大型泵站低扬程泵装置效率指标的推算

doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01001

摘要：为了合理确定我国低扬程泵装置主要工况水力性能的考核指标，以适应我国大型低扬程泵站建设事业不断发展的需要，提出建立在水泵模型同台测试试验数据和流道优化水力设计研究成果基础上的推算低扬程泵装置效率的基本方法，即：泵装置效率由泵段效率和流道效率的乘积得到，其中，泵装置中的泵段效率由同台测试结果经修正后得到，流道效率由流道水力损失及泵装置扬程计算得到；应用该方法推算了大型泵站贯流泵装置和立式泵装置模型主要工况的效率考核指标。

关键词：低扬程；泵装置；水力性能；指标；推算

中图分类号：TV68；TV675 文献标识码：A 文章编号：

1672-1683（2012）01-0001-05

Calculation of Efficiency Indexes for Pump System of a Large Pumping Station with Low Head

LIANG Jin-dong，LU Lin-guang，XU Lei，WANG Gang，DONG Lei

(College of Hydraulic Science & Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China)

Abstract:In order to determine the evaluation indexes of the pump system efficiency under the operation conditions for a pumping station with low head more reasonably and to meet the needs of the continuous development of large pumping stations in China,the basic method was obtained to calculate the pump system efficiency with low head based on the test data of pump models on the same test bed and the research results of the optimum hydraulic design for flow channel of the pump system.The pump system efficiency can be determined by multiplying the pump segment efficiency with the efficiency of the flow channel,where the pump segment efficiency in the pump system may be modified according to the results obtained from the pump model tests on the same test bed,and the efficiency of the flow channel may be calculated according to the hydraulic loss along he flow channel and pump system head.The evaluation indexes of the pump system efficiency under the operation conditions were calculated for the shaft tubular pump system and the vertical flow pump system of large pumping stations using the proposed method.

Key words:low head；pump system；hydraulic performance；index；calculation

在低扬程泵装置优化水力设计这一领域，还有一些重要问题值得进一步探索。例如，从当前我国水泵水力模型研发水平和进、出水流道优化水力设计水平看，低扬程泵装置的水力性能能提高到什么程度？对于年运行时数达数千小时的大型低扬程泵站，应如何提出泵装置水力性能的考核指标？泵装置水力性能考核指标是泵站施工前对泵装置模型试验进行验收的主要依据［1］，也是泵站建成后对原型泵装置水力性能进行评价的重要依据［2］。这是在泵站规划设计阶段和制订主机泵设备招标文件阶段都需要慎重考虑的内容。合理确定符合我国泵站事业当前发展要求的低扬程泵装置水力性能考核指标，对于不断提高我国大型泵站的建设水平、推动我国泵站建设事业的发展，具有十分重要的意义［1］。

为了使低扬程泵装置水力性能考核指标能发挥促进泵站建设水平提高的作用，考核指标宜符合以下两方面的要求：① 要达到这个指标是有一定难度的；② 通过努力，这个指标是能够达到的。随着科学技术的不断进步和我国大型泵站建设事业的不断发展，考核指标本身也需要与时俱进，适时地推陈出新。

如何制订符合我国低扬程泵站建设实际情况和发展趋势的泵装置水力性能考核指标，是一个值得研究的问题。本文从泵装置效率等于泵段效率和流道效率的乘积这个基本公式出发，在南水北调工程水泵水力模型同台测试［3］（以下简称“同台测试”）的基础上讨论了泵段效率，在低扬程泵装置进、出水流道优化水力设计研究的基础上讨论了流道效率，提出了不同扬程段泵装置效率指标的基本推算方法及初步推算结果。

本文所讨论的考核指标主要应用于大型泵站建设的前期研究及招标阶段的泵装置模型试验验收等工作，故文中的泵装置效率考核指标均针对泵装置模型。

1 确定低扬程泵装置效率考核指标的几种方法

1.1 根据泵装置模型试验资料的经验方法

在对低扬程泵装置进、出水流道的优化水力设计研究尚不够深入的情况下，根据对已有多个泵站泵装置模型试验资料分析比较的结果，提出低扬程泵装置模型水力性能的考核指标，不失为一种切合实际、简单易行的办法，可在泵站建设的某一发展阶段发挥重要作用。由于所能搜集到的泵装置模型试验资料的涵盖面不够宽，其中一些资料的时间跨度比较长，采用这种经验方法所提出的考核指标有一定的局限性。

1.2 根据泵段效率和流道效率的推算方法

如果采用分析研究的方法，将泵装置效率分解为泵段效率和流道效率，分别从泵段水力性能和流道水力性能两个方面分析研究，借助于南水北调工程水泵模型同台测试资料和近一些年来低扬程泵装置进、出水流道优化水力设计的研究成果，就可较为方便、较为准确地推算泵装置效率。不仅如此，因为水泵模型水力性能提高的发展趋势和进、出水流道优化水力设计研究的发展趋势是可以预见的。因此，低扬程泵装置模型水力性能考核指标的发展趋势也可预见。

2 低扬程泵装置的组成

低扬程泵装置由进水流道、泵段和出水流道等3个部分组成见图1、图2。泵段由叶轮（包括叶轮室）和导叶体组成。叶轮是转动部件，其作用是为水流提供能量，是水泵的核心部件；导叶体是静止部件，其作用是调整从叶轮流出的水流的方向，消除水流所具有的环量［4］。叶轮与导叶体的组合体是任何一种型式的轴流泵（或导叶式混流泵）装置中不可或缺的基本单元。进水流道的作用是引导和调整从前池流入的水流，为叶轮室进口提供符合叶轮水力设计要求的流场；出水流道的主要作用则是平缓扩散从导叶体流出的水流，尽可能多地回收水流的动能。

（3）表明泵装置效率可表示为泵段效率与流道效率的乘积［5-8］。本文据此从泵段效率和流道效率两个方面推算泵装置主要工况点（设计流量、设计扬程和设计流量、平均扬程）的效率指标。

3 关于低扬程泵装置中的泵段效率

3.1 南水北调工程水泵模型同台测试

为保证南水北调工程泵站的设计质量，水利部南水北调规划设计管理局组织开展了南水北调工程水泵模型同台测试工作，2004年共完成了27个水泵模型的同台测试工作［3］。这项工作的完成为东线一期工程的泵站水泵选择提供了科学依据，同时也展示了进入21世纪以来我国低扬程水泵的研究成果，极大地推动了我国水泵水力模型研究和应用水平的进一步提高。

3.2 泵段效率的修正

在同台测试中，扬程测量的进口测压断面和出口测压断面分别布置在进水直管的进口断面和出水直管的出口断面，对测量断面和水泵模型进、出口法兰之间的水力损失不修正［3,9］。图3所示为同台测试的水泵模型水力性能测试段示意图。可见，同台测试提供的水泵模型综合特性曲线是包括了泵段和进水直管段、进水收缩段、出水弯管段、出水直管段等管道在内的测试段的水力性能［9］。

在大型低扬程泵装置中，仅包含水泵模型水力性能测试段中的“泵段”而不包含其中的管道，故真正的泵段效率需在其测试段效率的基础上加以修正。

3.3 泵段效率修正结果

根据水力学的有关公式可计算出进水直管段、进水收缩段、出水弯管段和出水直管段的水力损失［10-12］，从而计算出泵段效率的修正值。表1列出了部分经同台测试的水泵模型高效区泵段效率修正的主要数据和结果。

从表1中可以看出，扬程愈低，测试段管道水力损失的相对值愈大，泵段效率的修正值也愈大；各种比转速水泵模型修正后的泵段效率较为接近，为87％左右。在采用优秀水泵水力模型的情况下，实际泵段的效率变化范围很小。

3.4 泵段模型效率的进一步提高

1981年在中国农机院进行过一次全国性的水泵模型同台测试，结果表明当时国内水泵模型的测试段高效区效率普遍达到81％以上，最高达到84％以上［13］。2004年完成的南水北调工程水泵模型同台测试资料表明近一半水泵模型测试段高效区的效率达到84％以上，最高达到86％以上［3］。可见，经过20多年的努力，我国水泵模型测试段的效率整体水平提高了3％左右。从发展趋势看，水泵模型的能量性能仍将有一定的提高。

4 关于低扬程泵装置的流道效率

4.1 流道水力损失对流道效率的影响

由流道效率的定义可知，流道效率决定于泵装置扬程和流道水力损失：

η流道=H泵装置H泵段=H泵装置H泵装置+Δh流道（4）

式中：Δh流道-泵装置中进、出水流道的总水力损失（m）。

图4给出了流道效率与流道水力损失及泵装置扬程的关系。由图4可见，流道水力损失对流道效率的影响较显著；泵装置扬程愈低，影响愈显著。例如：若立式泵装置平均扬程分别为6 m和35 m时设计流量的流道水力损失均为045 m，则前者的流道效率为930%，而后者的流道效率为886%，两者相差44%；再如：若贯流泵装置平均扬程分别为3 m和15 m时设计流量的流道水力损失均为020 m，则前者的流道效率为938%，而后者的流道效率为882%，两者相差56%。因此可见，低扬程泵装置宜针对不同的扬程段提出不同的效率指标。图4表明，流道效率是随着流道水力损失和泵装置扬程的改变而连续变化的，故扬程段的划分宜细不宜粗。

由图4还表明，流道效率的变化范围较大，可见低扬程泵站的泵装置效率对流道效率具有较大程度的依赖性。对此，应予以足够重视。

4.2 低扬程泵装置的流道水力损失

贯流泵装置和立式泵装置是两种在低扬程泵站中应用得较多、较好的泵装置型式。这两种型式的低扬程泵装置有各自的特点和各自的适用范围。近10多年来，采用数值计算和模型试验方法，对这两种低扬程泵装置型式的进、出水流道进行了较为深入、细致的优化水力设计研究工作［14-23］。贯流泵装置和立式泵装置流道水力损失相差较明显，表2分别给出了近些年来几种泵装置型式设计流量时的流道水力损失研究主要结果。表中所列的流道水力损失给出了一个范围，其下限适用于泵装置水力设计条件好的泵站。这里所说的条件包括泵装置型式、水泵nD值、流道的控制尺寸和水力设计等方面。

5 低扬程泵装置模型效率的推算

式（3）表明泵装置效率可通过泵段效率与流道效率的乘积来推算。其中，泵装置中的泵段效率由同台测试结果经修正后得到，流道效率由流道水力损失及泵装置扬程计算得到。

根据前面的分析，我国低扬程水泵水力模型高效区的泵段效率已可达到87％左右。在制订近期低扬程泵装置水力性能考核指标时，泵段模型效率宜按86％考虑，理由有以下两点：

① 国内大型泵站都采用了国内、外优秀的水泵水力模型，泵段高效区的效率达到86％是做得到的，而且还留有一些余量；

② 要确保泵段效率实际达到86％，必须采用国内外先进的水泵水力模型，这样可促使参加大型泵站水泵设备投标的水泵制造厂家采用先进的水泵水力模型。

根据表2列出的贯流泵和立式泵装置设计流量时的流道水力损失，由式（2）推算了贯流泵装置1～4 m扬程的流道效率（表3）和立式泵装置3～9 m扬程的流道效率（表4）。

在泵段效率取86％的条件下，由式（3）推算了贯流泵装置1～4 m扬程的泵装置模型主要工况的效率（表3）和立式泵装置3～9 m扬程的泵装置模型主要工况的效率（表4）。

针对某一座泵站或某项工程一批泵站的具体情况，提出适当的泵装置模型效率考核指标。根据我国目前对水泵水力模型和低扬程泵装置流道优化水力设计研究所达到的实际水平，在表3和表4所列数据的基础上，经过适当圆整提出近期适用的贯流泵装置模型和立式泵装置模型主要工况效率考核指标（表5和表6）。所列的效率指标给出了一个范围，对于年运行时数多的泵站，宜取上限；对于年运行时数少的泵站，宜取下限。

6 结语

大型低扬程泵站泵装置主要工况效率指标的推算方法有以下３种。

① 低扬程泵装置的效率可由泵段效率和流道效率的乘积推算；② 泵装置中的泵段效率可由同台测试结果扣除其管道损失后经修正得到；③ 流道效率可由流道水力损失及泵装置扬程计算得到。

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作者简介:梁金栋(1972-)，男，江苏姜堰人，讲师，博士，主要从事泵站工程理论及应用研究。E-mail：jdliang@yzu.省略

通讯作者:陆林广(1947-)，男，江苏扬州人，教授，博士生导师，主要从事泵站工程理论及应用研究。E-mail: