南水北調(diào)江都三站改造技術(shù)與運(yùn)行評(píng)價(jià)

劉媛媛，朱承明，李 揚(yáng)

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚(yáng)州 225200)

我國(guó)有大量興建于20世紀(jì)六七十年代的泵站設(shè)備已到或接近使用年限，普遍存在水泵裝置效率低、運(yùn)行穩(wěn)定性差、汽蝕嚴(yán)重等問(wèn)題，亟須進(jìn)行更新改造。江都三站依托南水北調(diào)東線一期工程的實(shí)施，針對(duì)水泵裝置的選型與優(yōu)化，進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)工作，解決了水泵裝置效率低、進(jìn)水流道結(jié)構(gòu)形式不合理，側(cè)向進(jìn)水流態(tài)差等問(wèn)題。水泵裝置效率大幅提升，運(yùn)行穩(wěn)定性明顯改善，充分發(fā)揮了改造工程效益。江都三站水泵裝置選型與優(yōu)化研究、分析、評(píng)價(jià)和總結(jié)，對(duì)其他泵站的改造規(guī)劃、建設(shè)管理和方案選擇，節(jié)約改造費(fèi)用，提高改造效益，具有重要意義。

1 工程概況

江都三站更新改造工程(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“江都三站”)是南水北調(diào)東線一期江都站改造的主要單位工程。該工程位于江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)，淮河入江水道的尾閭芒稻河和新通揚(yáng)運(yùn)河的匯合處。工程建于1969年，原裝有ZLQ13.5-8型液壓全調(diào)節(jié)立式軸流泵10臺(tái)套，配套1 600 kW立式可逆電動(dòng)發(fā)電機(jī)，水泵直徑2 m，單機(jī)流量13.5 m3/s。經(jīng)過(guò)40多年的運(yùn)行，泵站設(shè)備老化，水泵裝置效率低，進(jìn)水流道改造不徹底，氣蝕嚴(yán)重，水導(dǎo)軸承故障率高。為了滿足南水北調(diào)東線工程設(shè)計(jì)供水的保證率，必須對(duì)江都三站進(jìn)行更新改造[1]。

2 水泵裝置的選擇

2.1 水泵裝置選型原則

水泵裝置的研制與選型要綜合考慮泵機(jī)組和泵站的投資和運(yùn)行費(fèi)用等綜合性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，使之符合經(jīng)濟(jì)、安全、適用的原則。水泵裝置應(yīng)滿足使用流量和揚(yáng)程的要求，保持在高效區(qū)間運(yùn)行；有良好的特性、較高的效率和抗氣蝕性能；進(jìn)出水流道設(shè)計(jì)合理，進(jìn)水流態(tài)平順等[2,3]。同時(shí)，改造泵站還應(yīng)與土建、電氣、金屬結(jié)構(gòu)工程綜合考慮，經(jīng)濟(jì)合理可行、檢修維護(hù)方便、運(yùn)行管理便捷[4]。

2.2 水泵裝置研制及選型

江都三站水泵裝置既要滿足里下河地區(qū)排澇要求，又要滿足南水北調(diào)東線工程調(diào)水要求，同時(shí)，進(jìn)水側(cè)水位還受到長(zhǎng)江潮位的影響。選型時(shí)根據(jù)多年泵站運(yùn)行資料和水文觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合調(diào)水工程規(guī)劃，對(duì)站上下游水位進(jìn)行科學(xué)分析，確定更科學(xué)合理的泵站設(shè)計(jì)水位組合，江都三站改造后運(yùn)行水位組合見(jiàn)表1[1]。

表1 江都三站改造后運(yùn)行水位組合表 m

根據(jù)泵選型原則和運(yùn)行水位組合，江都三站水泵裝置宜選用混流泵方案，鑒于本次改造保持原水泵土建尺寸不變，立式混流泵真機(jī)外形尺寸較大，不能適應(yīng)原土建尺寸，所以仍選用立式軸流泵。江都三站水泵水力模型開(kāi)發(fā)借鑒了國(guó)內(nèi)水泵水力模型研制的最新成果，選擇綜合性能較好的多個(gè)水力模型進(jìn)行了對(duì)比，并按天津同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)成果進(jìn)行了方案比選論證，確定TJ05-ZL-01(ns=600)水力模型[5]，換算后的真機(jī)葉輪直徑2 m，轉(zhuǎn)速214.3 r/min，nD值428.6，符合江都三站原土建尺寸等改造要求[1,6]。2006年10月，河海大學(xué)對(duì)江都三站水泵裝置模型進(jìn)行試驗(yàn)。TJ05-ZL-01水力模型結(jié)合優(yōu)化后的肘形進(jìn)水流道，出水流道為虹吸式出水管。模型試驗(yàn)表明當(dāng)葉片 +2°，設(shè)計(jì)揚(yáng)程7.8 m，效率73.5 %，對(duì)應(yīng)流量13.93 m3/s。效率指標(biāo)優(yōu)于合同要求。同時(shí)，為提高水泵抗氣蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，水泵葉片均采用不銹鋼材質(zhì)，并在轉(zhuǎn)輪室葉輪中心處鑲焊不銹鋼襯套[5,7]。江都三站水泵裝置及進(jìn)出水流道見(jiàn)圖1。

圖1 江都三站水泵裝置及進(jìn)出水流道圖Fig.1 Pump equipment and the flow channel of Jiangdu No.3 pumping station

2009年9月，改造后的江都三站3號(hào)機(jī)組采用五孔球型針?lè)╗8]進(jìn)行流量測(cè)試。在水泵葉片度角0 °時(shí)，流量為16.19 m3/s，揚(yáng)程為6.0 m，軸功率為1 254.9 kW,泵裝置效率為75.78 %，與模型試驗(yàn)結(jié)果換算到原型的結(jié)果較為接近。多年的實(shí)際應(yīng)用也表明，該水泵在各種工況下運(yùn)行狀態(tài)良好，運(yùn)行效率明顯提高。江都三站機(jī)組改造前后性能測(cè)試對(duì)比見(jiàn)表2。

3 水泵進(jìn)水流道優(yōu)化改造

表2 江都三站改造前后水泵性能比較表 %

注：裝置運(yùn)行工況為+2 °；設(shè)計(jì)揚(yáng)程為7.8 m；實(shí)測(cè)流量為13.74 m3/s。

江都三站原進(jìn)水流道受開(kāi)挖深度影響，采用不完全平面蝸殼結(jié)構(gòu)形式，因進(jìn)水流態(tài)差，汽蝕嚴(yán)重，有間隙性強(qiáng)烈振動(dòng)和噪聲，泵裝置效率低。為解決這一問(wèn)題，江都三站利用三維流動(dòng)CFD數(shù)值計(jì)算[9]技術(shù)對(duì)進(jìn)水流道和確定的優(yōu)化方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，確立了進(jìn)水流道肘形流道方案，及肘形流道形狀和尺寸[10,11]。同時(shí)，將進(jìn)水流道的中隔墩縮短2 m，保證了進(jìn)水流態(tài)的穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)進(jìn)水流道的優(yōu)化和改造，水泵裝置的運(yùn)行狀態(tài)得到明顯改善。優(yōu)化后的進(jìn)水流道圖見(jiàn)圖2。

圖2 江都三站進(jìn)水流道優(yōu)化改造前后對(duì)比圖(單位:cm)Fig.2 The inlet conduit comparison figure before and after renovation of Jiangdu No.3 pumping station

由于進(jìn)水流道空間狹小，新澆混凝土屬于環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)體，異型結(jié)構(gòu)斷面且變化大，鋼筋密集，施工人員不能進(jìn)入艙面澆筑振搗等[12]。通過(guò)研究與試驗(yàn)，江都三站進(jìn)水流道改造采用自密實(shí)高性能微膨脹混凝土與澆筑施工技術(shù)[13]。

改造后，一直困擾機(jī)組安全運(yùn)行的嚴(yán)重汽蝕現(xiàn)象明顯改善，機(jī)組振動(dòng)和噪聲明顯下降。2012-2015年，管理單位水下檢查[14]及機(jī)組大修未發(fā)現(xiàn)水泵葉片、葉輪外殼有汽蝕現(xiàn)象,且外觀光潔、完好；進(jìn)水流道混凝土表面線型流暢、光滑，外觀質(zhì)量良好，混凝土強(qiáng)度、新老混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。機(jī)組運(yùn)行噪聲及振動(dòng)測(cè)量見(jiàn)表3。

表3 江都三站新機(jī)組運(yùn)行噪聲、振動(dòng)測(cè)量表(2015-08-12)Tab.3 The units running noise and vibration measurement table(2015-08-12)

注：水平振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)≤0.16 mm，垂直振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)≤0.12 mm。 GB/T30948-2014。

4 泵站引河流態(tài)的改善

江都三站下游主輸水河道新通揚(yáng)運(yùn)河與泵站進(jìn)水河道垂直分布，無(wú)論是排澇還是調(diào)水，均為側(cè)向進(jìn)水，進(jìn)水前池內(nèi)流態(tài)較差，有大范圍的回旋區(qū)存在，特別是邊側(cè)機(jī)組，水流偏斜尤為嚴(yán)重，電機(jī)功率偏大，流量極不均勻，進(jìn)水前池的水流回旋區(qū)內(nèi)泥沙淤積嚴(yán)重。為解決上述問(wèn)題，開(kāi)展了江都三站下引河流態(tài)改善措施模型試驗(yàn)研究。并根據(jù)研究成果、工程投資等綜合因素考慮，選用設(shè)置倒Y 形導(dǎo)流墩加底坎的整流方案[15], 整流措施布置見(jiàn)圖3。

圖3 泵站引河整流措施布置圖Fig.3 The pumping station irrigation channel rectification measures layout

江都站引河整流措施建成以來(lái)，管理單位逐年進(jìn)行了引河河口斷面測(cè)量[17]，與改造前的具體比對(duì)數(shù)值如圖3所示。從圖3可以看出，自設(shè)置“Y”形導(dǎo)流墩加底坎到2013年12月期間，江都站下游河口斷面的淤積情況有了明顯改觀，河口斷面淤積變化率逐年變小，泵站下游引河過(guò)水能力得到有效加強(qiáng)，引河進(jìn)水流態(tài)有明顯改善，引河口不再出現(xiàn)明顯的回流區(qū)，河道淤積速度得到極大減緩。泵站機(jī)組的運(yùn)行效率、振動(dòng)值、噪聲等均得到改善，特別是泵站兩側(cè)邊緣的機(jī)組效果明顯。江都抽水站進(jìn)水河道斷面淤積率變化見(jiàn)圖4。

圖4 江都抽水站進(jìn)水河道斷面淤積率變化Fig.4 The river section sedimentation change rate before water flow in of Jiangdu No.3 pumping station

5 水導(dǎo)軸承的改進(jìn)

江都三站水泵原水導(dǎo)軸承采用稀油潤(rùn)滑巴氏合金滑動(dòng)軸承，梳齒迷宮密封，畢托管式。該軸承結(jié)構(gòu)故障多，根據(jù)運(yùn)行管理資料統(tǒng)計(jì)從1969-1986年，出現(xiàn)水導(dǎo)進(jìn)水故障39次，畢托管斷裂故障9次，故障出現(xiàn)后，不得不對(duì)機(jī)組進(jìn)行中修或大修[16]，工作量相當(dāng)大。因此，結(jié)合工程改造對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行優(yōu)化選型，并選用聚氨脂和塑料軸承對(duì)比試驗(yàn)[17]。2012-2013年分別對(duì)2號(hào)、4號(hào)、8號(hào)、10號(hào)4臺(tái)運(yùn)行時(shí)間超100 00 h的水泵機(jī)組進(jìn)行解體大修。檢查發(fā)現(xiàn)，聚氨脂與塑料軸承的磨損量相近，水潤(rùn)滑軸承對(duì)水泵軸頸磨損的現(xiàn)象普遍存在[18]。

分析認(rèn)為江都三站影響塑料軸承使用壽命的主要原因，是潤(rùn)滑水含沙量和軸承荷載，含沙量影響程度更大。潤(rùn)滑水含沙量較大時(shí)，可通過(guò)降低軸承荷載；軸承荷載較大時(shí)，可采用清水潤(rùn)滑方式的方法，降低軸承磨損率，提高軸承的使用壽命。但含沙量超過(guò)一定值時(shí)，且年運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的泵站，應(yīng)采用清水潤(rùn)滑。2014年，江都三站對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行清水潤(rùn)滑改造，并在水泵填料函處增設(shè)水潤(rùn)滑軸承，減小泵軸動(dòng)擺度對(duì)水導(dǎo)軸承影響。2015年汛前對(duì)改造后的水導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查，水導(dǎo)軸承及水泵軸頸未見(jiàn)明顯磨損，改進(jìn)前后同期對(duì)比，效果明顯，但因運(yùn)行考驗(yàn)時(shí)間短，江都三站水導(dǎo)軸承改進(jìn)措施效果仍需進(jìn)一步檢驗(yàn)。

6 工程改造效益

(1)工程初期運(yùn)行的社會(huì)效益。江都站位置獨(dú)特，作用顯著，運(yùn)用頻繁，工程采取邊施工邊運(yùn)行、分期分批實(shí)施的方案。2007年5月，江都三站首批改造的3臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，2008年5月，第二批改造的4臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，2009年3月，第三批改造的3臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，同年 11月江都三站通過(guò)試運(yùn)行驗(yàn)收，2010年10月通過(guò)單位工程驗(yàn)收。截止2015年年底，機(jī)組均已運(yùn)行15 000 h，7號(hào)機(jī)組最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間20 000 h(見(jiàn)表4)。

表4 江都三站改造新機(jī)組運(yùn)行臺(tái)時(shí)統(tǒng)計(jì)表 h

(2)工程初期運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益。江都水利樞紐工程是南水北調(diào)東線的源頭，具有不可替代的重要作用。根據(jù)江都三站機(jī)組改造后效率提升直接經(jīng)濟(jì)效益分析，改造后機(jī)組按年運(yùn)行8 000 h計(jì)算，效率提升16.28%(從59%提升到75.28%)，耗電量減少3 029.08 萬(wàn)kWh，年節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用1 965.87萬(wàn)元[19,20]。

7 結(jié) 語(yǔ)

江都三站自2007年首批改造的機(jī)組投入運(yùn)行至2015年12月底，泵站抽水運(yùn)行946 d，累計(jì)抽水72.14 億m3。特別是在工程完工后，2013年江蘇省淮北地區(qū)持續(xù)干旱，江都三站累計(jì)運(yùn)行181 d，抽水14.94 億m3。運(yùn)行天數(shù)及調(diào)水水量均創(chuàng)歷史新高，發(fā)揮了重要的工程作用。

經(jīng)過(guò)8年多的高強(qiáng)度運(yùn)行證明，江都三站選用的TJ05-ZL-01水力模型具有較寬的效率區(qū)，滿足泵站調(diào)水、排澇等不同運(yùn)行工況要求，尤其是在高揚(yáng)程調(diào)水運(yùn)行時(shí)，機(jī)組運(yùn)行效率高、運(yùn)行狀況平穩(wěn)；水泵進(jìn)水流道實(shí)施肘形優(yōu)化設(shè)計(jì)和改造，研究方案合理，施工工藝先進(jìn)，改善了機(jī)組進(jìn)水流態(tài)；在綜合改進(jìn)水泵葉片、葉輪外殼不銹鋼材質(zhì)后，機(jī)組汽蝕性能大幅提升，振動(dòng)減小、效率提高；針對(duì)泵站“T”型進(jìn)水方式，選用設(shè)置倒“Y”形導(dǎo)流墩加底坎的整流方案，使進(jìn)水流態(tài)平順，淤積減緩，泵站邊緣機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)及噪聲改善明顯；水泵導(dǎo)軸承選用水潤(rùn)滑軸承，與改造前的金屬軸承對(duì)比，運(yùn)行可靠性提高，故障率減少，維護(hù)方便，機(jī)組檢修工作量明顯減小，有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。南水北調(diào)江都三站改造工程圍繞水泵裝置開(kāi)展的技術(shù)改造方案取得了圓滿成功，水泵裝置的選型與優(yōu)化方案，可為其他泵站水泵裝置選型提供科學(xué)的技術(shù)依據(jù)。

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