江蘇省劉老澗站水泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性影響因素分析

呂 坤

（作者單位：江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處 223800）

江蘇省劉老澗站建于1996年，屬于加強(qiáng)黃淮海平原灌溉農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，利用世界銀行貸款和國(guó)內(nèi)配套資金興建。在南水北調(diào)東線工程中，該站與劉老澗二站共同組成第五梯級(jí)站，也屬于江蘇淮水北調(diào)第二梯級(jí)站，主要作用是直接抽引泗陽(yáng)站送來(lái)的江水、淮水，沿中運(yùn)河北調(diào)。該工程設(shè)計(jì)流量150m3/s，投運(yùn)至今，累計(jì)抽水130億m3，變頻發(fā)電近5000萬(wàn)度，保證了蘇北地區(qū)農(nóng)田灌溉、工業(yè)及通航用水，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。該站長(zhǎng)期運(yùn)行后，存在裝置效率下降，機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重老化等狀況。本文通過(guò)分析泵站長(zhǎng)期運(yùn)行后現(xiàn)狀，對(duì)機(jī)組效率及穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析。

一、機(jī)組概況

該站裝有4臺(tái)套井筒分段式全調(diào)節(jié)軸流泵，設(shè)計(jì)總流量150m3/s。水泵型號(hào)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。

二、工程穩(wěn)定性和機(jī)組狀況分析

1.對(duì)工程運(yùn)行日志的分析

該站每年抗旱翻水時(shí)泵站下游水位多低于設(shè)計(jì)水位，特別是每年的5、6月份大用水時(shí)，下游水位更無(wú)法保證，長(zhǎng)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，據(jù)統(tǒng)計(jì)，劉老澗站近十五年下游最低運(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(méi)深度最小僅為1.73m，平均淹沒(méi)深度也只有2.72m。因此，可以發(fā)現(xiàn)葉輪中心淹沒(méi)深度小是造成機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差的主要原因。

2.對(duì)工程運(yùn)行時(shí)水流的分析

該站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，由于來(lái)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(lái)水泵葉輪中心的淹沒(méi)深度更小，嚴(yán)重時(shí)葉輪中心淹沒(méi)只有1m左右，進(jìn)水流道進(jìn)口淹沒(méi)深度也不到0.5m，不滿足《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》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(lái)不利影響。

3.對(duì)該泵站大修情況的統(tǒng)計(jì)分析

該站主水泵自1996年投入運(yùn)行以來(lái)，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(guò)，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，劉老澗站歷年實(shí)測(cè)效率可以看出，劉老澗站建成初期效率還在60%左右，這幾年隨著機(jī)組部件損壞加劇，水泵效率越來(lái)越低，2016年實(shí)測(cè)平均效率只有54%，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》的要求。

在對(duì)該工程大修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)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(guò)4個(gè)橫銷連接，用來(lái)傳遞扭矩和承受橫向剪切，檢測(cè)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(cè)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。

且該站水泵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。故該站在機(jī)組運(yùn)行中極容易出現(xiàn)故障。

三、建議改進(jìn)措施

1.新建清污設(shè)施，降低過(guò)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(méi)深度2.8m，基本滿足要求。泵站下游側(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)，建議將攔污柵移至下游距站前約120m處，建議采用回轉(zhuǎn)式清污機(jī)解決泵站存在的問(wèn)題。

2.優(yōu)化運(yùn)行調(diào)度

根據(jù)分析，泵站近十五年下游側(cè)運(yùn)行水位較低，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，新建的劉老澗二站葉輪中心安裝高程為12.4m，相比劉老澗站降低了0.6m，因此在劉老澗泵站工程運(yùn)行時(shí)，對(duì)于下游水位低于15.5m的運(yùn)行工況，建議使用劉老澗二站運(yùn)行。

3.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，建議選用新的流量系數(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。

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

從劉老澗站主機(jī)組大修統(tǒng)計(jì)可以看出，劉老澗一站存在的主要問(wèn)題是水泵汽蝕嚴(yán)重，運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、擺度大，分析原因主要包括：（1）水泵中座基礎(chǔ)存在缺陷，原水泵中座預(yù)埋件支撐基礎(chǔ)只有四個(gè)點(diǎn)，容易造成預(yù)埋件基礎(chǔ)漏筋、混凝土脫落等現(xiàn)象，對(duì)水泵基礎(chǔ)穩(wěn)定性不利，時(shí)間長(zhǎng)了造成中座基準(zhǔn)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)葉體發(fā)生不同程度的周向位移，影響大修后機(jī)組的安裝質(zhì)量。（2）水泵中座基礎(chǔ)存在缺陷，原水泵中座預(yù)埋件支撐基礎(chǔ)只有四個(gè)點(diǎn)，容易造成預(yù)埋件基礎(chǔ)漏筋、混凝土脫落等現(xiàn)象，對(duì)水泵基礎(chǔ)穩(wěn)定性不利，時(shí)間長(zhǎng)了造成中座基準(zhǔn)參數(shù)發(fā)生變化，導(dǎo)葉體發(fā)生不同程度的周向位移，影響大修后機(jī)組的安裝質(zhì)量。（3）原水泵葉輪室為上下分瓣結(jié)構(gòu)，下半部分埋置于混凝土內(nèi)，材質(zhì)為鑄鋼，雖然表面堆焊了不銹鋼，還是容易汽蝕。水導(dǎo)軸承材質(zhì)為橡膠，耐磨性較差，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)后磨損嚴(yán)重，增大了水泵水導(dǎo)軸承處的擺度，造成大軸軸頸磨損。（4）原水泵結(jié)構(gòu)存在先天性缺陷，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(guò)4個(gè)橫銷連接，用來(lái)傳遞扭矩和承受橫向剪切，結(jié)果發(fā)現(xiàn)連接橫銷承載力不夠，全部脫落、斷裂，使得葉輪頭與主軸之間間隙達(dá)到5mm。

針對(duì)上述存在問(wèn)題，建議對(duì)水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和部件材質(zhì)優(yōu)選：（1）增加機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一旦水導(dǎo)軸承處出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。（2）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。（3）將葉輪外殼（上）與葉輪外殼（下）不僅通過(guò)止口連接，還用螺柱和螺母連接，防止軸向串動(dòng)導(dǎo)致水泵振動(dòng)。（4）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。（5）水泵軸與葉輪座采用螺栓連接，能更好地傳遞扭矩和承受橫向剪切力，運(yùn)行更安全可靠■