所以,出现了某泵站为解决启动强烈振动问题,耗巨资进行部分机组更新改造,将水泵设计扬程进一步提高。据报道,改造以后,站运行效率很低,而且汽蚀振动严重。更新改造的结果,说句戏言:又急待下一次“节能改造”!
综上可见,这一据极度片面的观察,得出的错误认识,在我国影响之大,不可轻视。那么,怎么说现象观察极度片面呢?因为出现启动剧强振动现象的虹吸式泵站,全面现象是,在较低净扬程下启动时,尽管启动扬程很高,却并不产生强烈振动,随着净扬程逐步提高,从开始产生短促强烈振动,并自动止息,逐步延长振动时间,直到永不止息为止。举例来说,江都一、二站64ZLB-50型水泵,叶片角度为0°时,水泵最高效率扬程为8米,鞍底扬程约为7.3米,鞍顶扬程约为10米。当净扬程在3米以下启动时,最大启动扬程超过鞍顶扬程进入小流量区域,整个启动过程中也不会发生强烈振动,净扬程达3米以上,启动扬程急剧上升超过鞍顶扬程阶段,并不产生振动,待真空破坏阀排气结束,关闭后,停瞬间,启动扬程迅速下降过程中突然发生振动,开始为一分钟左右,强烈启动振动自动息止,净扬程逐步提高,振动时间逐步延长,直至净扬程达6.5米以上时,这种振动将永不止息。逐步提高或降低,在运行中的水泵扬程,全程经过鞍区扬程均不会产生强烈振动。在稳定运行中的水泵,打开真空破坏阀,提高运行扬程,并不产生振动,但再关闭以后,和水泵启动过程一样将产生的振动直到永不止息,而被迫停机,这是虹吸式轴流泵站产生强烈水力振动,如果全面观察分析这些现象,就绝不会如此简单错误地认为,虹吸式泵站启动扬程过高进入马鞍区,而马鞍区为不稳定运行区,轴流泵应该避免在这个区域运行吗?
早在70年代完成的江都四站设计,在周君亮院士等前辈指导下,广纳当时国内科研成果(确认了轴流泵在马鞍区是可以稳定运行的),并圆满杜绝虹吸式轴流泵站启动振动现象。大胆合理地将江都四站水泵设计扬程比一、二、三站降低了3米。经过20多年的运行,充分证明设计是正确的,成功的。
众所周知,轴流泵的全性能曲线,不是理论计算出来的,而是根据实测资料绘制的。运行扬程逐步升高至鞍顶扬程附近,都能稳定运行,才可绘制出大量流量曲线。运行扬程逐步降低,至鞍底扬程也能稳定运行,才能绘制出小流量曲线。如果水泵在马鞍区内工作不稳定,就不可能实测出马鞍区性能曲线来,这是一个常识问题。江都排灌站运行实践告诉我们,轴流泵在鞍底以上扬程完全可以稳定运行。江都四站轴流泵,高效扬程为6米,由于是虹吸式出水,启动扬程较高,最大启动扬程达13米左右,由于虹吸管设计相当,从未发生启动振动现象,实测运行净扬程达7.8米时,水泵运行全扬程将在8米以上,当进入马鞍区,不但能稳定运行,而且装置运行效率达76%。曾作排除进口引河积水非常运行,随着水位逐渐下降,运行扬程逐步上升,最大运行净扬程达11.5米,可能已经超出鞍顶扬程,进口最低水位在叶轮中心以下吸上2.5米,都能稳定运行,只是气蚀声响和振动较大。
江都一、二站更新改造前选用64ZBL-50型轴流泵,设计扬程为8米,就在马鞍区内。在一站兴建初期曾打开真空破坏阀并逐渐降低进水水位试验运行,当水泵运行扬程达10米时,正处于鞍顶扬程附近,才出现强烈振动现象。此前都能稳定运行,关闭真空破坏阀后,水泵又恢复稳定运行。
在一站更新改造工程模型试验中,我们特别仔细地观察了水泵振动情况,模型泵工作扬程脉动正常达13厘米左右,当工作扬程逐步上升时,在马鞍区内稳定工作,只有在临近鞍顶扬程时才会失去稳定,产生强烈振动。在强烈振动发生时,只要稍稍改变水泵转速,即改变鞍顶扬程,水泵振动便会立即停止。
轴流泵在临近鞍顶扬程附近运行时所以会出现强烈水力振动,是因为鞍顶扬程附近H-Q曲线非常平坦,而水泵工作扬程大达0.5米以上的脉动,这扬程脉动值,鞍顶扬程附近,可导致2M3/S流量的剧烈变化,从而在叶片上产生水流滚翻撞击等强烈水力振动现象。可以断言,在此扬程下,如果改变叶片安放角度,即改变鞍顶扬程,这种振动会立即消除。
四、拦污栅严重堵塞引起的强烈振动和噪声,令大型泵站支持更高选用水泵设计扬程
大型泵站排涝运行中,普遍存在拦污栅严重堵塞,江都泵站也曾面临过此类问题。站下游水草成垛,拦污栅犹如一道草墙,前后水位差一般达2-3米,最大可达4-5米。且栅后水位大幅脉动,剧烈翻滚,水泵出流挟气,电机功率较大幅值振荡,种种现象说明由于拦污栅严重堵塞,进口水位严重降低,且脉动异常,使运行扬程扩大,大泵在恶劣的吸上运行状态高扬程运行,可能临近鞍顶扬程附近,产生强烈的水力振动,总之使运行工况极不稳定,感到厂房也伴随机组振动,另人不由产生惊惧不安之感。
1998年9月,在长江流域发生大洪水以后,为寻求泵站改造商机,笔者曾受派遣,去湖北武汉市相关单位寻求合作,进行泵站改造。从几个单位的英雄榜上,看到员工们为泵站安全运行,舍身冒死地站在严重堵塞的拦污栅后水中,用双手清除附着在拦污栅上的杂物。(江都站也曾临时停机吊起拦污栅,清理杂草的方法比较安全)曾经想过,不可以漠视为泵站高效安全运行,同仁们舍身忘死的情形。泵站改造工程首先要解决拦污栅堵塞的问题。
其实,只要有投资,解决拦污栅堵塞问题并不很困难。江都站的经验是,在进口引河或兴建或依托建筑物设迴转清污装置,清除杂物很彻底、很方便。
大灾过后,迫使人们反思,笔者拜访的话题正是主人们所思所想,所以一开头总比较融洽,急待改造泵站的大致情况为: 原泵站为虹吸式出水真空破坏断流,由于江河泥沙淤积,越驼峰洪水位发生频率提高,虹吸驼峰底为洪水淹没,停机不能断流,洪水期泵站不能开机的几率提高了。 原用64ZLB-50型轴流泵,设计扬程7米(实际为8米) 经常运行净扬程为3-5米,由于启动扬程过高,进入不稳定运行马鞍区,产生强烈振动、启动振动。最大水位差为6.5米左右,由于拦污栅堵塞严重,运行扬程过高。所以需要改造虹吸管为直管出水,提高水泵设计扬程提高至9-9.5米,才能保证泵站安全运行。 笔者分析,轴流泵马鞍区可以稳定运行,虹吸式出水泵站启动振动现象是虹吸驼峰设计缺陷造成的。启动过程中随着出水管中水位上升,存留空气受压缩,大部分经真空破坏阀或出水口排出,顶部存在不易于排除的残余弹性气囊,在水泵工作压力脉动的作用下,压缩-反弹-以致产生振荡,使驼峰顶负压双幅值大幅跳跃变化,原型实测江都二站,负压跳跃变化达4米水柱。造成轴流泵工作扬程,可能在高于鞍顶和低于鞍底扬程之间反复跳跃变化,水泵流量在相应扬程下,大幅跳跃变化,而在叶轮上产生的强烈水力振动,俗称启动振动。(参见文献3)根据江都四站及此后续建多座泵站成功的经验,仅花数万元费用,改造虹吸驼峰顶,即可消除这种启动振动现象。所以不必改造虹吸管。为提高泵站经常运行效率,应降低水泵设计扬程,而不是提高。拦污栅堵塞问题应优先解决。解决最大洪水位时超驼峰继续运行的改造工程中,也应保留虹吸管。因为废除旧管,新建直管耗资大增。同时必须新建挡水闸门,在保留虹吸管时,该闸门可为简单的事故挡洪门,只承载超驼峰水位差的水压力,造价较低;而采用直管时,该挡洪门必须按泵站断流的快速闸门设计,其需承水压力当升至十数米,闸门及启闭机的造价将远大于前者。