新技術(shù)在南水北調(diào)泵站機電設(shè)備中的應(yīng)用

李 磊，張艷艷，宋攀科

（南水北調(diào)東線山東干線有限責任公司，山東 濟南250109）

南水北調(diào)東線工程從長江引水至東平湖，共設(shè)13 級梯級大型泵站，總揚程65 m，其中江蘇新建泵站14 座、改造4 座，山東新建7 座泵站，總裝機95 臺套。作為大型跨流域調(diào)水工程，泵站機組等機電設(shè)備是核心，為適應(yīng)長距離調(diào)水要求，各級泵站在設(shè)備的規(guī)劃、設(shè)計、施工、建管及運維管理方面取得了較大突破。

1 新技術(shù)在泵站機電設(shè)備中應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 泵站機組結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)多樣化

南水北調(diào)東線一期工程泵站屬低揚程泵裝置，以立式軸流泵為主，少量為臥式貫流泵以及立式混流泵。其中韓莊泵站、二級壩泵站、金湖站、淮安三站、泗洪站采用臥式貫流泵，邳州站采用豎井貫流泵，皂河二站為混流泵。泵站的機組型式多樣，可以更好地適應(yīng)不同區(qū)域、不同揚程、不同功能的需要。

1.2 低揚程大流量水泵技術(shù)的應(yīng)用

計算機技術(shù)、計算流體力學的發(fā)展，為流道的數(shù)模優(yōu)化提供了可能。經(jīng)10 余年建設(shè)的泵站，無一例外對流道、泵裝置采用數(shù)值計算為主、模型試驗為輔的方法，對泵裝置進行三維湍流流動數(shù)值模擬和優(yōu)化水力設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上，進行物理模型試驗與驗證，極大地提高了優(yōu)化的深度和可靠度。

南水北調(diào)東線一期工程前期水泵模型、裝置模型開發(fā)和試驗研究，較大提升了我國在低揚程大流量水泵上的研發(fā)水平。經(jīng)同臺測試獲得了一大批性能優(yōu)秀的水力模型，為保證南水北調(diào)東線后期工程的設(shè)計打下了堅實基礎(chǔ)。一批高效率、空化性能優(yōu)秀的水泵模型脫穎而出，同時在進出水流道形式設(shè)計上，水泵模型與流道匹配研究領(lǐng)域亦獲得長足進步。泵裝置效率提高4.5%，比21世紀初我國的平均水平約高7%，使我國大中型低揚程泵站的效率指標達到世界先進水平。

通過全面深入研究，加上引進國外先進技術(shù)，有效提升了南水北調(diào)東線一期工程貫流泵機組的技術(shù)水平和設(shè)備質(zhì)量。其中淮陰三站、韓莊站為荷蘭耐荷制造；藺家壩站、金湖站為日本日立制造；泗洪站、二級壩站為日本荏原制造；邳州站為完全由日立泵制造。燈泡貫流泵裝置的電機與泵聯(lián)成一體，直接布置在流道內(nèi)，裝置結(jié)構(gòu)緊湊。燈泡體體積小，進水、出水流道更為順直，水力性能好、裝置效率高。

通過10 余年的努力，貫流泵機組實現(xiàn)了大型化（最大葉輪直徑達到3.3 m）、一體化，國內(nèi)制造水平也得到明顯提升。從運行情況來看，機組的主要水力參數(shù)、電氣參數(shù)以及運行穩(wěn)定性總體良好。但是，這些年建設(shè)的泵站畢竟還未經(jīng)過長時間、滿負荷運行的檢驗，更未經(jīng)受超負荷、超設(shè)計工況運行。新建貫流泵機組的可靠性、耐久性還需進一步考驗。

1.3 水泵運行工況調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)多樣化

南水北調(diào)東線一期工程泵站使用的水泵工況調(diào)節(jié)方式有三種，即液壓調(diào)節(jié)、機械調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)。目前韓莊泵站貫流泵采用了大功率永磁電動機和泵同軸直連，變頻調(diào)節(jié)的方式，在國內(nèi)也是首創(chuàng)。軸流泵站水泵工況采用液壓調(diào)節(jié)、機械調(diào)節(jié)兩種形式。針對機械調(diào)節(jié)和液壓調(diào)節(jié)的缺點，國內(nèi)廠家研發(fā)了內(nèi)置式液壓調(diào)節(jié)器。

該技術(shù)的關(guān)鍵：一是采用了微型液壓站技術(shù)，把外置式的液壓設(shè)備全部濃縮在一個“小盒子”里；二是調(diào)節(jié)器的本體改為與機組大軸同步旋轉(zhuǎn)。該裝置油壓系統(tǒng)為內(nèi)置式，省掉了外供油系統(tǒng)，體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)靈活可靠，造價低廉，便于自動化。

1.4 主機組關(guān)鍵部件和輔助裝置改進成果顯著

泵站主機組的安全運行往往依賴于輔助設(shè)備的正常、可靠運行。運行值班更多的是關(guān)注輔機的運行，尤其是供水系統(tǒng)的運行情況。過去冷卻水（電機）、潤滑水（水泵）一般由供水泵直接從下游進水池取水直接供給，為開路系統(tǒng)，而且水質(zhì)較差，容易在電動機油槽冷卻器的水管中形成污垢及堵塞，從而影響了冷卻效果。且供水量不與冷卻效果掛鉤，供水能耗高。一些泵站對供水系統(tǒng)進行改造，取得了很好的效果。一種方法是將“開路”系統(tǒng)改造成“閉路”系統(tǒng)。最直接的方法是采用冷水機組，將電機冷卻器出來的“高溫水”經(jīng)冷水機組冷卻，再進入冷卻器。南水北調(diào)東線一期工程泗陽二站、臺兒莊泵站、萬年閘泵站等，多座泵站經(jīng)過改造采用了冷水機組技術(shù)。主機組冷卻效果好，電機軸瓦溫度可控，機組運行狀況得到進一步優(yōu)化。

軸流泵機組推力瓦以前使用多為巴氏合金瓦，彈性金屬塑料瓦的使用，機組運行工況得到了進一步改善，也減少了安裝維護工作量。

1.5 加工工藝技術(shù)有了較大提高

水泵葉輪、導(dǎo)葉體的線型達到了最大的可控性和實現(xiàn)度。葉輪模型的加工精度也有了大幅度提高。國內(nèi)外首創(chuàng)的導(dǎo)葉片全數(shù)型面數(shù)控加工技術(shù)，可保證與模型全模似。

葉輪外殼熱壓成型焊接新工藝國內(nèi)泵行業(yè)獨創(chuàng)。在關(guān)健部位設(shè)置溫度傳感器，隨時采集溫度，對關(guān)健部位合金材質(zhì)進行溫度補償，確保各種溫度環(huán)境下精確測量。測量技術(shù)的發(fā)展，使得加工質(zhì)量的檢驗完全具有可信度。

2 通水運行以來遇到的問題

2.1 工程運行參數(shù)與規(guī)劃設(shè)計參數(shù)不一致

設(shè)計與實際運行工況的偏差，機組偏離最優(yōu)效率區(qū)運行，致其經(jīng)濟、穩(wěn)定性和可靠性同時受到影響，周而復(fù)始，問題需要得到根本解決。

2.2 泵型、流道及輔助機械多樣性增加了維修難度

一期工程有立式軸流泵、立式混流泵、臥式貫流泵、豎井貫流泵，水泵及裝置呈多樣化局勢，滿足不同需求的同時，也會帶來運行、維護的難度增加。目前貫流泵機組雖然水力性能較好，但其結(jié)構(gòu)形式是電機及水泵軸為一體，安裝檢修麻煩，更換密封及軸承的費用高，維修工作強度大。燈泡貫流泵檢修成本較高，工作量較大，持續(xù)周期較長。另外變頻調(diào)節(jié)的一次性投資、運行和維護成本都比較高。葉調(diào)機構(gòu)、技術(shù)供水、出水啟閉機結(jié)構(gòu)形式多樣也會帶來運行維修維護工作量增大、更換配件的不統(tǒng)一等問題。

國外設(shè)備廠商在制造工藝、安裝方面的技術(shù)保密，會造成未來維修、大修、更換配件的供應(yīng)瓶頸。隨著設(shè)備的不斷老化，面臨維修及配件更換，國外原生產(chǎn)廠家要價高且國內(nèi)難以找到替代品。

2.3 關(guān)鍵零部件不能適應(yīng)新的使用需求

目前國內(nèi)水泵行業(yè)在關(guān)鍵零部件的改進方面還不夠，設(shè)備在制造工藝、新技術(shù)、新材料、新工藝應(yīng)用還相對滯后，使用材料的材質(zhì)、工藝跟不上使用的需求，導(dǎo)致部件損壞較快，從而降低了設(shè)備壽命。

3 建議措施

3.1 力求關(guān)鍵技術(shù)取得新突破

在南水北調(diào)東線一期工程低揚程泵裝置水力設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，針對南水北調(diào)等重要工程運行需要，開展軸流泵裝置模型同臺測試研究在水泵模型水力性能、泵裝置水力性能等關(guān)鍵技術(shù)方面取得新的突破。同時合理確定水泵口徑和轉(zhuǎn)速，確保水泵機組長期在高效區(qū)運行。

3.2 優(yōu)化低揚程裝置型式

經(jīng)過10 余年的研究開發(fā)，立式軸流泵裝置和臥式貫流泵裝置得到工程界、學術(shù)界的普遍認可，在南水北調(diào)一期工程得到了成功應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，對這兩種型式的低揚程泵裝置進行進一步的深入研究，以及在二期工程中得到更好的應(yīng)用，實現(xiàn)國際領(lǐng)先水平的目標。盡可能采用前置豎井式貫流泵裝置，給流道施工、設(shè)備安裝、和維護帶來極大的方便值得進一步推廣，并向較高的揚程泵站發(fā)展。低揚程泵裝置型式進一步的優(yōu)化設(shè)計，研究采用CFD 數(shù)模分析計算與物模模型試驗相結(jié)合的方法。

3.3 統(tǒng)籌考慮選擇主機組機型

立式機組技術(shù)成熟、安裝方便，運行穩(wěn)定可靠、機組投資少、可維修性高。貫流泵機組比起立式軸流泵機組來，要復(fù)雜的多，所有設(shè)備都在水面線以下，存在密封問題；泵軸水平安置，存在不均勻受力問題；燈泡體或豎井位于流道內(nèi)，存在盡量縮小燈泡體或豎井尺寸，又要保證燈泡體或豎井有一定的空間問題。另外貫流泵的水泵導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)與密封問題，直聯(lián)或齒輪箱傳動裝置的結(jié)構(gòu)型式問題以及貫流泵的支撐型式、軸承的布置及密封的結(jié)構(gòu)型式問題，以上問題需要統(tǒng)籌考慮。

選用立式與臥式機組，不僅關(guān)系到機組水力性能，還關(guān)系到工程投資。另外需重點考慮機組的運輸、安裝、檢修的便利性問題，盡可能做到在現(xiàn)場進行各種形式的維修及解體大修，傾向于注重培養(yǎng)自有人員掌握各種維修的核心技術(shù)，減少因國外廠家的技術(shù)封鎖而帶來的維修困難及維修費用增加。

3.4 進一步改進水泵關(guān)鍵部件的使用性能

需要進一步提高推力軸承、水導(dǎo)軸承等基礎(chǔ)零部件的研發(fā)水平，倡導(dǎo)使用新型材料，改進密封及耐磨性能，延長部件使用時間。

3.5 優(yōu)化工況調(diào)節(jié)等輔助機械結(jié)構(gòu)形式

使用新型技術(shù)進行工況調(diào)節(jié)，淘汰老技術(shù)帶來的使用及維修不便。優(yōu)化技術(shù)供水、出水啟閉機結(jié)構(gòu)形式，減少因此帶來的維修難度及工作量增加。