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长距离输水泵站带气阻运行影响分析

2024-10-17 52 上传者：管理员

摘要：ZD泵站水泵实际运行过程中流量不足，噪音、振动严重，结合前期设计资料和现状运行数据通过对NPSHr、水泵及电动机效率、输水管道特性等的分析。结果表明，水泵必需气蚀余量数值偏小造成安装高度偏高，引起水泵运行气蚀、噪声严重；在末端水池长期低水位运行过程中，输水管道驼峰段吸入空气形成气阻现象，引起水泵运行扬程增大；且输水管道内气团造成气液不稳定流态，进一步加剧了水泵叶轮的损坏。在解决以上问题的同时，结合输水管道实际特性，在电动机功率不变的前提下提出增大流量运行方案，效益显著。

关键词：
气液两相流
气蚀
泵站
管路特性
输水管道
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ZD供水工程ZD泵站设计供水能力为30万m3/d,装设有2台水泵电动机组，1用1备，年利用小时数8760h,单泵设计流量3.5m3/s。泵站主要由进水管道、泵站主副厂房、压力水箱及输水管道组成。输水管道采用1根直径为1.8m的PCCP管，长度约80.6km。输水管道沿地形敷设，整体呈驼峰走势，管道最高点高程约为543m,供水起点、终端高程分别约为504m、495m。输水系统剖面布置示意图如图1所示。

图1输水系统纵剖面示意图

1、设备运行现状

1.1工程原设计特征参数

泵站进水池最高水位514.0m、正常水位514.0m、最低水位507.0m、有效库容300万m3;出水池正常水位515.0m、最低水位495.0m、总库容5000万m3。原设计管路特性对应设计扬程H=-0.5+5.27Q2。水泵设计流量3.5m3/s,设计工况点效率91.6%、必需汽蚀余量[NPSH]r=5.2m。水泵配套电动机为卧式鼠笼型三相交流异步调速电动机，额定功率2800kW。

1.2主要设备运行现状

ZD泵站于2009年主体工程完工后投运，至今已运行12年，出现水泵汽蚀严重，造成水泵叶轮叶片穿孔，运行噪音、振动超标。2019年初运行管理单位对2台水泵汽蚀穿孔的叶轮进行了补焊修型，图2为叶轮穿孔和补焊后对比。经对2台水泵的运行数据分析，从2019年叶轮修复后开始，水泵正常运行时的平均供水能力下降到目前的28.8万m3/d,水泵流量不够，运行效能下降。电动机及水泵进、出水侧阀门设备运行状态正常，电气各项试验指标达标；输水管道共设置87座空气阀井和1套水击预防阀，部分空气阀浮球变形，影响其有效工作。

预计从2023年开始，随着当地开发区工业园用户的相继投产，ZD泵站将达到设计供水规模，需全年不间断供水，供水压力剧增，对水泵及相关设备运行的可靠性、稳定性要求极高，提升改造迫在眉睫。

图2叶轮穿孔及修复后对比

2、主要问题分析

2.1安装高程复核

水泵的安装高程应按水泵运行所需要的最大吸上高度Hs确定：

根据公式式中，Δ—泵站海拔高程；NPSHr—水泵必需汽蚀余量，m;k—安全系数，为避免水泵汽蚀运行，取k=1.5;Δh—水泵进水管水力损失，m。通过计算不同扬程运行工况对应HS范围为-5.26～3.5m,实际水泵安装高程为505.598m,对应HS为-1.402m。HS值在进水池低水位运行超出推荐数值范围。水泵设备为10年前产品，考虑当时的叶轮技术开发水平，设计工况点NPSHr数据偏小。同时不排除水泵制造厂缺少模型泵准确资料，所提供NPSHr值不准确，导致水泵运行汽蚀严重。

2.2水泵效率复核

水泵修复后，流量达到3.5m3/s出现电机保护过载动作，因此采用降频运行方式，目前水泵运行流量约为3.435m3/s,进水池水位510.88m对应水泵出水侧压力0.62MPa(约63.8m),对应查取运行数据表，电动机功率为2767kW。根据以上数据初步计算水泵效率约为69%。对照水泵制造厂提供的水泵性能曲线，查取对应效率约为91%。说明水泵因汽蚀修复后，由于过流面粗糙、型线改变等多种原因造成效率下降较多。

水泵出口侧流量计与蝶阀距离较近，不满足流量计安装要求，且流量计自投运以来一直未标定，流量数据存在偏差。即便考虑流量计测量偏差，同比设计工况点效率91.6%差别较大。水泵效率统计如图3所示，水泵目前运行对应效率与理论效率对比如图4所示。

图3 1#、2#水泵效率数据统计

图4水泵运行效率对比

2.3输水管道特性复核

根据管道特性H=Hst+KQ2,结合不同时段实际运行数据(进、出水池水位，泵后压力，管道流量),选取实际运行工况1和工况2,对管道特性复核对比计算，并利用美国Bentely公司hammer软件对工况1、工况2的稳态工况仿真模拟，详见表1。

表1管道特性复核对比表

(1)工况1在进水池510.86m、末端水池水位496.3m运行工况下，实际水损超过原设计值。输水管道内壁结垢、侵蚀引起糙率增大，或管道内壁大面积脱落造成堵塞，或输水过程存在大量气团、气液两相流出现气阻均有可能造成损失增加。稳态输水工况对应水力坡降线如图5所示。

图5工况1水力坡降线

(2)工况2在进水池512.53m、末端水池水位510.11m运行，实际水损小于原设计值，说明原设计糙率0.012取值偏保守。稳态运行工况对应水力坡降线如图6所示，输水管线无进气现象。

图6工况2水力坡降线

(3)在工况1同样的水位、流量参数运行工况下，结合工况2实际运行水损，通过相同的水损系数反推工况1理论水损后，分析稳态运行工况。稳态输水工况对应水力坡降线如图7所示。稳态工况结果编码，在管道最高点形成理论-15.5m的负压，远大于水柱断裂-8m,表明此工况下无法向末端输水，进一步验证了工况1所述可能存在的内壁结垢、侵蚀引起糙率增大，或管道内壁大面积脱落造成堵塞，或输水过程存在大量气团、气液两相流出现气阻现象等原因造成实际管损增加，从而导致工况1水泵扬程增加。

图7工况3水力坡降线

(4)现场运行管理人员反映2019年对输水管道分段进行全面巡检排查，除管路接头等部位有少量破损外，未发现管道内壁大面积脱落现象。结合管道正常运行期间空气阀处实测压力统计表，工况1正常输水期间，初步判断因输水管道内负压的存在，管道高点空气阀一直向输水管道内补气。说明输水管道在末端水池低水位运行工况下，输水过程存在大量气团形成气液两相流态，造成输水管道驼峰后段实际水损增大。

在进水池水位既定的前提下，理论上末端水池越低，水泵运行扬程越低，由于输水形成负压吸入空气后，实际水泵运行扬程大于设计扬程，输水管道带气运行管路特性如图8所示，水力损失沿管路分布示意如图9所示。根据工况3推算，理论上实际管路损失略小于原设计管路损失。图8表明，理论上在设计工况水泵工况点应该向P2点靠近，但由于管路气阻造成损失增加，在实际运行过程中反向P1点靠近，造成流量小于设计流量，而扬程大于设计扬程。

图8管路特性对比图

管道内由于空气的存在产生的水头损失不能忽略，气团导致水流流态紊乱，在消耗动能的同时，更容易发生气蚀现象，破坏管壁，以上因素都将进一步增加泵站总扬程，降低泵站输水流量。ZD泵组实际运行数据表明，出水处水位越低时，水泵工作P1工况点离P工况点越远，输水流量越小，由于气阻造成的管路损失越大。并且此时输水管道处于气液两相过程中，流体质点随时间作无规律运动，水体质点间相互混杂、碰撞，形成了极其复杂的水流状态[4]。加压运行时水泵排量不均匀性引起泵组负荷的波动，导致输水管道压力变化不规则。受以上因素影响，输水管道将会产生振动，进一步加剧了水泵叶轮的损坏。

图9水力损失沿管路分布示意图

综上，末端水池在低水位运行，由于管线高位出现负压进入空气后，形成气阻现象，造成实际水损增加，长期运行不节能，且不满足规范对于输水管道最高点最低压力不小于+2m的要求，存在安全隐患。

2.4增大流量运行复核

通过对输水管道特性分析，工程已投运12年由于，输水管道糙率已达到稳定状态，根据输水管道特性分析结果表明，现状糙率小于设计糙率值。因此，在电动机功率2800kW容量不变的基础上，水泵有条件增大流量运行，图10为增大流量运行曲线。

图10增大流量运行曲线图

2.5过渡过程复核

水泵设计流量增加后需复核泵站过渡过程，过渡过程渡复核采用BENTLEY HAMMER软件进行分析计算，结果如下。

(1)无防护措施运行工况：根据计算结果管道负压、正压均不满足规范要求，须采用必要的水锤防护措施以消除不利影响。

(2)正常停泵工况：在推荐进、出水水位，水泵在设计流量、加大流量运行，稳态计算结果满足规范要求。正常关阀停泵，驼峰前输水管线不同部位最低压力接近-2m。水击预防阀设置低压预开启功能，造成事故停泵工况水泵出水侧负压进一步恶化。

(3)事故断电停泵工况：水力过渡过程计算分析结果表明在水击预防阀、所有空气阀可靠、有效的工作前提下，水泵出口最大压力、水泵转速均满足要求，未出现水柱断裂现象，输水管线约1/4后4km范围内管道最高瞬时压力超出管道设计承压值。

(4)水泵运行流量越大，事对应故停泵工况负压极值越小，但未出现水柱断裂现象。

3、解决方案

3.1提高水泵抗汽蚀性能

影响水泵汽蚀余量的主要因素是叶轮进口部分的几何形状，如叶轮材料，进口直径，叶片安放角，叶片进口边形状、叶片进口宽度、叶片盖板进口部分曲率半径、叶片数、叶片进口厚度、叶轮平衡孔、过流部件粗糙度、叶片进口流道形状、吸入室的形状和速度等。本次改造选取适合ZD泵站特定运行工况的优良水泵模型转轮。提高水泵叶轮材质硬度，选用抗汽蚀、可焊接性能好的材料，延长水泵设备使用寿命，并应兼顾水泵抗汽蚀性能和水泵效率。

3.2运行控制措施

(1)运行过程中控制进、出水池水位组合，保证正常输水过程中，管道最高点最低压力始终在+2m及以上运行，降低正常输水过程安全隐患；在安装高程已定的条件下，新水泵安装投运后建议尽量抬高进水池运行水位，有利于水泵的抗气蚀性能；尽量抬高出水池运行水位，避免水泵在出水池低水位工况下运行带来输水管道大面积进气，引起管线和水泵设备振动、输水管道水力损失增加、耗电量上升等不利影响。

(2)在推荐进、出水池水位运行工况下，稳态计算运行满足规范；正常停泵驼峰前输水管线不同部位最低压力满足规范；事故断电工况对应最大压力、水泵转速均满足要求，未出现水柱断裂现象。但输水管线桩号24+000～桩号29+000处管道最高瞬时压力超出管道设计承压值，需在桩号24+000处增设1套DN400、1.0MPa泄压阀，以保护管道运行安全。取消水击预防阀设置的低压预开启功能，避免在事故停泵工况下因阀门预开启引起水泵出水侧负压进一步恶化。

4、结语

(1)水泵实际运行时间远远超出规范要求空蚀保证基准运行时间，水泵设备运行10年后叶轮修复前，在高强度的运行工况下除噪音较大外，能够接近设计流量运行，整体而言尚可。

(2)后期运行过程中加强输水管线空气阀设备的巡视、维护、定期更新，保证空气阀、水击预防阀设备始终能够正常、有效工作。建议泵站运行管理单位根据各设备运行情况以及相关技术要求编制年度维修与检修计划。对运行中发现的设备缺陷和故障应分析原因并及时进行处理。

(3)目前泵站技术改造已完成，现场反馈设备运行各项指标满足要求，在电动机不做改造的前提下水泵流量较原设计3.5m3/s提升到3.55m3/s。

参考文献:

[1] GB/T 50265—2010.泵站设计规范[S].

[2]方玉建.管道含气流动机理分析及虹吸负压流体输送试验研究[D].江苏大学,2018.

[3]刘利.对某市中心城区绿化泵站水泵型式选择的分析[J].水利规划与设计,2017(11).

[4]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京:中国宇航出版社,2011.

文章来源:刘利,陈琪,杨富超.长距离输水泵站带气阻运行影响分析[J].水利规划与设计,2024,(10):71-74+84.