南水北調金湖泵站運行效率研究

2024年2月19日發(作者：學打羽毛球)

科技論壇2021.2南水北調金湖泵站運行效率研究沈　沖　郭　軍　孫建偉（江蘇省洪澤湖水利工程管理處　淮安　223100）【摘　要】南水北調工程是我國重大的水資源戰略工程，包括東、中、西三條線路。其中東線工程是通過抽引長江水沿大運河北上，共計13個抽水梯級，而泵站工程是調水的主要水利設施。為高效發揮南水北調工程效益，保證泵站機組安全高效運行，實現降本增效的高質量發展目標，積極開展泵站運行管理研究，努力提高工程運行效率是非常有必要的。【關鍵詞】南水北調　運行效率　因素分析　運行管理1　工程概況金湖泵站是南水北調東線工程的第2梯級站，抽引下游寶應湖金寶航道水入淮河入江水道，再由下級洪澤泵站抽入洪澤湖150m3/s。泵站安裝5臺套3350ZGQ37.5-2.45 型液壓全調節燈泡貫流泵，配套2200kW同步電機，水泵葉輪直徑3.35m，設計揚程2.45m，單機設計流量37.5m3/s。工程自2012年建成投運以來，已累計運行23700臺時，抽水32億m3。受下游寶應湖生態水位和金寶航道通航水位的影響，多年來，工程一直處于偏離設計工況運行，泵站運行效率偏低，均在40%左右。這與《泵站設計規范》中“凈揚程低于3m的泵站，其裝置效率不低于60%”的標準相差較大。因此，如何提高泵站運行效率，對工程經濟運行、降低能耗和節約成本有著十分重要的意義。量、抽水揚程和電機運行功率三個因素影響。而導致金湖泵站常年運行效率較低原因主要是以下三個方面：2.2.1揚程變大是效率提高的關鍵因素金湖泵站下游設計水位為5.45m，上游設計水位為7.90m，設計揚程2.45m，屬于低揚程泵站。因特殊的地域原因，泵站下游引河金寶航道未能與寶應湖隔離開，而寶應湖平均湖底高程為5.20m，湖區是大面積圍網水產養殖，養殖所需水深一般為1.50~2.00m，最小水深要求不低于1.00m。為保證湖區養殖水位不受影響，泵站抽水運行時，要控制下游水位在6.30~6.50m之間，泵站抽水揚程就只有1.30~1.60m，遠低于設計揚程2.45m，從而導致機組裝置效率偏低。裝置效率與揚程關系表和變化曲線分別見表1和圖1。表1中選取了2019年泵站抗旱運行不同時段代表性數據，可以看出運行期間上下游水位變化較大，揚程變化范圍較寬，裝置效率變化幅度也較大，為表1　裝置效率與揚程關系表上游下游開機抽水有功凈揚程水位水位臺數流量功率（m）3（m）（m）（臺）（m/s）（kW）3104.53425.607.536.73 0.80

3103.53635.207.556.58 0.97

3103.33808.807.556.36 1.19

3103.43694.407.646.29 1.35

3102.13547.207.656.20 1.45

3101.93516.807.646.07 1.57

3100.63307.607.675.95 1.72

3100.23265.607.665.79 1.87

7.745.84 1.90 3100.20

2949.207.715.66 2.05 3100.30

3085.80裝置效率（%）24%28%32%38%42%45%52%57%65%67%2　運行效率影響原因和分析計算2.1計算方法在泵站工程中，一般用水泵裝置效率η泵裝來衡量泵站的運行效率，計算公式如下：式中：ρ為水的密度，取常數1000kg/m3；g為重力加速度，取常數9.8m/s2；Qz為水泵瞬時流量，單位m3/s；H泵裝為抽水揚程，單位為m；P泵為電機瞬時有功功率，單位為kW。公式簡化后如下：2.2因素分析由計算公式可以看出，泵站裝置效率受水泵流24

2021.2科技論壇圖1　裝置效率與揚程變化曲線圖圖2　裝置效率與流量變化曲線圖（1.50m）圖3　裝置效率與流量變化曲線圖（1.30m）表2　裝置效率與流量關系表（1.50m）上游下游開機單機有功水位水位凈揚程臺數總流量裝置流量（m）（m）（m）（臺）（m3/s）（m3功率效率/s）（kW）（%）7.666.18 1.48 3 101.70 33.90 2549.20 59%7.886.40 1.48 1 36.30 36.30928.80 58%7.706.20 1.50 2 80.80 40.40 2139.60

57%7.696.20 1.49 2 86.10 43.05 2492.80

51%7.726.24 1.48 2 89.90 44.95 2743.20

49%7.906.40 1.50 2 90.40 45.20 2804.40

48%7.806.30 1.50 2 94.20 47.10 3284.40

43%圖4　水泵試驗性能曲線圖分析計算提供了豐富的有價值的數據。計算選取了相同的開機臺數，確保泵站總流量相同條件下進行分析。結果可見，泵站裝置效率隨著抽水揚程的增大而不斷提高，裝置效率的提高與揚程的增大基本上成正比例線性增長趨勢。當揚程小于1.35m時，裝置效率較低，偏離設計規范要求較多。當揚程大于1.86m時，裝置效率顯著增加，且超過60%，最高為67%，滿足《泵站設計規范》中裝置效率的要求。2.2.2流量增大導致效率降低金湖站水泵為液壓全調節型，電機轉速不變，通過調節葉片角度來調整水泵流量，葉片角度調整范圍為-6°~+6°。由于水泵功率與流量之間存在關聯關系，無法單獨將水泵功率或總流量作為變量進行分析。表2和表3分別選取了1.50m揚程和1.30m表3　裝置效率與流量關系表（1.30m）上游下游水位水位凈揚程開機單機有功裝置（m）（m）（m）臺數總流量（臺）（m3/s）流量功率效率（m3/s）（kW）（%）7.646.34 1.30 3 101.90 33.97 2506.00 53%7.676.37 1.30 3 103.10 34.37 2602.00 52%7.636.33 1.30 135.50 35.50 924.40

50%7.776.47 1.30 2 72.30 36.15 1991.20

47%7.776.47 1.30 3 121.10 40.37 3686.40

43%7.826.52 1.30 2 85.10 42.55 2614.00

42%7.185.88 1.30 3 133.90 44.63 5274.80

33%揚程的條件下，單機流量不同的數據，分析裝置效率隨單機流量變化呈現的趨勢。在表2和表3中，選取的數據中開機臺數、總流量和開啟的機組并非完全相同，在不考慮各臺機組本身狀況和進出水池水流影響的前提下，由圖2、圖3中裝置效率變化趨勢可以得出：當揚程一定時，裝置效率隨單機流量增加總體成降低趨勢。圖2中單機流量大于40m3/s，圖3中單機流量大于42.5m3/s時，裝置效率下降趨勢更加明顯。通過查詢水泵試驗性能曲線（圖4）可知，水泵高效區為35~42m3/s，與表中計算出的裝置效率較高的單機流量基本吻合。由流量曲線可以推算，η最高前，單機流量隨主機功率增大迅速增加，η達到最高后，單機流量隨主機功率的增加繼續增加，但是流量的增大幅度遠低于主機功率增加的幅度，在η泵裝計算公式中，即Q與P的比值迅速變小，裝置效率迅速降低，與圖2和圖3中的裝置效率下降趨勢基本相同。當水泵在低揚程大角度運行時，流量超過設計流量，由于流道水頭損失h與流量Q平方成正比，即h=kQ2，水頭損失隨著單機流量增大而增大，加之揚程H低于設計揚程，流道水力效率=1-h/H大幅度降低，也成為了運行效率降低的主要原因。3　提高運行效率的措施25

科技論壇2021.2引江濟淮東淝河與淮河干流銜接段水工物理模型試驗研究張子浩（水利水資源安徽省重點實驗室　安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院　蚌埠　233000）【摘　要】淮河和東淝河交匯段是引江濟淮工程的一個節點工程，銜接段包括上、下引航道、船閘等建筑。本文通過水工模型試驗論證了引江濟淮東淝河入淮口與淮河干流銜接段航道線路平面布置的合理性，并根據試驗結果對原設計方案口門區域內航道布置進行優化，最終推薦上下行航道合并方案作為設計方案。成果可為類似工程的航道設計提供必要的技術支撐。【關鍵詞】模型試驗　平面布置　流態　通航條件1　工程概況淮河和東淝河交匯段是引江濟淮工程的一個節點工程。現狀東淝河河道較窄，且呈垂直角度匯入淮河，現有的河道條件不能滿足建設Ⅱ級航道的要求，需對原東淝河河道疏浚拓寬并在淮河右岸灘地新開一條航道與淮河航道平順連接。為了科學合理經濟設計，優化該段平面布置，為航道設計提供必要的技術支撐，同時為以后船舶航行提供必要管理要求[1,2]，開展該段模型試驗研究。在河道原型觀測資料分析的基礎上，通過水工模型試驗研究，從航道的通航水流條件及口門區新開挖航道穩定性等方面，論證引江濟淮東淝河入淮口與淮河干流銜接段航道線路平面布置的合理性，并根據試驗結果提出口門區域內航道布置的優化措施[3,4]。根據物理模型試驗結果，優化現有設計方案，3.1提高泵站揚程根據江蘇省政府批復的《淮安市金湖縣高郵湖寶應湖退圩還湖專項規劃》，金湖縣將清除寶應湖湖區內圍網養殖，待退圩還湖完成后，調水運行時，金湖站站下水位可控制在設計水位5.45m左右，對工程運行效率提升作用巨大，從根本上解決了運行效率偏低的現狀。3.2優化機組運行當現狀上下游水位組合無法達到設計水位，實際運行時揚程偏低，管理單位可通過調整機組流量和功率的方式來提高裝置效率。在滿足調度流量前提下，優化配置運行臺數和單機流量，依據水泵性能曲線，調整最佳葉片角度，盡可能保證機組在高效區域運行，避免長時間大流量高功率的運行工況，以滿足通航安全和航槽穩定的要求。2　試驗設計根據東淝河入淮口與淮河干流銜接段的試驗內容和要求，為保證模型進、出流邊界相似，選定模型范圍為：淮河老東淝河河口以上模擬約1.5km，以下模擬約1.3km；東淝河上游模擬至東淝閘以上約200m，下游模擬至淮河；橫向模擬至大堤。采用正態模型，選定模型比尺為1∶100。東淝河入淮口與淮河干流銜接段整體水工模型布置圖見圖1。根據當地歷年水文資料及與設計院協商，確定的試驗工況見表1。3　結果與分析3.1原設計方案上下行航道分開布置方案研究成果從而提高工程運行效率，降低能耗。3.3強化運行管理管理單位在日常維護管理中，定期進行水泵和流道的水下檢查，開展進出水流道淤積物清理，定期清理水泵進水口攔污格柵，及時打撈河面水草和漂浮物。這些管理措施在一定程度上可以減小局部的水力損失，為提高機組運行效率提供了保障。4　結語作為南水北調大型的調水泵站，工程運行時間長，抽水量大，開展泵站運行管理研究，提高機組運行效率是非常有必要的。通過工程運行實踐和技術研究，得出提高裝置效率措施不僅在于工程設計與設備本身，還與科學的調度、合理的運行以及日常的維護管理息息相關■26