南水北调金湖泵站运行效率研究

2024年2月19日发(作者：学打羽毛球)

科技论坛2021.2南水北调金湖泵站运行效率研究沈　冲　郭　军　孙建伟（江苏省洪泽湖水利工程管理处　淮安　223100）【摘　要】南水北调工程是我国重大的水资源战略工程，包括东、中、西三条线路。其中东线工程是通过抽引长江水沿大运河北上，共计13个抽水梯级，而泵站工程是调水的主要水利设施。为高效发挥南水北调工程效益，保证泵站机组安全高效运行，实现降本增效的高质量发展目标，积极开展泵站运行管理研究，努力提高工程运行效率是非常有必要的。【关键词】南水北调　运行效率　因素分析　运行管理1　工程概况金湖泵站是南水北调东线工程的第2梯级站，抽引下游宝应湖金宝航道水入淮河入江水道，再由下级洪泽泵站抽入洪泽湖150m3/s。泵站安装5台套3350ZGQ37.5-2.45 型液压全调节灯泡贯流泵，配套2200kW同步电机，水泵叶轮直径3.35m，设计扬程2.45m，单机设计流量37.5m3/s。工程自2012年建成投运以来，已累计运行23700台时，抽水32亿m3。受下游宝应湖生态水位和金宝航道通航水位的影响，多年来，工程一直处于偏离设计工况运行，泵站运行效率偏低，均在40%左右。这与《泵站设计规范》中“净扬程低于3m的泵站，其装置效率不低于60%”的标准相差较大。因此，如何提高泵站运行效率，对工程经济运行、降低能耗和节约成本有着十分重要的意义。量、抽水扬程和电机运行功率三个因素影响。而导致金湖泵站常年运行效率较低原因主要是以下三个方面：2.2.1扬程变大是效率提高的关键因素金湖泵站下游设计水位为5.45m，上游设计水位为7.90m，设计扬程2.45m，属于低扬程泵站。因特殊的地域原因，泵站下游引河金宝航道未能与宝应湖隔离开，而宝应湖平均湖底高程为5.20m，湖区是大面积围网水产养殖，养殖所需水深一般为1.50~2.00m，最小水深要求不低于1.00m。为保证湖区养殖水位不受影响，泵站抽水运行时，要控制下游水位在6.30~6.50m之间，泵站抽水扬程就只有1.30~1.60m，远低于设计扬程2.45m，从而导致机组装置效率偏低。装置效率与扬程关系表和变化曲线分别见表1和图1。表1中选取了2019年泵站抗旱运行不同时段代表性数据，可以看出运行期间上下游水位变化较大，扬程变化范围较宽，装置效率变化幅度也较大，为表1　装置效率与扬程关系表上游下游开机抽水有功净扬程水位水位台数流量功率（m）3（m）（m）（台）（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装置效率（%）24%28%32%38%42%45%52%57%65%67%2　运行效率影响原因和分析计算2.1计算方法在泵站工程中，一般用水泵装置效率η泵装来衡量泵站的运行效率，计算公式如下：式中：ρ为水的密度，取常数1000kg/m3；g为重力加速度，取常数9.8m/s2；Qz为水泵瞬时流量，单位m3/s；H泵装为抽水扬程，单位为m；P泵为电机瞬时有功功率，单位为kW。公式简化后如下：2.2因素分析由计算公式可以看出，泵站装置效率受水泵流24

2021.2科技论坛图1　装置效率与扬程变化曲线图图2　装置效率与流量变化曲线图（1.50m）图3　装置效率与流量变化曲线图（1.30m）表2　装置效率与流量关系表（1.50m）上游下游开机单机有功水位水位净扬程台数总流量装置流量（m）（m）（m）（台）（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%图4　水泵试验性能曲线图分析计算提供了丰富的有价值的数据。计算选取了相同的开机台数，确保泵站总流量相同条件下进行分析。结果可见，泵站装置效率随着抽水扬程的增大而不断提高，装置效率的提高与扬程的增大基本上成正比例线性增长趋势。当扬程小于1.35m时，装置效率较低，偏离设计规范要求较多。当扬程大于1.86m时，装置效率显著增加，且超过60%，最高为67%，满足《泵站设计规范》中装置效率的要求。2.2.2流量增大导致效率降低金湖站水泵为液压全调节型，电机转速不变，通过调节叶片角度来调整水泵流量，叶片角度调整范围为-6°~+6°。由于水泵功率与流量之间存在关联关系，无法单独将水泵功率或总流量作为变量进行分析。表2和表3分别选取了1.50m扬程和1.30m表3　装置效率与流量关系表（1.30m）上游下游水位水位净扬程开机单机有功装置（m）（m）（m）台数总流量（台）（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%扬程的条件下，单机流量不同的数据，分析装置效率随单机流量变化呈现的趋势。在表2和表3中，选取的数据中开机台数、总流量和开启的机组并非完全相同，在不考虑各台机组本身状况和进出水池水流影响的前提下，由图2、图3中装置效率变化趋势可以得出：当扬程一定时，装置效率随单机流量增加总体成降低趋势。图2中单机流量大于40m3/s，图3中单机流量大于42.5m3/s时，装置效率下降趋势更加明显。通过查询水泵试验性能曲线（图4）可知，水泵高效区为35~42m3/s，与表中计算出的装置效率较高的单机流量基本吻合。由流量曲线可以推算，η最高前，单机流量随主机功率增大迅速增加，η达到最高后，单机流量随主机功率的增加继续增加，但是流量的增大幅度远低于主机功率增加的幅度，在η泵装计算公式中，即Q与P的比值迅速变小，装置效率迅速降低，与图2和图3中的装置效率下降趋势基本相同。当水泵在低扬程大角度运行时，流量超过设计流量，由于流道水头损失h与流量Q平方成正比，即h=kQ2，水头损失随着单机流量增大而增大，加之扬程H低于设计扬程，流道水力效率=1-h/H大幅度降低，也成为了运行效率降低的主要原因。3　提高运行效率的措施25

科技论坛2021.2引江济淮东淝河与淮河干流衔接段水工物理模型试验研究张子浩（水利水资源安徽省重点实验室　安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院　蚌埠　233000）【摘　要】淮河和东淝河交汇段是引江济淮工程的一个节点工程，衔接段包括上、下引航道、船闸等建筑。本文通过水工模型试验论证了引江济淮东淝河入淮口与淮河干流衔接段航道线路平面布置的合理性，并根据试验结果对原设计方案口门区域内航道布置进行优化，最终推荐上下行航道合并方案作为设计方案。成果可为类似工程的航道设计提供必要的技术支撑。【关键词】模型试验　平面布置　流态　通航条件1　工程概况淮河和东淝河交汇段是引江济淮工程的一个节点工程。现状东淝河河道较窄，且呈垂直角度汇入淮河，现有的河道条件不能满足建设Ⅱ级航道的要求，需对原东淝河河道疏浚拓宽并在淮河右岸滩地新开一条航道与淮河航道平顺连接。为了科学合理经济设计，优化该段平面布置，为航道设计提供必要的技术支撑，同时为以后船舶航行提供必要管理要求[1,2]，开展该段模型试验研究。在河道原型观测资料分析的基础上，通过水工模型试验研究，从航道的通航水流条件及口门区新开挖航道稳定性等方面，论证引江济淮东淝河入淮口与淮河干流衔接段航道线路平面布置的合理性，并根据试验结果提出口门区域内航道布置的优化措施[3,4]。根据物理模型试验结果，优化现有设计方案，3.1提高泵站扬程根据江苏省政府批复的《淮安市金湖县高邮湖宝应湖退圩还湖专项规划》，金湖县将清除宝应湖湖区内围网养殖，待退圩还湖完成后，调水运行时，金湖站站下水位可控制在设计水位5.45m左右，对工程运行效率提升作用巨大，从根本上解决了运行效率偏低的现状。3.2优化机组运行当现状上下游水位组合无法达到设计水位，实际运行时扬程偏低，管理单位可通过调整机组流量和功率的方式来提高装置效率。在满足调度流量前提下，优化配置运行台数和单机流量，依据水泵性能曲线，调整最佳叶片角度，尽可能保证机组在高效区域运行，避免长时间大流量高功率的运行工况，以满足通航安全和航槽稳定的要求。2　试验设计根据东淝河入淮口与淮河干流衔接段的试验内容和要求，为保证模型进、出流边界相似，选定模型范围为：淮河老东淝河河口以上模拟约1.5km，以下模拟约1.3km；东淝河上游模拟至东淝闸以上约200m，下游模拟至淮河；横向模拟至大堤。采用正态模型，选定模型比尺为1∶100。东淝河入淮口与淮河干流衔接段整体水工模型布置图见图1。根据当地历年水文资料及与设计院协商，确定的试验工况见表1。3　结果与分析3.1原设计方案上下行航道分开布置方案研究成果从而提高工程运行效率，降低能耗。3.3强化运行管理管理单位在日常维护管理中，定期进行水泵和流道的水下检查，开展进出水流道淤积物清理，定期清理水泵进水口拦污格栅，及时打捞河面水草和漂浮物。这些管理措施在一定程度上可以减小局部的水力损失，为提高机组运行效率提供了保障。4　结语作为南水北调大型的调水泵站，工程运行时间长，抽水量大，开展泵站运行管理研究，提高机组运行效率是非常有必要的。通过工程运行实践和技术研究，得出提高装置效率措施不仅在于工程设计与设备本身，还与科学的调度、合理的运行以及日常的维护管理息息相关■26