站设计输水规模均为l o o m 3 s ，均安装四台机组( 三用一备) 。七级泵站的平均扬程 范围为1 9 9 - , 5 4 9 m ，年运行时间为3 7 7 8 5 0 0 0 h ，每级泵站装机容量为8 2 5 0 - - - 1 4 0 0 0 k w ，泵站工程规模为大i 型，等别为( i ) 等。台儿庄、万年闸、长沟、邓 楼、八里湾泵站均安装立式轴流泵机组，配肘型进水流道和平直管出水流道；二级 坝、韩庄泵站均安装灯泡贯流式水泵机组，配直线形方变圆渐缩式进水流道和圆变 方渐扩式出水流道。 1 1 3 二级坝泵站亟待研究的关键技术 叶片泵是利用叶轮、导叶等传递和转换能量实现水体输送的水力机械。泵的 基本性能方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 是在理论上定性地 给出了水泵性能参数之间的关系，但由于泵内流动的复杂性，目前还无法从理论 上准确地得出水泵性能参数之间的相互关系及其变化规律，因此，泵的基本方程 还不能方便地用于工程实际。目前对水泵性能的了解主要是通过水泵性能试验测 出的性能曲线来实现的。叶片泵的主要工作参数有：水泵的转速n 、扬程h 、流量 q 、轴功率p w 、效率n 、汽蚀特性参数( 汽蚀比转数c 及临界汽蚀余量 n p s h c ) 、 飞逸转速n 。等阳1 ，这些参数决定了水泵的主要技术性能，其优劣不仅关系到泵站机 组能否高效稳定运行和泵站总投资、年运行费用的多少，而且制约着主泵房建基 面开挖高程的确定和主厂房结构形式及尺寸，因此还制约着泵站的总工期。上述 主要性能参数需要待水泵装置模型试验完成之后，按照相似律公式换算，才能得 到原型水泵( 真机) 的性能指标，并最终确定水泵叶轮中心安装高程。顺便指出， 原型水泵技术性能指标，应通过对原型水泵的实际运行测试得到，但是，限于泵站 现场测试手段的局限性、难以形成闭式的测试回路，及现场测试受到诸多不确定因 素( 土建设计、施工、材料、设备、环境等) 的制约，测试结果离散性较大，往往 争议较大，因此，对原型水泵的性能评价一般仍以水泵装置模型试验结果为主。 针对泵站工程建设而言，水泵机组的主要技术性能分析比选，水泵装置c f d 数 值模拟分析及水泵装置模型试验等，都属于工程应用领域的关键性技术，亟待开 发研究。 1 2 国内外研究动态 国外荷兰、日本等发达国家于上世纪七十 - a 十年代前后修建了数座著名的 大型灯泡贯流式泵站，如荷兰伊莫顿泵站( 阿姆斯特丹) 、日本新川河口排水泵站 ( 新泻) 和牛津江泵站( 九洲地区) ，对当地经济社会发展和除水害、兴水利均发 挥了极其重要的作用。而国内类似工程实例仅有江苏淮安三站和近年正在建设或 筹建中的南水北调江苏淮阴三站、蔺家坝站、金湖站、泗洪站、皂河一、二站等， 山东韩庄泵站等。 1 2 1 2 1 国内研究现状 国内对贯流式叶片泵的开发研究主要集中在水力性能上，对结构分析还很 少，既缺乏整套贯流泵的设计、生产和加工技术，又没有成功的运行管理经验， 与国外发达国家存在一定的差距阳3 。迄今国内在大型低扬程灯泡贯流式水泵机组的 设计制造方面，仅有无锡市锡泵制造有限公司( 原无锡市水泵厂) 有此经历，其它 有一定实力的专业水泵厂如上海凯仕比水泵厂、江苏中天水力设备有限公司( 原高 邮水泵厂有限责任公司) 只有立式轴流泵、斜流泵和卧式泵机组的制造经历，长沙 水泵厂只有斜流泵和卧式泵机组的制造经历，荏原博泵泵业有限公司( 由日本荏原 制作所与山东博泵科技有限公司合资新成立) 在大中型泵制造上有一定实力。 国内大型灯泡贯流式水泵机组工程实例为：蔺家坝泵站水泵机组由无锡市锡 泵制造有限公司制造，采用的是日立技术，刚完成水泵机组安装调试；淮阴三站 水泵机组及辅助设备由荷兰耐荷泵业公司设计和关键部件制造，其它部件由国内 协作单位承担，耐荷泵业公司刚完成制造图纸设计和厂内制造。这两个泵站均是 南水北调东线工程的在建泵站，均无原型水泵机组运行记录。已运行多年的江苏 淮安三站运行效果不理想，一直存在着一些问题而难以找到原因。鉴于此，二级 坝泵站水泵机组设备及辅助设备采用了国际招标采购，投标技术方案的开放性较 大。 1 2 2 国外研究现状 国外比较著名的大型水泵制造企业有奥地利安德里茨公司、德国凯仕比水泵 公司、日本日立公司、日本荏原制作所、荷兰耐荷泵业公司等。国外著名的类似工 程实例有荷兰伊莫顿泵站( 2 0 0 4 年完成二期扩建) 、新加坡拦海坝取水泵站( 立式灯 泡贯流泵) ，贯流泵设备均由耐荷泵业公司提供；日本新川河口排水站和牛津江泵 站，贯流泵设备均由荏原制作所提供，等等。荷兰、日本等发达国家致所以在大 型低扬程泵站领域处于世界领先水平，是与其国土地势平坦、周边邻海、每年都 需要长时间排涝的特殊地形地貌条件密切相关的。，以伊莫顿泵站和新川河口排涝 泵站为例，对国外泵站设计简介如下。 伊莫顿泵站位于阿姆斯特丹市西南区北海与内河交汇的河口入海口处，控制 流域面积3 0 0 0 0 余公顷，主要作用是泄洪、排涝和调蓄内河水位，二期扩建的2 台 套灯泡贯流式水泵机组由耐荷泵业公司制造，单机设计流量为5 0 m 3 s ，最大流量可 达6 0 m 3 s 。工程始建于上世纪八十年代初，首批安装了4 台贯流式水泵机组、单机 流量4 0 m 3 s 。泵站平均扬程1 6 0 m ，新安装的2 台机组进水管径4 6 0 0 m m ，叶轮直径 4 0 0 0 m m ，配套永磁同步电动机单机装机容量1 7 0 0 k w ，额定转速7 8 r p m ，常带变频器 调速运行，调频范围为1 6 - 5 0 h z 。泵站总排水流量达2 8 0 m 3 s 。泵站设计年运行时间 约为全年的三分之一，设计检修频次每年外观检修一次，每5 年大修一次，现场可 以对轴承、密封进行更换。耐荷泵业公司对伊莫顿泵站的机组设计形式极为独 特，泵段( 水泵机组段) 与进水流道、出水流道并不连接，属于装配式耦合连接， 泵体由四个支腿支承于基础混凝土面上。泵段作为整体可吊进、吊出，吊迸后即 就位、可很快投入运转，整体吊出后在检修间可进行检修。从检修间整体起吊到 安装就位只需3 0 m i n ，也就是说，可以在1 h 内更换台水泵机组投入运行。另一个 独特之处是采用了永磁同步电机新技术，电机定子尺寸减小，水仅减轻了整机重 量，还使流道水力性能进一步提高，灯泡体内散热条件进一步改善。伊莫顿泵站 非运行期每日仅1 人值守，运行期每日2 3 人运行值班。 新川河口排涝泵站位于日本新泻市西区新川河口入海口处，控制流域面积 2 8 0 0 0 公顷。工程于1 9 6 7 年3 月开工，1 9 6 9 年1 2 月完工，6 台套贯流式水泵机组及清 污机设备均由荏原制作所提供。泵站扬程2 o m ，迸水管径4 2 0 0 r a m ，叶轮直径 3 6 0 0 m m ，单机装机容量1 3 0 0 k w ，转速6 8 r p m ，单机排水流量4 0 m 3 s 。采用齿轮箱调 速进行运行工况调节。进口布置两道清污机设备，即一次清漂污布置固定式回转 清污机六台和皮带运输机一台，二次清漂污布置移动式回转清污机一台。该排涝 站设计年运行时间为1 5 0 0 h ，已连续运行3 8 年。2 0 0 7 年始计划用六年时间进行水泵 设备更新，每年更新一台。该泵站采用了传统的同步电励磁电动机，水泵机组为 典型的中开式结构，泵体下半部埋入基础混凝土中。新川河口排涝泵站非运行期 每日仅l 2 人值守，运行期每日3 ，- - - 5 人运行值班。 国外类似泵站设计和运行管理上，都有一些值得学习借鉴之处。 1 3 本研究课题的提出 贯流式水泵机组能够适应的工作扬程更低，特别是二级坝泵站平均扬程低于 2 m ，必须采用贯流式泵型。由于贯流式泵站的流道与泵段顺直，与进出口水流方 向一致，因此，水力效率更高，泵段最高效率达8 8 9 0 以上，装置最高效率达 7 9 - 8 2 以上，比立式轴流泵装置效率高2 - 3 以上，同时可兼具有较好的抗汽蚀性 能，因此，贯流式水泵领域具有较好的开发应用潜力，特别适合于我国淮海平原 干旱区。 1 4 1 3 1 选题 本课题以二级坝泵站贯流式水泵机组技术方案比选和水泵装置模型试验为研 究对象，通过综合比选水泵机组叶轮直径( 叶轮进口流速) 、额定转速、流量、扬 程、效率、汽蚀余量、汽蚀比转数、轴功率、飞逸转速等主要技术性能参数，并考 虑模型应用业绩、企业综合实力及履约能力等，选定制造承包商和中标最佳方 案；通过c f d 流态分析，对装置效率和汽蚀余量指标进行了优化、预测；通过水泵 装置模型试验加以验证考核，使水泵机组最终得以定型，同时确定出叶轮中心安 装高程，保证泵站机组的高效性、稳定性和可靠性。 1 3 2 研究内容 本课题研究主要内容有：水泵机组技术方案比选研究； c f d 流态数值模拟 分析；贯流式水泵装置模型试验研究等。 本课题研究的技术路线与二级坝泵站工程的建设管理程序相同。泵站工程建 管程序为：贯流泵机组设备招标，机组装置设计优化，装置模型试验，设备制造 和安装运行，后评价等。研究技术线路为：招标技术指标、技术条款的拟定一中标 技术方案分析选定一c f d 流态模拟分析一水泵装置模型试验一原型水泵机组制造、 安装及试运行。本课题力求理论与实践紧密结合，应用研究用于指导工程实践。 第二章二级坝泵站贯流式水泵技术方案及其比选 二级坝泵站是南水北调东线一期工程的第十级抽水泵站，是山东省境内的第 四级泵站，位于南四湖中部，微山县欢城镇二级坝以南、溢流堰以西的下级湖 内。一期工程设计调水流量1 2 5 m 3 s ，工程主要任务是从南四湖下级湖提水到上级 湖，实现南水北调东线工程梯级调水目标。枢纽工程主要建筑物有泵站主厂房、 副厂房、变电所、进水闸、引水渠、出水渠、二级坝公路桥、引水渠交通桥等工 程。南四湖是相互连接的微山湖、南阳湖、昭阳湖和独山湖的总称，因被二级坝 公路拦腰分成了上级湖和下级湖两部分，故又称南四湖由上级湖和下级湖组成。 上、下级湖均为浅水型湖泊，平均水深1 m 左右；上、下级湖库容各为8 亿m 3 左右。 紧邻二级坝泵站东侧设有上下级湖间的宽顶式溢流堰，堰顶高程为3 4 5 m 。二级坝 公路沿线建有四道闸共设有数百孔节制闸控制上级湖泄洪量及水位，上级湖洪水 来源主要是汛期黄河洪水经由东平湖分洪水及东平湖蓄滞洪区的下泄水、南四湖 上级湖周边汇入洪水及大汶河流域来水。南四湖的调度运行方式为：上级湖只承 担过水，不参与调水线路的调蓄，而下级湖参与调水线路的调蓄；汛期( 6 9 月) 一般为非调水期，南四湖的运行服从防汛部门的统一调度，非汛期则服从调水部 门的总体调度。东线一期工程建成后，南四湖实际长期经济运行条件是：上、下 级湖均保持在较高水位运行，故二级坝泵站调水扬程处于1 ，5 m , - - 一2 6 5 m 间的频次最 高。泵站设计年运行时间4 3 6 4 h 。 2 0 0 5 年水利部以水总 2 0 0 5 1 7 8 号文、国家发展改革委以发改投资 2 0 0 5 5 1 9 号文批复了“南水北调东线期二级坝泵站枢纽工程初步设计”。首先开工的 泵站引水渠工程于2 0 0 7 年3 月3 0 日开工。2 0 0 7 年5 月，经国务院南水北调办批复， 水泵机组及辅助设备采用国际公开招标方式采购，我方经与潜在中标人就水泵技 术方案反复磋商和数轮合同谈判，于2 0 0 8 年3 月1 2 日签订了水泵机组和辅助设备国 际采购合同，水泵机组及辅助设备供货时间为2 0 1 0 年3 5 月。2 0 0 8 年5 月制造承包 商提交了与建工程的协调指导图纸，9 月下旬水泵装置模型试验完成，与此同时 泵站主副厂房士建工程完成招标，已开工建设。 2 1 泵站净扬程、流量和水泵主要技术性能要求 2 1 1 泵站净扬程、流量 二级坝泵站净扬程、流量参数见表2 一l 。 1 6 表2 - 1二级坝泵站净扬程、流量参数表 参数 项目单位 站上 站下 设计 m3 4 1 03 0 8 9 平均 m 3 3 9 03 1 9 l 水位 最高 m3 4 4 03 2 4 2 最低 m3 2 9 0 3 0 5 8 设计 m 3 2 l 平均 m 1 9 9 净扬程 最高 m3 8 2 最低 m o 4 8 流量 设计 m 3 s1 2 5 二级坝泵站水位和扬程参数由山东省水利勘测设计院按初步设计报告中的设 计值给出引，该初步设计报告通过了水利部水规总院的审查和水利部的批复。 2 1 2 水泵主要技术性能要求 1 1 ( 1 ) 在泵站平均净扬程1 9 9 m 时，水泵单机设计流量为3 1 5 m 3 s ；在泵站设计净 扬程3 2 1 m 时，单机流量不小于3 1 5 m 3 s ；在最高扬程和最低扬程工况下，水泵保 证稳定运行，不产生汽蚀危害。 ( 2 ) 水泵应具有宽广的高效率区。水泵模型装置效率将通过试验验证，模型转 轮的标称直径应不小于3 0 0 r a m ，模型叶轮应由金属材料制成，水泵模型装置效率 ( n 装) 在对应泵站平均净扬程1 9 9 m 工况下应不低于7 4 ，在对应泵站设计净扬程 3 2 1 m - i 况下应不低于7 2 ( 这里规定，水泵模型装置效率不含电机、变频调速装置 的效率，即r l 装= r l 管xn 泵) 。应提供真机泵段和水泵装置的性能曲线。 ( 3 ) 水泵比转数n s 值不小于1 1 0 0 ，水泵汽蚀比转数c 值不小于1 0 0 0 ，以保证水泵 具有较高的抗汽蚀性能。 ( 4 ) 在泵站运行扬程、流量和所有调频运行转速范围内，水泵能安全可靠地起 动，并能连续安全、平稳、高效运行，不应出现共振等异常工况( 包括各种过渡工 况) 。稳定运行的指标包括进水口压力脉动值、导叶与转轮间压力脉动、导叶出口 压力脉动、灯泡体外壳垂直振动值、轴承振动值及轴承瓦温。 1 7 ( 5 ) 还明确了相应的可靠性指标和水泵结构特性与技术要求。 2 2 水泵技术方案比选 22 1 水泵主要技术性能及分析 制造承包商提出的水泵方案的机组典型剖面见图2 1 。主要技术性能参数见表 2 - 2 ，其中最先提出的是原方案，谈判中连提出了新案一，谈判后期才提出新案 二，为便于比较，将三个方案的主要技术性能参数一并列入表中。 图2 - i 水泵机组剖面图 序 承诺值 号 m 目招标要求值 * # 翮( 2 7 0 8 衄) 新案一( 3 0 i 0 聊)新案= ( 3 0 0 0 m ) 1 蚓c i 装置模型教率 h = 1 9 9 m 水泵设计流量3 15 0 s 3 i5 f s3 l 5d h m = l _ 9 9 m 柬i 转 h 一= i9 9 m 水泵装置效率 i 虻标准抉算值 h = l9 9 m h = l9 9 m 木 轴自卑 h = 19 蛆 水泵汽蚀余量( n p 鲫o 装i 汽m 采量m 咖a m = l9 9 m 十水泵装置模型效率 h f 32 佃 + m 泵设# 流量 3 15 s3 l5n s3 l5m sh f 32 i m h o - 32 l m 水裘转4 l $ 7 r p m 1 2 5 r d m 1 2 7 r p m i m 标换算值 h 。= 32 l m 1 2 水泵轴功率 1 2 3 8 k w 1 2 4 5 k w1 2 5 6 k w h d = 3 2 1 m 1 3 水泵汽蚀余量( n p s h ) c 7 8 m 8 o m8 o m h i 】：3 2 1 m 1 4 装置汽蚀余量( n p s h ) a 1 3 t 6 m 1 3 0 5 m1 3 0 6 m h - - 3 2 1 m 1 5 水泵最大轴功率 1 3 8 6 k w 1 3 8 6 k w1 4 0 6 k w h 。= 3 8 2 m 1 6 配电动机功率 1 6 5 0 k w 1 6 5 0 k w1 6 5 0 k w 1 7 模型水泵飞逸转速 约2 3 0 0 r p m约2 4 7 0 r p m约2 4 7 0 r p m 1 8 水泵飞逸转速 约2 3 0 r p m约2 3 0 r p m约2 3 0 r p m 1 9 水泵比转数1 1 0 0 王1 1 21 0 0 11 2 2 0 2 0 水泵汽蚀比转数c 值1 0 0 0 9 0 88 3 77 9 7 2 1 术水泵装置效率 i e c 标准换算值 6 6 2 ( 6 4 2 )6 5 3 ( 6 3 3 )6 8 4 ( 6 6 3 ) h 。i 。：0 4 8 m 2 2 水泵转速9 4 r p m8 7 5 r p m8 6 r p mh 。；。：0 4 8 m 2 3 水泵汽蚀余量( n p s h ) c 8 9 m7 9 m7 8 m h m j 。：o 4 8 m 2 4 装置汽蚀余量( n p s h ) a 1 2 8 5 m1 2 7 4 m1 2 7 5 m 磁，n - 0 4 8 m 2 5 奉水泵装置效率 i e c 标准换算值 7 8 3 ( 7 5 9 )7 5 9 7 4 8 ( 7 2 6 ) h = 3 8 2 m 2 6 水泵转速1 3 7 r p m1 2 5 r p m1 2 7 r p mh 。产3 8 2 m 2 7 水泵汽蚀余量( n p s h ) c 8 2 m7 4 m7 7 m h 。，= 3 8 2 m 2 8 装置汽蚀余量( n p s h ) a 1 2 8 5 m1 2 7 4 m1 2 7 5 m h 。f 3 8 2 m 2 9 水泵汽蚀余量( n p s h ) c 9 5 m7 9 m9 o m h = i 5 m 3 0 装置汽蚀余量( n p s h ) a 1 4 3 5 m1 4 2 4 m1 4 2 5 m h = i 5 m 3 1 水泵汽蚀余量( n p s h ) c 8 4 m7 4 m8 2 m h = i 7 5 m 3 2 装置汽蚀余量( n p s h ) a 1 4 ，2 6 m1 4 1 5 m1 4 1 6 i h = i 7 5 m 3 3 水泵安装高程 2 6 2 2 m2 6 2 2 m2 6 2 2 m 注：括号中的数值计入了变频器的效率9 7 。 各方案水泵主要技术性能分析如下： ( 1 ) 装置效率h 对照招标要求，可以看出，平均扬程时装置模型效率三个方案最低值为7 5 2 7 4 ，设计扬程时装置模型效率三个方案最低值为7 7 7 7 2 ，均满足要求。 若统一按i e c 标准换算值且考虑变频器效率情况下，平均扬程时装置效率三个 方案最低值为7 5 4 7 4 9 6 ，设计扬程时装置效率三个方案最低值为7 6 7 7 2 ， 最低扬程时装置效率三个方案最低值为6 3 3 ，最高扬程时装置效率三个方案最低 值为7 2 6 。可见，承诺的效率指标满足招标要求。 ( 2 ) 抽水流量q 二级坝泵站的平均扬程1 9 9 m 较低，设计扬程3 2 1 m 已偏离平均扬程6 1 ，要在 全扬程范围0 4 8 m 3 8 2 m 均达到设计抽水流量3 1 5 m 3 s 较难做到。现三个水泵方案 在设计扬程平均扬程时的抽水流量均达到设计流量，在全扬程范围的最小抽水 1 9 流量为2 4 5 m 3 s ，达平均扬程下设计抽水流量的7 7 8 以上。对照招标流量指标要 求：平均扬程和设计扬程时流量达n 3 1 5 m 3 s ，因此，可认为满足招标要求。 ( 3 ) 转速n 现三个水泵方案的额定转速1 2 5 r p m ，经调速后的最高转速1 3 7 r p m ，符合 高比转数轴流水泵高效率工作转速应小于1 5 0 r p m 的一般要求。 ( 4 ) 临界汽蚀余量( n p s h ) c 、汽蚀指标n d 值 从水泵临界汽蚀余量看，新案一最优，新案二与原方案基本相当或稍优于原 方案，各方案的水泵安装高程相同，各方案最不利的有效汽蚀余量与临界汽蚀余 量的比值( k 值，下同) 均大于1 3 0 满足要求。对长期运行的泵，专家建议k 值不 小于1 3 5 ，各方案也能够满足。 三个方案的n d 值较为接近，均符合专家建议的小于4 0 0 的一般要求。 ( 5 ) 比转数n s $ 1 汽蚀比转数c 水泵比转数n s = 3 6 5 n q 2 h 3 门要求大于1 1 0 0 r p m ，新案二和原方案均满足要求， 新案一仅达n 9 1 。 汽蚀比转数c = 5 6 2 n o v 2 h r 喵朋要求大于1 0 0 0 r p m ，各方案均未达到，只达到了 8 0 - - - 9 0 。鉴于一般汽蚀性能较好的高比转数泵的c = 1 0 0 0 1 5 0 0 ，对兼顾抗汽蚀 性能和高效率时，c = 8 0 0 1 0 0 0 陋3 。承诺的三个方案中的最低值为7 9 7 r p m ，达到了 要求值的8 0 ，只能认为有所偏离，或基本满足要求。 ( 6 ) 轴功率p 三个水泵方案的轴功率基本相同，最大轴功率为1 4 0 6 k w ，所配电动机额定功 率1 6 5 0 k w 满足要求。 ( 7 ) 飞逸转速 三个水泵方案的飞逸转速均为2 3 0 r p m 左右，达额定转的2 0 0 ，飞逸性能较好 ( 据此要求主轴临界转速应大于最大飞逸转速的1 2 0 ) 。 ( 8 ) 水泵进水口流速u 水泵进水口平均流速：原方案u = 5 1 2 m s ，新案一u = 4 4 3 m s ，新案二u = 4 4 6 m s ，按国内泵站常规设计要求u 4 0 m s ，因此，各方案水泵进水1 3 流速 均偏高，相对而言新案一、新案二明显优于原方案。 从以上分析结果看出，单从技术角度判断，很难在三个方案中做出选择。当 然致所以潜在中标人后来提出了新案一、再后来提出了新案二，是因为：对原方 2 n 案，我方认为叶轮直径偏小而不满意；对新案一，我方认为虽叶轮直径加大了， 但最高效率点更偏离了实际工作扬程区，性能相比原方案变差了。从表2 可以看 出，就是要在三个方案中做出选择一时也是难以取舍! 必需做进一步经济分析。 2 2 2 各方案经济比较 各方案经济比较见表2 - 3 。 表2 - 3各方案经济比较表 h m a xh dh ah lh 2h m i n加权运行电费( 万 方案 比较指标 = 3 8 2= 3 2 l= 1 9 9=