浅述无锡市小型泵站取消拍门断流装置的可行性

浅述无锡市小型泵站取消拍门断流装置的可行性

虞磊

锡市防洪工程管理处江苏无锡214000

摘要：无锡市属北亚热带季风气候，四季分明，气候湿润。受海洋季风的影响，春夏之交多“梅雨”，夏末秋初有台风。市区河网密布，京杭大运河穿城而过，北侧有锡澄运河、白屈港、北兴塘河与长江相通，南侧有梁溪河等与太湖相通，东有九里河、泊渎港流入望虞河。城区防汛泵站使用的绝大多数是小型水泵，小型低扬程泵站一般采用拍门断流，其装置效率一般很不理想。在低扬程泵站中如果能够取消断流装置，那么就可以大幅度提高泵站装置效率，简化泵站结构，节省投资费用。本文通过对小型低扬程泵站在无断流装置条件下机组的开停机的分析，对取消断流装置的可行性及取消的前提条件做初步的论证。

关键词：小型泵站取消拍门断流装置

1.问题提出

小型低扬程泵站一般采用拍门断流，其装置效率一般很不理想，主要原因是拍门的损失很大。一个净扬程2.0m的泵站，如果拍门的损失是0.5m，其他损失也为0.5m，水泵效率为80%，那么装置效率约为53%。如果没有拍门，那么装置效率约为64%。如果是lm扬程的泵站，损失和水泵效率同上，有拍门的装置效率约为40%，无拍门的装置效率约为53%。

大型泵站为了提高装置效率通常是改用快速闸门、多页拍门等水头损失较小的断流装置，但这些断流装置结构复杂、造价也比较高，对小型泵站并不经济合理。到目前为止还没有比拍门水力性能更好、更经济的断流装置出现。

在低扬程泵站中如果能够取消断流装置，那么就可以大幅度提高泵站装置效率，简化泵站结构，节省投资费用，因此断流装置是不是必需，能不能取消，是值得我们重新考虑的问题。

2.取消断流装置的主要条件

断流装置的主要作用是解决机组的启动和关闭的问题。如果机组在没有断流装置的条件下也能安全地启动和关闭，那么就可以确定该机组不需要设置断流装置了。

3.机组运行受力分析

当启动时电磁力矩小于等于摩擦力矩和水阻力矩的合阻力矩时，合阻力矩为曲线①。这时机组只能稳定在B点，不能达到正常工况C点，由于机组在B点运行的转差率很大，相应的电流也很大，电机长时间运行会烧毁，所以机组不能在该条件下启动。

当启动时电磁力矩大于摩擦力矩和水阻力矩的合阻力矩时，合阻力矩为曲线②。启动后机组经过一定时间的过渡运行，最终会在E点稳定下来。因此机组在该条件下启动。

这时启动力矩与有断流装置时候相比，多了水阻力矩，但少了断流装置的附加力矩。如果水阻力矩小于断流装置的附加力矩，启动方式也可采用有断流装置时候的启动方式。如果水阻力矩大于断流装置的附加力矩，那么采用重载启动可以基本解决启动问题。

对于特定机组，可以通过扬程来判断启动时合阻力矩与电磁力矩的大小。令公式(1)等号右项为零，启动时机组的转速为零，摩擦力矩Mf为最大静摩擦力矩，由公式(2)可以求得电磁力矩Md。由公式(3)可以求得可能启动的临界水阻力矩。根据水泵的全特性曲线，由水阻力矩、转速即可求取临界水阻力矩的对应的临界扬程。当泵站扬程大于等于临界扬程时合阻力矩是曲线①的情况，反之，是曲线②的情况。

由于水阻力矩大于最大静摩擦力矩，机组在没有启动前是反转的。这时候也存在两种情况，同上绘制力矩与转速的关系曲线(图5)。

当在零转速时刻电磁力矩、摩擦力矩和水阻力矩的合力矩小于零时，合阻力矩为曲线①。机组启动后经过一段时间之后稳定于B处，无法达到正常转速，电机处于堵转状态，很容易烧毁，所以机组不能在该条件下启动。

图5电磁力矩与合阻力矩一转速关系

当在零转速时刻电磁力矩大于摩擦力矩和水阻力矩的合阻力矩大于零时，合阻力矩为曲线②。这时机组经过一段时间的过渡运行后稳定在E处(S=1)。

由图1可知，电机在D点到转速为零(S=1)期间是处于电磁制动状态，电流可能很大，有可能烧毁电机，能否正常启动需计算启动过程中电流才能确定。

如果在电机中安装电磁制动器，启动前附加一个电磁制动力矩，人为的使阻动力矩(电磁制动力矩+摩擦力矩)大于水阻力矩。在电机启动时刻取消电磁制动力矩，那么情况和(4)中的第一种情况一样，启动就不会有太大问题。

5.无断流装置时停机可行性分析

断流装置在停机时的作用是防止机组倒转，损害机组。分析不同扬程条件下，无断流装置停机可能达到的最大转速，在设计机组时就要求机组在可能达到的最大转速内不损坏，那么无断流装置停机也是可行的。

5.1负扬程

图6水阻力矩与摩擦力矩一转速关系

6.其他问题

在机组倒转时电‘动机会不会发电是取消断流装置时我们关心的问题。水泵通常使用异步电动机驱动。异步电动机发电的电压建立过程是这样的：当转子被原动机拖动以一定的转速转动时，转子上的剩磁场将切割定子绕组，在定子绕组中产生出微弱的感应电势，这个弱小电势将通过外接的励磁电容在定子绕组中形成弱小电流，这个弱小电流在定子绕组中产生的磁场，经磁祸合又恰好使转子磁

场进一步加强，转子磁场的增大又会使定子绕组感应电势增大，相继使电容电流增大、使定子绕组磁场进一步加强，反过来又使转子磁场进一步增强。这是一个自激正反馈过程，很快可使电机建立起电压。由此不难看出，异步发电必须具备以下条件：

(1)有原动机拖动供给机械能量；

(2)电动机必须有剩磁；

(3)必须外接一定量的电容，供给电动机建立定子磁场所需的无功电流。

在水泵机组中，条件(1)(2)是能满足的，但条件(3)就无法满足了，所以电机是无法正常发电的，至少发出的电的电压很低，可以忽略不计。

7.结论

从上述分析可以看出，小型低扬程泵站取消断流装置在一定条件下是可行的。关键是解决机组的启动问题。这里我们只是对启动问题做了初步的分析判断，由于机组启动的过渡过程是复杂的水机电相互作用的过程，是否可以取消断流装置还应结合实际情况做更准确的分析计算后才能作出决定。考虑到取消断流装置对提高低扬程泵站装置效率的巨大作用，能大幅提高城市防汛的能力，我认为以后还要通过大量的实践工作加以论证。

参考文献

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[2]顾绳谷.电机及拖动基础。机械工业出版社，1998.

[3]刘光临，郭满华.水泵全性能曲线的计算机仿真.水利报，1998年第8期.

[4]于必录，刘超，杨晓东.泵系统过渡过程分析与计算利水电出版社，1993.

[5]陈炎炉.大型电力排灌站.水利水电出版社，1984.