關(guān)于劉老澗泵站機(jī)組效率偏低及主水泵汽蝕嚴(yán)重的主要原因分析及解決措施

呂 坤

一、工程概況

江蘇省劉老澗抽水站位于宿遷市境內(nèi)中運(yùn)河上，直接抽引泗陽站送來的江水、淮水，沿中運(yùn)河北調(diào)，是南水北調(diào)東線第五梯級(jí)站，淮水北調(diào)第二梯級(jí)站。劉老澗抽水站于1995年1月20日正式開工，于1996年5月31日全部工程竣工，工程總投資4969萬元。該站總裝機(jī)容量為8800kW，設(shè)計(jì)流量為150m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程3.5m，在豐水季節(jié)可反向發(fā)電。該站采用簸箕式進(jìn)水流道，虹吸式出水流道，出水管與站身分段式結(jié)構(gòu)。該站設(shè)計(jì)水位組合：抽水工況上游19.5m,下游16.0m。

二、工程現(xiàn)狀

劉老澗泵站裝有4臺(tái)套井筒分段式全調(diào)節(jié)軸流泵及大型立式同步電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)總流量 150 m3/s。水泵3100ZLQ38-4.2，葉輪直徑 3.1m，單泵設(shè)計(jì)流量37.5m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.2m，轉(zhuǎn)速150r/min，配套電機(jī)型號(hào)TL2200-40/3250，容量為2200kW。泵站運(yùn)行已20年，年運(yùn)行時(shí)間較長，由于原設(shè)計(jì)時(shí)下游攔污柵位于站前，而撈草機(jī)為耙斗式撈草機(jī)，致使站前水草聚集多，造成攔污柵嚴(yán)重堵塞，柵前柵后水位差很大，運(yùn)行時(shí)水泵葉輪中心淹沒深度小，進(jìn)水側(cè)運(yùn)行水位出現(xiàn)極端情況時(shí)進(jìn)水流道進(jìn)口淹深都不滿足規(guī)范要求，造成機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)大，水泵汽蝕嚴(yán)重，運(yùn)行效率下降，機(jī)組運(yùn)行故障頻發(fā)，大大縮短了機(jī)組的使用壽命，影響工程效益的正常發(fā)揮。

三、主要缺陷

1.水泵葉片、葉輪室、導(dǎo)葉等過流部件汽蝕嚴(yán)重

由于長期磨損、葉片汽蝕以及葉型變化，致使葉輪失去平衡，加之機(jī)組長期在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，致使運(yùn)行中機(jī)組振動(dòng)加劇，加速了軸頸及軸承的磨損。葉片、葉輪室、導(dǎo)葉損壞嚴(yán)重，已難以繼續(xù)安全運(yùn)行。

2.水泵出水流量不足、裝置效率下降

該站主水泵自1996年投入運(yùn)行以來，雖經(jīng)數(shù)次大修，但主要部件葉輪、葉輪室、導(dǎo)葉體、大軸等均未更換過，只是對(duì)葉片、葉輪室汽蝕損壞部分進(jìn)行焊條補(bǔ)焊。水泵各部件損壞嚴(yán)重，水泵性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，流量減少，功率上升，裝置效率嚴(yán)重下降。這幾年隨著機(jī)組部件損壞加劇，水泵效率越來越低，2016年實(shí)測平均效率只有54%，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到原設(shè)計(jì)工程效益，遠(yuǎn)低于《泵站技術(shù)管理規(guī)程》中規(guī)定的要求。

四、機(jī)組效率偏低及主水泵汽蝕嚴(yán)重的主要原因分析

1.每年抗旱翻水時(shí)泵站下游水位多低于設(shè)計(jì)水位

每年的5、6月份大用水時(shí)，下游水位更無法保證，長期低于泵站設(shè)計(jì)最低水位。劉老澗泵站原設(shè)計(jì)葉輪中心安裝高程為13.0m，而據(jù)歷史資料分析，劉老澗站近15年下游最低運(yùn)行水位為14.73m，下游最低平均運(yùn)行水位為15.19m，下游運(yùn)行平均水位為15.72m，葉輪中心淹沒深度最小僅為1.73m，平均淹沒深度也只有2.72m，葉輪中心淹沒深度小是造成機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差的主要原因。同時(shí)，由于劉老澗站原設(shè)計(jì)時(shí)下游側(cè)攔污柵緊靠進(jìn)水流道進(jìn)口，采用移動(dòng)耙斗式撈草機(jī)，投入運(yùn)行以來，由于來流污物多、清污效率低或清污不及時(shí)等原因，攔污柵前后水位差能達(dá)到0.6m以上，進(jìn)一步降低了水泵進(jìn)口水位，帶來水泵葉輪中心的淹沒深度更小，嚴(yán)重時(shí)葉輪中心淹沒只有1m左右，進(jìn)水流道進(jìn)口淹沒深度也不到0.5m，不滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)加劇，汽蝕嚴(yán)重，大大影響了泵站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。而且原設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)水流道內(nèi)中隔墩一直延伸到攔污柵，攔污柵緊貼在流道中隔墩上，導(dǎo)致同一臺(tái)機(jī)組進(jìn)水流道中隔墩兩側(cè)水位不一致，改變了水泵的進(jìn)水條件，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來不利影響。

2.水泵結(jié)構(gòu)存在先天性缺陷

原水泵主軸下端插入轉(zhuǎn)子體內(nèi)用柱銷連接，主軸與轉(zhuǎn)子體通過4個(gè)橫銷連接，用來傳遞扭矩和承受橫向剪切，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)連接橫銷全部脫落、斷裂，葉輪頭與主軸之間間隙達(dá)到5mm。葉輪外殼為沿葉輪中心水平剖分的上下分瓣結(jié)構(gòu)，上下葉輪外殼在剖分處僅用止口作徑向定位，軸向不連接，葉輪外殼（下）固定在下座上，葉輪外殼（上）與導(dǎo)葉體下端連接。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)葉輪外殼下哈夫與下座緊固螺栓松脫并產(chǎn)生斷裂、錯(cuò)位，位移達(dá)5mm。

3.大軸軸頸及橡膠軸承磨損嚴(yán)重

水泵軸填料函處表面銹蝕，軸頸磨損不均勻，最大深度達(dá)到4mm，橡膠軸承處軸頸銹蝕、磨損嚴(yán)重，磨損最大深度達(dá)5mm，水導(dǎo)軸承與導(dǎo)葉體配合安裝螺栓全部脫離，水導(dǎo)軸承內(nèi)固定軸瓦的螺栓松動(dòng)脫落，軸承底座損壞，橡膠軸承止口呈現(xiàn)凸臺(tái)，止口磨損最大深度為5mm。

4.主要零部件的銹蝕磨損嚴(yán)重

除葉片、葉輪室、導(dǎo)葉體嚴(yán)重銹蝕、磨蝕外，大部分水泵部件如導(dǎo)水錐、導(dǎo)水圈、壓蓋、導(dǎo)軸承體等均已嚴(yán)重銹蝕、缺損。

五、應(yīng)采取的措施

1.新建清污設(shè)施，降低過柵損失

南水北調(diào)東線一期劉老澗泵站工程下游抽水運(yùn)行的最低水位是以最低通航水位16.0m確定的，考慮河道及下游攔污柵損失，下游運(yùn)行最低水位為15.8m，劉老澗站葉輪中心安裝高程13.0m，葉輪中心淹沒深度2.8m，基本能滿足要求。原泵站設(shè)計(jì)時(shí)下游側(cè)攔污柵緊靠進(jìn)水流道進(jìn)口，采用移動(dòng)耙斗式撈草機(jī)，投入運(yùn)行以來，由于來流污物多、清污效率低或清污不及時(shí)等原因，攔污柵前后水位差能達(dá)到0.6m以上，降低了水泵進(jìn)口水位，減小了葉輪中心淹沒深度，帶來機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)大，葉輪室汽蝕嚴(yán)重等問題，應(yīng)將攔污柵移至下游距站前120m處，并采用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)。

2.降低水泵的nD值，改善水泵的汽蝕性能

原泵站設(shè)計(jì)時(shí)水泵葉輪直徑為3.1m，轉(zhuǎn)速為150r/min，水泵 nD值為465，水泵葉輪外緣線速度大，水泵汽蝕嚴(yán)重，應(yīng)選用新的流量系數(shù)大的水力模型，在保持葉輪直徑不變的情況下，將水泵轉(zhuǎn)速降至136.4r/min，水泵nD值降為423，改善了水泵的汽蝕性能。

3.優(yōu)化水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)選材質(zhì)

通過分析劉老澗站主機(jī)組大修統(tǒng)計(jì)記錄，劉老澗站存在的主要問題是水泵汽蝕嚴(yán)重，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、擺度大。應(yīng)將葉輪室的材質(zhì)由鑄鋼改為鑄不銹鋼，減少葉輪室汽蝕的發(fā)生，水導(dǎo)軸承材質(zhì)采用進(jìn)口材料，減小磨損；還可增加機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)，一旦水導(dǎo)軸承處出現(xiàn)問題，及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，采取有效措施；增加水泵中座混凝土基礎(chǔ)，提高水泵基礎(chǔ)運(yùn)行穩(wěn)定性