淮安抽水二站加固改造技術(shù)分析研究

馮 俊袁 聰王 榮

（1.江蘇省河道管理局，江蘇南京 210029；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

1 工程簡介

江蘇省淮安抽水二站（淮安二站）位于淮安市淮安區(qū)南郊三堡鄉(xiāng)、京杭大運(yùn)河和蘇北灌溉總渠的交匯處，是淮安水利樞紐工程的重要組成部分，也是南水北調(diào)東線工程第二梯級(jí)中的主力泵站。與淮安一站、三站和四站共同抽引江都站和寶應(yīng)站輸送的長江水入灌溉總渠，輸送至淮陰站下，滿足南水北調(diào)東線一期工程第二、第三梯級(jí)抽水300 m3/s的規(guī)劃目標(biāo)，此外還與淮安一站共同擔(dān)負(fù)著白馬湖地區(qū)4.67萬hm2農(nóng)田的排澇和渠北地區(qū)13.33萬hm2農(nóng)田的灌溉及該地區(qū)工業(yè)、航運(yùn)、城鄉(xiāng)人民生活用水的任務(wù)。工程于1975年1月動(dòng)工興建，1978年12月竣工，2010年10月經(jīng)國務(wù)院南水北調(diào)辦公室批準(zhǔn)開始加固改造，2012年12月通過試運(yùn)行驗(yàn)收。

2 加固改造設(shè)計(jì)方案

淮安二站改造工程設(shè)計(jì)規(guī)模為120 m3/s，調(diào)水設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.9 m，裝配2臺(tái)立式全調(diào)節(jié)軸流泵，水泵葉輪直徑4.5 m，單機(jī)流量60 m3/s。配套5000 kW立式同步電機(jī)2臺(tái)套，電機(jī)額定電壓6 kV，額定轉(zhuǎn)速93.8 r/min。采用堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，配肘形進(jìn)水流道、虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流。泵站規(guī)模為大（Ⅱ）型，工程等別為Ⅱ等，泵站站房和出水流道（第三節(jié)）及防滲范圍翼墻等主要建筑物等級(jí)為2級(jí)，進(jìn)、出水側(cè)翼墻等次要建筑物等級(jí)為3級(jí)。工程防洪標(biāo)準(zhǔn)按50年一遇洪水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，200年一遇洪水位進(jìn)行校核。

此次改造參照了其他大型泵站改造的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)淮安二站的實(shí)際使用情況及工程特點(diǎn)，在確保工程安全可靠的前提下，探索使用了一些新技術(shù)和新工藝，經(jīng)實(shí)際工程使用，取得了較好的效果。

3 加固改造主要內(nèi)容

3.1 水力模型的比選確定

根據(jù)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院《南水北調(diào)東線第一期工程淮安二站改造工程可行性研究報(bào)告預(yù)審意見》，采用水利部的水泵模型同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)成果及其他新開發(fā)的水力模型成果，結(jié)合淮安二站的主要技術(shù)參數(shù)以及類似工程泵型比選的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)淮安二站選擇水泵轉(zhuǎn)速100.0 r/min、93.8 r/min進(jìn)行初步篩選，再從中選擇相對(duì)較理想的2～3個(gè)水力模型進(jìn)行詳細(xì)比選，力求在最大范圍內(nèi)選擇最合理的水泵nD值。

（1）水力模型初步篩選

利用泵段模型試驗(yàn)成果，估算流道損失，換算原型水泵技術(shù)參數(shù)。依據(jù)水規(guī)總院的審查意見，在可研、初步設(shè)計(jì)階段，立式軸流泵肘型進(jìn)水流道水力損失估算值取0.15 m，虹吸式出水流道水力損失估算值取0.60 m，故淮安二站流道損失取0.75 m。

根據(jù)水利部天津同臺(tái)泵段試驗(yàn)成果換算的適合淮安二站的原型泵性能參數(shù)見表1。

表1 不同水力模型換算后的原型泵性能參數(shù)

由表 1 可見：TJ04-ZL-01、TJ04-ZL-06、TJ04-ZL-22、TJ05-ZL-02 四個(gè)水力模型采用葉輪直徑4.5 m，轉(zhuǎn)速93.8 r/min，其中，TJ05-ZL-02相對(duì)較好；TJ04-ZL-01、TJ04-ZL-06、TJ04-ZL-22、TJ05-ZL-02 四個(gè)水力模型采用葉輪直徑4.2 m，轉(zhuǎn)速100.0 r/min，其中，TJ04-ZL-06相對(duì)較好。因此，取 TJ05-ZL-02、TJ04-ZL-06 兩個(gè)水力模型換算的不同直徑和轉(zhuǎn)速的原型泵段進(jìn)行進(jìn)一步比較。

（2）水力模型比選

方案一：選取TJ05-ZL-02水力模型，經(jīng)計(jì)算，取葉輪直徑D=4.5 m，轉(zhuǎn)速n=93.8 r/min，原型泵段性能曲線見圖1。方案二：選取TJ04-ZL-06水力模型，經(jīng)計(jì)算，取葉輪直徑D=4.2 m，轉(zhuǎn)速n=100.0 r/min，原型泵段性能曲線見圖2。特征揚(yáng)程下兩個(gè)水力模型的真機(jī)性能參數(shù)見表2。

由表2可以看出，方案一和方案二原型泵裝置效率相差不大，流量也能滿足要求。方案一水泵葉輪直徑保持不變，水泵轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，有利于提高水泵的汽蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，水泵進(jìn)、出水流道維持不變，不需要進(jìn)行改造。方案二水泵葉輪直徑從原來的4.5 m減小到4.2 m，流道斷面減小，流速增大，流道損失相應(yīng)增大，水泵轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，水泵葉輪直徑減小，相應(yīng)的進(jìn)、出水流道需要進(jìn)行改造，增加了土建工程量和施工難度。因此，最終選定方案一。

水泵中標(biāo)單位根據(jù)實(shí)施階段的水泵葉輪直徑及水泵結(jié)構(gòu)尺寸，在河海大學(xué)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了泵站模型裝置特性試驗(yàn)，對(duì)水泵水力性能進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的葉片安放角度、設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程、平均凈揚(yáng)程下試驗(yàn)得出的模型最高裝置效率、模型裝置效率、換算得出的原型流量均達(dá)到了本方案的預(yù)期設(shè)計(jì)。泵站模型裝置特性試驗(yàn)成果見表3。

圖1 TJ05-ZL-02真機(jī)泵段性能曲線

圖2 TJ04-ZL-06真機(jī)泵段性能曲線

表2 兩個(gè)水力模型的真機(jī)性能參數(shù)

3.2 電機(jī)定子結(jié)構(gòu)型式及制造工藝的改進(jìn)

改造前的淮安二站電機(jī)定子為分瓣式結(jié)構(gòu)，由廠家將電機(jī)定子分為三瓣制造后到現(xiàn)場進(jìn)行組裝。經(jīng)過多年的運(yùn)行總結(jié)，其存在兩個(gè)比較大的缺陷：一是由于原電機(jī)為20世紀(jì)70年代生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)工藝較為落后，采用環(huán)氧樹脂粉云母繞包絕緣后進(jìn)行模壓固化的工藝，導(dǎo)致電機(jī)定子絕緣較差且受天氣濕度影響較大；二是大修時(shí)測量調(diào)整定子的同心度非常麻煩，耗時(shí)較長，需要計(jì)算不同的受力點(diǎn)及受力方向，否則會(huì)導(dǎo)致定子變形較大且失圓。經(jīng)過幾次大修后，主機(jī)定子產(chǎn)生了整體旋轉(zhuǎn)位移，底座螺栓孔發(fā)生偏移，有些螺栓需經(jīng)車削處理才能旋入，甚至有1～2孔根本無法旋入，嚴(yán)重影響大修進(jìn)度及質(zhì)量。因此，此次方案設(shè)計(jì)中，要求廠家將定子繞組采用軟態(tài)嵌線及真空壓力浸漆（VPI技術(shù)）處理，既能提高繞組的絕緣強(qiáng)度、防潮性能、耐熱性和散熱性，還可提高繞組絕緣的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，將定子結(jié)構(gòu)由分瓣式改為整體式，這樣對(duì)定子的絕緣以及電機(jī)的安裝、日后的檢修均起到了很大的改善作用。通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)，在此次改造后的機(jī)組安裝時(shí)，僅用了兩天時(shí)間即完成了一臺(tái)電機(jī)的同心測量工作，比起以往半個(gè)月左右的工期，效率有了大幅提高。

表3 泵站模型裝置特性試驗(yàn)成果

3.3 葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改造后的淮安二站仍采用液壓全調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)型式，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了較大的優(yōu)化。新系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、油壓裝置、現(xiàn)場受油器三部分組成，較改造前具有四大優(yōu)點(diǎn)：一是具備手動(dòng)、遠(yuǎn)程、自動(dòng)三種控制方式，可靠性較高，而且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)運(yùn)行，無須人為干預(yù)；二是油壓裝置的結(jié)構(gòu)更加精簡，省去了原有中壓氣系統(tǒng)中的壓力油罐和油泵等，通過安裝在油箱旁體型較小的壓縮氣罐實(shí)現(xiàn)壓力傳遞，由氣罐中的氣囊將壓縮空氣與液壓油分離開，避免空氣、雜質(zhì)、水份與油接觸，有效地改善了油質(zhì)氧化的情況；三是采用了組合閥結(jié)構(gòu)，通過電磁控制閥組，使自動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)，并使系統(tǒng)更加精簡可靠；四是系統(tǒng)采用比例閥數(shù)字控制原理，使得葉片調(diào)節(jié)精度達(dá)到0.01度，相比以前有了大幅提高，結(jié)合PLC控制，使得調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確，有效地避免了以前因純?nèi)斯ふ{(diào)節(jié)發(fā)生過調(diào)，導(dǎo)致葉片角度過大而引起調(diào)節(jié)器銅套燒損的事故。

3.4 葉片、葉輪外殼材質(zhì)更新

淮安二站原有葉片、葉輪外殼為鑄鋼結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能和耐腐蝕性較差，經(jīng)過長期的抽水運(yùn)行，加之水中雜質(zhì)較多，泥沙較重，進(jìn)一步加劇了葉片的汽蝕。經(jīng)大修時(shí)實(shí)測，葉片正面汽蝕嚴(yán)重，每片平均汽蝕面積約0.13 m2，超過葉片面積的7%，蝕坑深度一般在12～16 mm，最深的蝕坑達(dá)30 mm以上且多處貫穿，侵蝕指數(shù)已達(dá)到Ⅳ級(jí)嚴(yán)重汽蝕標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)多次修補(bǔ)后，葉片的重量不一樣，靜平衡的改變導(dǎo)致動(dòng)平衡出現(xiàn)失衡，加劇了葉片的汽蝕及機(jī)組的震動(dòng)，使運(yùn)行工況逐漸惡化。除葉片外，葉輪外殼也受到影響并產(chǎn)生帶狀的蜂窩汽蝕面，汽蝕帶寬度達(dá)0.3 m，汽蝕坑平均直徑8～10 mm，深 10～15 mm，并有多處穿孔噴水，侵蝕指數(shù)大于Ⅴ級(jí)最嚴(yán)重汽蝕標(biāo)準(zhǔn)［2］。此次改造，為提高抗汽蝕、抗磨性能，選定葉片采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼、葉輪外殼選用ZG1Cr18Ni9不銹鋼。2013年底，在新機(jī)組運(yùn)行200 d近5000 h后，打開葉輪外殼進(jìn)行檢查，葉片及葉輪外殼表面光潔，無汽蝕痕跡。

圖3 1#B機(jī)泵-葉輪外殼-徑向-速度頻譜1000Hz

3.5 新增機(jī)組在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

改造前對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測主要是監(jiān)測電機(jī)功率、瓦溫、電機(jī)溫度等，而對(duì)機(jī)組整體運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測主要依靠主觀感知，缺乏科學(xué)有效的監(jiān)測手段，因此，建立一套在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)了解機(jī)組內(nèi)部件的運(yùn)行狀態(tài)就顯得非常必要。在淮安二站改造工程中，采用了新西蘭況得實(shí)儀器有限公司生產(chǎn)的振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，由振動(dòng)傳感器、在線監(jiān)測模塊以及振動(dòng)分析軟件三部分組成。在電機(jī)主軸處安裝電渦流式位移型振動(dòng)傳感器，在葉輪外殼處安裝壓電式加速度型監(jiān)測傳感器，在電動(dòng)機(jī)上、下機(jī)架處各布置2個(gè)振動(dòng)測點(diǎn)，在水泵水導(dǎo)軸承處布置2個(gè)水下專用振動(dòng)傳感器。通過1臺(tái)在線振動(dòng)監(jiān)測儀，將全部傳感器數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，再利用振動(dòng)分析軟件進(jìn)行在線設(shè)備健康監(jiān)測和故障預(yù)診斷。故系統(tǒng)可對(duì)即將產(chǎn)生的故障進(jìn)行診斷，以做到及時(shí)處理、適時(shí)維修，避免事故損失。經(jīng)過近5000臺(tái)時(shí)的實(shí)際使用，本系統(tǒng)較好地反映了機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并能以比較直觀的方式（如圖 3、圖4、圖 5）為運(yùn)行值班人員提供機(jī)組相應(yīng)的振動(dòng)數(shù)值，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行起到了極大的幫助作用。

圖4 1#B機(jī)泵-葉輪外殼-徑向-加速度頻譜3000Hz

圖5 1#B機(jī)泵-電機(jī)下導(dǎo)軸承-徑向-速度頻譜1000Hz

4 機(jī)組效率分析

淮安二站改造前由于設(shè)備老化，機(jī)組效率已逐漸降低。根據(jù)實(shí)測資料分析，凈揚(yáng)程隨時(shí)間變化曲線見圖6，效率隨時(shí)間變化曲線見圖7。

圖6 凈揚(yáng)程—時(shí)間關(guān)系曲線

圖7 效率—時(shí)間關(guān)系曲線

從揚(yáng)程變化曲線和效率變化曲線可以看出，一方面效率隨揚(yáng)程的變化而變化；另一方面，淮安二站自1979年投運(yùn)以來，運(yùn)行凈揚(yáng)程在3.5～4.5 m之間，揚(yáng)程變幅不大，但效率總體呈下降趨勢。實(shí)測資料分析表明，1979～1980年平均效率為68%，2001～2003年平均效率為54%，下降了14個(gè)百分點(diǎn)［1］，已遠(yuǎn)低于原設(shè)計(jì)要求，且遠(yuǎn)低于相應(yīng)規(guī)程的要求。主要原因是：水泵運(yùn)行工況遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離高效區(qū)，水泵汽蝕污染嚴(yán)重，振動(dòng)加劇，使機(jī)組效率逐年下降。

除效率降低外，經(jīng)實(shí)測，機(jī)組流量也在不斷降低，在凈揚(yáng)程3.72 m下的實(shí)測流量為52.64 m3/s，與在該揚(yáng)程下的設(shè)計(jì)流量相差達(dá)13.4 m3/s，減少20%。實(shí)測泵站裝置效率僅56%，如按電動(dòng)機(jī)效率94%、流道效率80%推算，水泵效率僅74.4%，與水泵設(shè)計(jì)效率值87.2%相差12.8%。

新機(jī)組安裝完成后，在試運(yùn)行期間，由江蘇省灌溉總渠管理處水文站測量斷面流量，對(duì)不同角度下的揚(yáng)程、流量和功率進(jìn)行測量，并計(jì)算裝置效率，表4為現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果。由表4可見，不同角度下的機(jī)組性能及效率均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表4 淮安二站機(jī)組現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果

5 結(jié)語

經(jīng)過全面加固改造，淮安二站這座裝機(jī)10000 kW、國內(nèi)最大的軸流泵站又重新煥發(fā)出了新的活力，繼續(xù)發(fā)揮著巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于淮北地區(qū)干旱，自2012年安裝完成后，本工程即連續(xù)投入運(yùn)行，截至2013年底，改造后的淮安二站已累計(jì)運(yùn)行310 d，抽水量達(dá)23億m3。從工程使用實(shí)際效果來看，工程控制手段先進(jìn)、機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)、效率明顯提高，較好地達(dá)到了更新改造的預(yù)期目標(biāo)。

［1］孫洪濱，魯靖華.淮安抽水二站更新改造分析研究.水泵技術(shù)，2007（6）.