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抬升新型式泵站效能的重要举措剖析

   日期:2019-12-02     来源:互联网    作者:admin    浏览:0    评论:0    
核心提示:  1概述  广和泵站工程是广州市北部水系建设西航道引水工程的龙头。西航道引水工程包括广和泵站、引水渠、白云湖三部分。广

  1概述

  广和泵站工程是广州市北部水系建设西航道引水工程的龙头。西航道引水工程包括广和泵站、引水渠、白云湖三部分。广和泵站设计流量为25. 0 m 3 /s,提水经4. 7 km引水渠进入白云湖,白云湖总面积为2. 07 km 2,水面面积为1. 05 km 2。白云湖是继20世纪50年代开挖兴建的4个湖泊(东山湖、流花湖、荔湾湖、麓湖)以来本世纪开挖的座人工湖。

  泵站选址位于西航道广和大桥上游50 m处,装设4台潜水轴流泵( 1600ZDBX - 100),采用立式安装,泵房长度为27. 05 m,宽23. 2 m.进水流道为钟形进水流道,混凝土井筒结构。出水流道为井壁蜗壳混凝土流道,宽4 m高2 m.由于采用了潜水轴流泵,简化了泵站的水工建筑结构布置,减小安装面积。地面厂房结合管理楼布置。泵站上层面无建筑物,形成开阔平面,给景观和绿化设计提供有利条件。

  广和泵站不同于一般的泵站,是长历时引水泵站,每天运行10 12 h,对效率、可靠性、安全性、实现环保运行提出了非常高的要求,在满足上述要求的基础上,重点考虑泵站建设的经济性。

  2潜水泵的效率为什么比较低

  自20世纪80年代以来我国潜水电泵技术逐渐趋于成熟,并向大型化的方向发展,目前已经出现了1 600 mm出水口径的大型潜水泵,但是往大型的方向发展遇到了技术瓶颈。因为水泵越大,所需要的转速就越低,而对于电机来说,转速越低,体积就越大,重量就越重,效率和功率因数(尤其是功率因数)就越低,同时由于电机体积大,导致水泵灯泡比加大,水泵的效率降低。

  河北省叶三拨泵站曾经进行模型实验,结果高装置效率仅为52. 11,换算到口径为1. 4 m的潜水泵其高效率只有62 ,比普通的机组少了11个百分点,说明大型潜水泵必须研究其内部流动规律,改善流道的水力条件,确保高效稳定运行。井筒式是潜水泵常见的安装结构,其基本布置形式如所示,潜水电机位于水泵的上方,恰好堵在水泵的出口处,常规泵的出口只是1根直径很小的轴,对水流的影响不大,而潜水泵的出口是电机,庞大的电机会阻碍水流的正常流动,这是两者的大差别。实验还表明,潜水泵水力损失比较大的原因主要是在水泵的出口部分,用1台350QZ- 70DB的潜水泵采用三维紊流模型对出口流道进行计算,并与实际流动比较,得到了的流速分布图,可以看出:( 1)当水流绕过电机时,在电机后面形成一个很大的旋涡,其长度约为电机直径的0. 9倍,电机上面出现的旋涡区是造成水力损失和运行不稳的主要原因;( 2)当水流从井筒流入水平的出水管时,由于方向从垂直流向水平,并且急剧收缩,流动紊乱,流速分布很不均匀,且拌有旋涡产生。

  出水流道内影响流态的因素主要是电机以及井筒与出水管连接处的形状和尺寸。

  提高装置效率主要是优化流道设计以改善水流的流态以及减小电机直径,这是本文讨论的主要内容。

  3行星齿轮减速是潜水泵大型化的关键技术从水力机械的原理可以知道,随着口径的增加,泵的转速是不断减少的,其原因主要有2个:一是水泵的水力性能所决定,这点可以从比转速的概念得知,当比转速固定时,流量增加,转速降低;二是汽蚀性能所决定,水泵转速与叶轮直径的乘积nD正比于水泵的汽蚀余量?H , nD的范围一般在500以内(D用m, n用rpm,也即轮缘的线速度小于26 m /s);因此D越大n就越小,常见的水泵直径与转速的关系可以从得知。

  电机转速越低,体积就越庞大。这就对潜水泵的应用带来很大的负面影响,就电动机本身而言,低速者线圈个数多,用料多,价格高,效率和功率因数都低,加上重量大,起吊困难,也许有人会说,这无非是增加工程造价,多耗一些电而已。然而对潜水泵整体来说,就不是这么简单了,可以从结构来说明,随着口径的增加,电机直径与水泵直径的比值(也称灯泡比)在不断增加,比如小型潜水泵(口径为350 mm )灯泡比大约为0. 3;而中型(口径为1 000 mm)灯泡比已达0. 6左右;大型(口径为1 600 mm )灯泡比竟达0. 9,电动机差不多完全堵住了水泵的出口,流态的恶化也日趋严重,因此,如何减少电动机直径成为潜水泵大型化的关键技术。

  广和泵站采用1600ZDBX- 100带行星齿轮减速技术,水泵的转速是269 r/m in,通过NA J500A行星齿轮减速器与转速为990 r/m in的电机连接,使电机的极数由24极减少到6极,这样电机的外径就从1 500 mm减少到1 050 mm,导叶体扩散角由20以上降低到12以下,大大减少电机对水流的阻碍,功率因数还可以大幅度提高,解决了潜水泵大型化的主要矛盾。

  4流道优化设计

  水泵设计单位一般比较注重水泵泵段性能,将主要精力放在用于提高泵段效率上,其实大家都知道,泵段技术经过多年的研究,目前已经比较成熟,即使要提高1的水泵效率,也是非常困难的事。而生产厂家在水泵产品性能样本以及说明书上表明并向用户保证的也是泵段效率,用户要求的却是包括进、出水流道在内的泵站整体装置效率,水泵设计和制造的目标与用户实际应用要求有了较大的脱节。另一方面目前对水泵装置性能与水泵性能之间的关系,特别是高效率点、高效区的关系还没有很好掌握,对合理应用与运行调度带来很大困难,管理人员不能充分合理利用有利条件进行经济运行,虽然有比较好的水泵性能却不能通过完善的工况调节充分发挥出来。

  泵站流道长期以来一直采用一维理论方法,目标是保证流速变化均匀,实际上流道内的流动是三维的,一维方法不能保证叶轮进口断面萦向流动,也不能反映出水的流动状态,从而不能通过改善流态减少流动损失。

  随着计算机技术和流场测量技术的发展,使三维流场数值模拟和测试成为可能,流动方程通常是多元高阶偏微分方程,往往又是非线性的,加之流动边界的复杂性,用解析方法是无法求解的,需要借助于数值计算方法,近年来计算流体动力学方法( Computational F lu id Dynam ics简称CFD)的迅速发展和应用,许多用于求解三维雷诺方程组的专用软件应运而生。这些软件已被大量地用于模拟水轮机尾水管、蜗壳和叶轮内部的流动,据以进行水力机械的性能预测和优化设计,实践证明计算结果是可靠的,得到越来越多的应用。

  就水力损失来说出水流道一般为比较长的渐扩管,远远大于进水流道。当扬程比较低时,出水流道损失占总损失的10 15 ,扬程特低时超过20 ,研究水泵出水流道,改善流态,对提高装置效率特别重要。

  流道优化的目的是使流道内无涡流及其它不良流态,出口断面的流速分布尽可能均匀,水流方向尽可能垂直于出口断面,流道水力损失尽可能小。

  进水流道由于是渐矿管,长度小,本身的水力损失不大,一般只有几十厘米,设计的主要目的是要求对水泵叶轮提供均匀的来流,保证运行稳定,振动小,汽蚀性能和能量性能良好。目前大中型泵站按轴线形式区分为立式、卧式、斜式和贯流式机组。立式泵轴线垂直于水平面,国内使用早,技术为成熟,特点是导轴承受力小,配套电机运行环境好,国内绝大部分泵站是采用这种形式。

  立式泵站主要有肘型和钟型流。肘型流道是使用早、采用多的流道,特点是线形简单,但是流道高度大,施工基坑开挖深,费用大。钟形进水流道型线比较复杂,高度小,一般可以减少开挖50 cm左右,节约资金。经过比较,广和泵站进水流道采用钟形进水流道,宽度根据泵房总体布局,分别选取4. 5 m和4. 7 m2个方案,经三维流动数值模拟及优化计算结果可知:当钟形进水流道宽度选取4. 7 m时,流速均匀度、水流入泵平均角度、流道水力损失等参数较4. 5 m方案均优越,设计采用4. 7 m宽钟形进水流道方案。相关参数对比见。

  广和泵站钟形进水流道目标函数及水力损失计算结果方案流速均匀度/水流入泵平均角度流道水力损失/m 4. 5 m 94. 9 87. 3 0. 256 4. 7 m 95. 1 87. 4 0. 249出水流道采用蜗壳式出水流道,水泵导叶出口与出水流道之间设置了井筒,潜水电泵紧接于水泵出水导叶之后、位于井筒之中。井筒直径为2 200 mm,潜水电机直径为1 050 mm,设计流量时电机周围的平均流速为2. 897 m /s.采用标准紊流模型对井筒蜗壳式出水流道原方案和5个优化方案共6个方案的出水流场分别进行了数值模拟。流场数值模拟结果表明,不同方案的蜗壳式出水流道虽然具有不同的喇叭管高度,但流道内的水流具有相似的流动形态。

  经过对出水流道扩散喇叭管的高度进行优化计算,终选取方案的流道水力损失为0. 428 m,比原方案减少水力损失0. 026 m.

  5试验结果

  广和泵站采用1600ZDBX- 100带行星齿轮减速技术和流道优化,在理论计算的基础上,通过水工全性能试验得到进一步的验证,整机效率为80. 3,与直联型潜水电泵1600ZDB- 100相比,提高1. 9.具体参数见。

  广和泵站行星齿轮减速和流道优化效率参数型号整机效率/水泵效率/电机效率/功率因数整机重量/kg 1600ZDB- 100 78. 4 85. 7 91. 5 0. 540 15 000 1600ZDBX- 100 80. 3 86. 3 94. 5 0. 895 13 000比较值+ 1. 9 + 0. 6 + 3. 0 + 0. 355 - 13. 4

  6结论

  1)潜水电泵以其节省土建、结构简单、操作方便、拆装维修方便、改善操作环境等多方面的明显优势,成为在很多使用环境中取代传统水泵泵站的产品。

  2)带行星齿轮减速潜水电泵以其体积小、重量轻、效率高、功率因数高等多项优点成为潜水电泵大型化的一个主要方向。

  3)广和泵站作为个在泵站实践中采用带行星齿轮减速大型潜水电泵的泵站,在潜水电泵的发展过程中具有推广示范作用。

 
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