大型竖井贯流泵避振运行研究

汪宝罗

摘 要：浙江省沿海平原地区因受潮汐、梅雨、台风等自然因素影响，排涝存在整体扬程偏低、运行期间扬程变幅大、泵站流量大、且泵站为软土地基等特点，为了适应上述特点，工程采用竖井贯流泵的机型较多。随着竖井贯流泵大型化发展，其单机流量已经达到50m3/s，相当于一座大（2）型泵站的规模，其安全可靠运行对区域防洪排涝有着至关重要的作用。为了使得大型竖井贯流泵可适应沿海地区扬程变幅大的特点，满足全工况稳定运行的要求，本研究将对水泵振动的机理进行探讨，并提出较为有效的避振措施，以此消除或减弱机组的振动，提高排涝工作的可靠性。

关键词：竖井贯流泵;避振运行;

一、前言

大型泵站水泵的振动问题，一直是泵站工程中的焦点。我国已经运行的大型泵站中，出现了振动问题的不在少数，如1997年建成运行的淮安三站，是我国首个大型灯泡式贯流泵站。该泵站在运行过程中，机组和泵站存在剧烈振动问题，一定程度上影响了泵站的安全可靠运行[1]。而江都四站的4号和7号泵在改造后也出现了振动[2]。这些大型泵站的振動问题不仅仅影响到机组自身的使用寿命，而且也对工程安全生产和正常发挥作用产生较大的不利影响  。

二、大型竖井贯流泵振动原因分析

竖井贯流泵与其他类型的水泵一样，诱发设备及厂房振动主要原因是由水力因素或机械因素导致的。

1、水力因素造成的振动

水力因素造成的振动分为两类：1）流道设计不合理、型线优化不到位，由此造成装置内出现脱流、回流等非正常流态;2）水泵导叶为固定导叶，当水泵偏离设计工况点运行，造成水泵出口速度三角形的改变程度超过了导叶调节范围，使得出水流道流态趋于混乱。

竖井贯流泵的流道控制尺寸，如：长、宽、高、当量扩散角等、以及流道收缩、扩散段的型线均直接关系到水流入泵是否均匀，以及在流道边壁是否出现局部脱流，甚至是严重的偏流。当流道设计合理时，入泵水流平稳、均匀度高、出水流道的水流呈现出规律性的螺旋运动，但无偏流、脱流等非正常流态;反之，入泵、出泵水流混乱、叶轮、导叶体范围内的压力脉动明显增加。

在所有工况下，设计工况水泵效率最高，运行也相对最稳定，究其原因大致是：设计工况下，叶轮出口的水流与导叶的翼型配合度高，水流经导叶的整流作用后，以比较平顺的状态进入出水流道，此时水泵流态较好，机组运行也较稳定。但是一旦水泵偏离设计工况时，其流量随着扬程的变化而发生增加或减少。因流量发生剧烈的变化，轴向流速便相应的发生变化，但是因水泵转速保持不变，故水流速度的切向分量也维持不变，因此，叶轮出口处水流的绝对速度与设计工况相比，无论是其矢量角度还是大小均发生了变化。当水泵严重偏离设计工况点后，其流速矢量便不能与导叶翼型相匹配，偏离设计工况越多，叶片出口速度矢量与导叶翼型越不匹配，便造成流态明显变差。该过程表现在外特性上，就是叶轮出口至导叶出口这一段范围内的水流压力脉动显著增加，而压力脉动又激发了叶轮外壳的振动和叶轮本体的振动，严重时会造成水泵共振甚至发生叶片开裂等严重后果。而未经导叶完全整流的水流进入出水流道后，还会产生左、右两孔流道的流量差异、壁面脱流等等不利于稳定运行的非正常流态。

2、机械因素造成的振动

竖井贯流泵由电动机、齿轮箱、推力轴承、叶轮、导轴承等几大件组成。在运行过程中，这些部件的生产质量问题或安装质量问题均可能引发机组的振动，如：轴不对中、气隙不均、轴承磨损、转动部件不平衡、连接件松动、齿轮啮合故障等。

三、大型竖井贯流泵避振运行的意义

常规的半调节排涝泵，一旦出现偏离工况的情况，如进入超低扬程范围，或者是发生机械故障等情况，机组振动加剧，此时，运行管理人员只能选择让机组继续带病运行，或者被迫停机。无论是继续运行，还是停机，均对排涝不利。

对于大型竖井贯流泵而言，因其单机流量大，目前正在建设的或者即将开工建设的竖井贯流泵的单机流量均在30m3/s以上，个别巨型机组的单机流量达到了50m3/s。对于这类机组，其单机流量就相当于一座中型排涝泵站甚至是大（2）型泵站，对区域的防洪排涝起到举足轻重的作用。且这些泵站往往都位于河流的口门处，若因机组的故障而造成停机，则会造成上游上百公里范围的涝水无法顺利排出，造成的内涝影响也更为严重。

因此，对于这类主力排涝泵站，应尽可能的保证其运行期间设备安全可靠运行，避免因振动原因，造成机组退出运行。所以，对于这类工程有必要对机组采取避振运行的措施，这样既可以增强机组运行的适应性，也可提高工程的可靠性。

四、机组避振主要措施

所谓水泵避振措施是指，为了保证水泵机组不产生有害振动，或者在产生有害振动后，通过相应的方法使得水泵的振动减弱乃至消失而采取的工程措施。机组避振主要分两个阶段：1、源头控制，减少振动产生的可能性;2、当出现振动时，采取工程措施避开振区运行。

1、所谓源头控制，是指在设计阶段，应通过合理的机组选型及流道设计，使得流道先天就具有良好的流动特性，同时严格控制入泵流速，合理选择直径和转速，避免因过泵流速过大，激发压力脉动，或因nD过大，降低抗汽蚀能力;

2、在运行期间，通过工程措施避免机组进入振区运行。可通过变频调速技术和桨叶调节技术，使得机组脱离振动区域运行。桨叶调节技术避振运行在江都四站的4号泵和7号泵组中已经得到了良好的应用[2]。本文侧重介绍利用变频技术进行避振运行。

五、基于变频调速避振运行的原理

前文已述，由于水力因素引起的振动，主要归结于严重偏离设计工况点后，泵内部流态由平顺向混乱转化，水流对流道边壁以及过流部件的撞击加剧，从而造成的流道内相应部位压力脉动显著增加。而这些发生在水泵流道内部的变化也可通过水泵外特性进行反应，如效率明显降低、噪音增加、壳体振幅加大等。

当水泵转速n发生变化时，扬程H、流量Q、轴功率P、效率η等外特性均将随之发生相应的变化，根据相似定律，可以获取变化后新的水泵特性。利用变频调速规避振区运行正是利用了水泵外特性随转速n变化的规律。这种方法主要应用在扬程变幅很大的工程，如浙江沿海平原地区的低扬程排涝泵站中。这些工程基本都是采用泵闸相结合的排涝模式，当闸排能力减弱时，需要由闸排切换到泵排，此时进、出水池对应的水位差为0m附近，即超低扬程。又因这类工程的出水池为感潮河段甚至为海，受潮汐影响，出水池要求百年一遇高潮位仍能排涝，这样就造成最高扬程达到4-5m，甚至达到6m。因此，对于水泵来说，要求其在进、出水池水位差0～6m的范围均可以正常运行。

对于设计人员而言，在水泵选型时，可通过工况点的合理选择，使得最高扬程对应的工况点不进入马鞍型振动区。但是却无法保证超低扬程工况下，水泵不处于效率极低的工况运行。因此，从水泵选型的角度，只能做到顾头不顾尾。而根据装置模型试验的成果，流道内的压力脉动遵循两头大，中间小的规律。即最高扬程和最低扬程对应的压力脉动大，中间扬程的压力脉动小。因此，从设计上无法规避水泵进入超低扬程工况下运行时产生的振动。为了保证水泵全工况下均可以稳定运行，当水泵进入超低扬程工况时，就需要通过变频降速的方式，改变水泵转速n，以此调整水泵出口速度三角形，使得它与固定导叶翼型的匹配度提高，改善机组流态。通过这样的调整，水泵的外特性將发生明显的变化，流量Q减小、效率η提高、轴功率P减少、壳体的振幅ΔH减小，噪音降低。施卫东等人已经通过实验对不同转速下轴流泵压力脉动进行了研究[3]。该研究表明通过水泵转速调节，对轴流泵的压力脉动会产生显著的影响。

虽然这种调整会造成排涝流量降低，但是对于排涝工程而言，稳定运行的意义更为重要。从对水泵的考核要求看，也只要求设计扬程下，排出设计流量，最大、最小扬程下稳定运行即可。

六、基于变频调速避振运行的调度原则

在实际应用中，变频避振运行的遵循如下原则：

1、在超低扬程下，此时振动主要由于水力因素产生，因此，旨在通过降速运行改善流道内的流态，将水泵装置效率由工频时的20%～30%，提升至60%左右。

2、在脱离超低扬程后，此时振动主要是由于机械故障产生，此时需要结合振动摆度在线监测系统，当水泵振动值超过100μm时，实行降速运行。通过阶梯化的降速，使得机组的振动值减小至80μm的正常水平。

3、当水泵进入中高扬程运行时，此时降速后，将会造成水泵进入马鞍型振动区运行，因此，在中、高扬程下运行时，需要设置变频运行的频率下限值。

4、若因前池水位下降，出现因汽蚀而引起的振动时，也可通过变频降速运行，改善水泵振动特性[4]。

七、小结

从作为提升供水泵站节能性的技术手段，发展为提升大型排涝泵站运行可靠性的技术手段，变频技术在浙江省的澥浦排涝泵站中得到成功应用，这也是国内大型竖井贯流泵站中首次利用该技术实现水泵机组避振区运行。经过泵站实际应用表明，机组变频运行过程中无任何不良表现，启动顺利，运行平稳，噪音低，振动小。变频运行不仅大大增强了大型竖井贯流机组运行适应能力，包括对异常振动的处理能力，还降低了运行噪音，实现工程的绿色、节能的理念。

参考文献：

[1]  肖烨 丁晓唐. 淮安三站结构振动特性及抗振分析[J].水利水电科技发展，2016，（6）：86—89.

[2]  李扬 张宇 孙岚清，等.大型泵站立式全调节轴流泵振动特性试验[J].中国农村水利水电，2018 （03）：81-95.

[3]  施卫东  姚捷 张德胜 吴苏青 王海宇. 不同转速下轴流泵压力脉动试验[J].农业机械学报，2014，45（3）：66-71.

[4]  李忠 杨敏官 高波 康灿. 空化诱发的轴流泵振动特性实验研究[J].工程热物理学报，2012，33（11）：1888-1891.