新型葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)在南水北調(diào)臺兒莊泵站的應用

作者簡介：劉欽冬（1976-），男，高級工程師，臺兒莊泵站管理處副主任。研究方向為水利工程運行管理。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.040

摘" 要：該文以臺兒莊泵站葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)改造為例，分析改造前后的性能對比，為調(diào)水工程類似立式軸流機組葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的更新改造提供理論和實踐借鑒。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)；泵站；葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)；改造；油壓裝置

中圖分類號：TV675" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0168-05

Abstract： Taking the transformation of the blade regulating mechanism of Tai'erzhuang Pump Station as an example， this paper analyzes the performance comparison before and after the transformation， so as to provide theoretical and practical reference for the renovation of the blade regulating mechanism of similar vertical axial flow units in the water transfer project.

Keywords： South-to-North Water Diversion Project; pump station; blade regulating mechanism; transformation; oil pressure device

南水北調(diào)東線工程起自江蘇省江都泵站，共13級梯級泵站，臺兒莊泵站工程是長江水進入山東的第一站，也是南水北調(diào)東線工程的第七級泵站，其主要任務是抽引駱馬湖來水通過韓莊運河向北輸送，以滿足南水北調(diào)東線工程向北調(diào)水的任務，實現(xiàn)梯級調(diào)水的目標。此外，兼有臺兒莊城區(qū)排澇和改善韓莊運河航運條件的作用。工程為大Ⅰ等工程，工程設(shè)計調(diào)水流量為125 m3/s，臺兒莊泵站廠房內(nèi)安裝5臺立式全調(diào)節(jié)軸流泵，泵站一臺機組的設(shè)計流量31.25 m3/s，配套同步電動機的功率為2 400 kW，5臺機組總裝機容量為12 000 kW。機組自2008年安裝完成，2013年11月進入運行期，已運行十多年，由于原葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)（圖1、圖2）存在調(diào)節(jié)不靈活，運行不穩(wěn)定、不可靠；設(shè)備的密封件老化，存在滲漏現(xiàn)象，運行時需經(jīng)常補油補壓，有較大的安全隱患。遂結(jié)合機組大修對泵站水泵機組的葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)進行了更新改造，取得了很好的效果，為類似水泵機組的葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的升級改造提供了借鑒。

1" 原葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的狀況

1.1" 原葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)工作原理

原葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)是液壓調(diào)節(jié)外供油方式。其工作機構(gòu)組成：一個油箱、一個貯能罐、一個雙筒過濾器、2臺油泵及相應的儀表、閥門和電氣系統(tǒng)等。正常狀態(tài)時油箱內(nèi)儲有足夠的油液，壓力罐內(nèi)充有一定壓力及容積的空氣，起到儲備能量及緩沖作用，在調(diào)節(jié)葉片角度時，貯能罐中的壓力油通過配壓閥進入油缸，通過油缸的力矩機構(gòu)，改變?nèi)~片的角度，水泵正常運行時，貯能罐中的壓力油通過配壓閥及反饋機構(gòu)調(diào)整油缸的供油量。為保證貯能罐壓力穩(wěn)定，需根據(jù)壓力降低情況自動補氣，在調(diào)水運行期為安全起見，泵站運行值班人員每隔3～4 h采用人工進行補氣，以此來維持貯能罐內(nèi)的壓力，確保壓力油位不下降，保證葉片角度的穩(wěn)定。

1.2" 原葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)存在的問題

1）臺兒莊泵站利用外供油的油壓調(diào)節(jié)裝置進行水泵機組葉片調(diào)節(jié)，因裝置采用外供油方式，機組內(nèi)泄油量較大，油泵補油頻繁，油壓裝置內(nèi)油壓下降比較快，機組運行時一般在1～2 h補充液壓油一次；從2013年11月南水北調(diào)東線工程正式通水運行以來，已滿負荷開機運行多年，葉片調(diào)節(jié)器的小軸銅質(zhì)軸套磨損加大，導致水泵機組的油壓裝置存在泄油現(xiàn)象，每個運行班組需要經(jīng)常去空壓機室補氣以此給貯氣罐加壓補油，經(jīng)常半小時左右補充液壓油一次，不能有效地保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行，機組設(shè)備存在較大安全隱患。

2）壓力容器上配套壓力表和安全閥，都需要報備檢驗，壓力表半年1次，安全閥1年1次，調(diào)水期間無法更換檢驗安全閥及壓力表。空壓機每運行8 h，儲氣罐需要放水，在調(diào)水運行時無法對空壓機罐和貯能罐進行放水，存在安全隱患。在機組運行過程中，油、氣系統(tǒng)連接閘閥、法蘭較多，密封件長期承受高壓容易老化，經(jīng)常出現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象，給維護、運行工作帶來很大的不便，影響調(diào)水運行安全。

3）工作時間長。當調(diào)水指令要求的流量沒發(fā)生改變時，水泵的葉片角度不變化，即原則上不需要變動葉片調(diào)節(jié)器的角度，原有的葉片調(diào)節(jié)器在主電動機和主水泵轉(zhuǎn)動時，因葉片調(diào)節(jié)器的上、下軸承及上拉桿也隨著主電動機軸轉(zhuǎn)動，所以葉片調(diào)節(jié)器的工作時間與主電動機的工作時間也一樣，新型的內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式液壓調(diào)節(jié)器的工作時間只有其工作時間的1/1 000～1/3 000。

4）水泵抬軸加重平面軸承損壞。水泵開機時，蝸殼內(nèi)的水流非常紊亂，造成水泵機組經(jīng)常產(chǎn)生抬軸現(xiàn)象，使泵軸產(chǎn)生向上的竄動力。由于原有的外供油機械式調(diào)節(jié)器的自身負載由主電動機的外殼承擔，在運行時因機組振動而造成的向上躥力，再加上平面軸承要同步跟隨主電動機軸轉(zhuǎn)動，因而極易發(fā)熱和磨損，但卻又無法改變，這樣就更容易造成調(diào)節(jié)器平面軸承（即上、下軸承）的損壞。

5）無法實現(xiàn)遠距離顯示和遠距離控制。由于這種調(diào)節(jié)機構(gòu)無法設(shè)置“位移傳感器”，也沒有設(shè)置“數(shù)字顯示儀表”，它只設(shè)置了一個葉片角度的“機械顯示器”，因而無法實現(xiàn)葉片角度的“遠距離顯示”和調(diào)節(jié)葉片角度的“遠距離控制”。

6）設(shè)備的維護保養(yǎng)不便。因葉片調(diào)節(jié)器的上拉桿、平面軸承、齒輪減速裝置是和水泵機組同步高速運行的，會長期處于高溫狀態(tài)下，這樣極易造成設(shè)備的潤滑油液化，也極可能導致潤滑油汽化，造成葉片調(diào)節(jié)器內(nèi)的潤滑油蒸發(fā)流失，而導致添加潤滑油非常困難；加之平面軸承又很容易損壞；且設(shè)備體積大而笨重，拆、裝都很不方便，故其維護保養(yǎng)十分不便，耗時費力。

2" 葉片調(diào)節(jié)器的發(fā)展、存在問題及解決辦法

2.1" 葉片調(diào)節(jié)器的發(fā)展

原葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)屬于二十世紀八十年代中期研發(fā)出來的產(chǎn)品，九十年代初期開始在國內(nèi)大范圍使用，至今已有三十多年的歷史。這期間，國內(nèi)水泵葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的研發(fā)水平快速提高。一種新型的“免抬軸水泵葉片角度液壓調(diào)節(jié)器”（即現(xiàn)在的“內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式水泵葉片角度液壓調(diào)節(jié)器”）出現(xiàn)以后，無論是其工作性能、還是產(chǎn)品質(zhì)量，都得到了飛速提高。新型的葉片調(diào)節(jié)器于2009年11月獲得了國家“大禹水利科學技術(shù)進步一等獎”。

目前，對這款“內(nèi)置固定式機械調(diào)節(jié)器”進行維修或者大修的性價比已經(jīng)很低，更換新調(diào)節(jié)器是最好的解決辦法。

2.2" 對新型葉片調(diào)節(jié)器的調(diào)查研究

為解決原葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)存在的問題，保障工程運行安全，臺兒莊泵站管理處在水泵機組大修時，決定同步對葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)進行改造。為更詳細地了解葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)改造的技術(shù)過程和更好地掌握此套設(shè)備的操作及使用原理，管理處組織技術(shù)人員赴湖北拓宇水電科技股份有限公司實地考察了葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)改造工作情況，主要是了解機組活塞加工處理、調(diào)節(jié)器、機組小軸制作情況，并到車間實地參觀加工、制作過程，見證了模擬試驗場景（圖3）。親臨參觀學習對今后運行中操作和維護葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)有很大的意義，臺兒莊泵站現(xiàn)已結(jié)合大修完成了4臺機組葉片調(diào)節(jié)器的更新改造。

3" 新型葉片調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1" 新型葉片調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)

新型葉片調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)較簡單、體積小，其主要由上面油箱、中間油缸和下面底座3部分組成。它們彼此用法蘭連接，并通過調(diào)節(jié)器底盤安裝在電機主軸的頂端和電機主軸同步旋轉(zhuǎn)。外面加上調(diào)節(jié)器外罩予以保護（圖4—6）。

3.2" 新型葉片調(diào)節(jié)器的工作原理

液壓系統(tǒng)利用液壓泵將電動機的機械能轉(zhuǎn)換成為液體的壓力能，通過液體壓力的變化來傳遞能量，經(jīng)過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執(zhí)行元件（液壓缸）把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動工作機構(gòu)，實現(xiàn)活塞和調(diào)節(jié)桿的直線往復運動及葉片轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)輸水功能。

按液壓元件的工作性質(zhì)不同，系統(tǒng)主要分動力元件（油泵、動力機）、執(zhí)行元件（油缸、活塞）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)5個部分。

3.2.1" 動力元件（油泵、動力機）

動力元件由油泵、伺服電機和減速機組成，裝在液壓調(diào)節(jié)器的油箱內(nèi)，其作用是把電動機的機械能轉(zhuǎn)換成液體的壓能，它是液壓傳動中的動力部分。油泵供油系統(tǒng)由油箱、電動齒輪油泵及各種閥門、濾網(wǎng)、自動化元件構(gòu)成。在調(diào)節(jié)葉片角度運行期間，供油系統(tǒng)連續(xù)運行，向液壓油配給裝置（葉片調(diào)節(jié)控制機構(gòu)）提供足夠的壓力和流量，以便隨時調(diào)節(jié)葉片角度。

注：1-水泵調(diào)節(jié)桿；2-安裝盤；3-激光發(fā)射器；4-角度機械顯示器；5-活塞桿；6-油缸下腔密封圈；7-活塞；8-鎖緊螺母；9-上腔油管;10-油泵；11-油路板；12-油位傳感器；13-液壓站；14-電磁換向閥；15-電動機；16-軸承；17-供電滑環(huán)；18-上罩殼；19-止轉(zhuǎn)板；20-卡槽；21-內(nèi)罩殼；22-油箱；23-上腔壓力傳感器；24-下腔壓力傳感器；25-下腔油管；26-下罩殼；27-油缸；28-電源控制箱；29-工作座；30-激光位移傳感器；31-聯(lián)軸器法蘭；32-電動機主軸；33-電動機上機架。

3.2.2" 執(zhí)行元件（油缸、活塞）

執(zhí)行元件由油缸、活塞和活塞桿組成，位于液壓調(diào)節(jié)器的中部，其作用是將液體的壓能轉(zhuǎn)換成機械能，供下部的工作機構(gòu)使用。其中，油缸內(nèi)的活塞連同調(diào)節(jié)桿一起在系統(tǒng)內(nèi)做直線往復運動。

3.2.3" 控制元件（各種閥）

控制元件包括壓力閥、流量閥和方向閥等。其作用是根據(jù)需要，無級調(diào)節(jié)液動機的速度，并對液壓系統(tǒng)中工作液體的壓力、流量和流向進行控制和調(diào)節(jié)。

該液壓調(diào)節(jié)器設(shè)有電磁換向閥、液控單向閥和安全閥等，都裝在液壓調(diào)節(jié)器的油箱內(nèi)，以實現(xiàn)對油泵的運行控制，如通過電信號命令電磁換向閥的啟閉，從而控制上、下油管的進出油方向（對上調(diào)還是下調(diào)起控制作用）；高壓油經(jīng)過裝置穩(wěn)壓后，經(jīng)液控單向閥（相當于“液控鎖”）進入油缸的上（下）油缸，下（上）油缸內(nèi)的壓力升高，推動活塞上（下）行。安全閥起安全保護作用，當系統(tǒng)壓力超過規(guī)定值時可自行卸載，避免壓力超高后損壞設(shè)備。

3.2.4" 輔助元件

除上述3部分以外的其他元件，包括壓力表、濾油器、蓄能裝置、冷卻器、管件各種管路接頭（擴口式、焊接式、卡套式）、高壓球閥、快換接頭、軟管總成、測壓接頭和管夾及油箱等，其把相關(guān)設(shè)備連在一起，分布在調(diào)節(jié)器的各個部位。如在油泵的吸油口處和回油路設(shè)有濾網(wǎng)，以保證油泵的穩(wěn)定運行和壽命；在油泵的出口處裝有壓力表、壓力開關(guān)、電磁閥、載荷閥、截止閥和止回閥，以便對油系統(tǒng)起監(jiān)控和保護作用。

3.3" 新型葉片調(diào)節(jié)器的特點

3.3.1" 重量輕、體積小，采用上置式、內(nèi)供油

采用上置式、內(nèi)供油的液壓系統(tǒng)，其與外面沒有任何油路的聯(lián)系，減少了管道、法蘭等連接，減少了滲油點，運行時調(diào)節(jié)器本體隨主電機轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，其外觀類似于機械式調(diào)節(jié)器，但其重量要只有機械調(diào)節(jié)器的1/10。

3.3.2" 結(jié)構(gòu)布局合理，無需潤滑油潤滑，維護保養(yǎng)簡單易行

新型葉片調(diào)節(jié)器的技術(shù)創(chuàng)新點如下。一是在活塞桿與調(diào)節(jié)桿的聯(lián)軸器之間加裝一塊支撐板，取消活塞頂端連接桿，使旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到合理布局。取消活塞頂端延伸桿的目的有3個：①減少油缸的一處對外開孔，使油缸由2個外泄“風險點”變?yōu)橹挥幸粋€外泄“風險點”；②避免延伸桿占用油箱內(nèi)的寶貴面積，尤其是避免它影響油箱內(nèi)各元器件的整體布局；③簡化旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以減少旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部維修保養(yǎng)工作量。

二是在油箱內(nèi)設(shè)置一塊油路板，有效改善了各元器件的安裝使用條件，節(jié)約了大量油箱內(nèi)的有效使用面積。新型調(diào)節(jié)器的油箱內(nèi)設(shè)置了一塊具有一定厚度的油路板。油路板表層（上端面）安裝電動機及所有液壓元器件和各種傳感器設(shè)備；里層設(shè)置有各種油路通道，使液壓元器件的輸油管道相互連通。在油箱內(nèi)設(shè)置了這塊油路板以后，首先取消了電動機和元器件的各種安裝支架；其次取消了所有紫銅管，使調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)變得更簡單；最后油箱內(nèi)的各個元器件得到了高度集成，大大節(jié)約了油箱內(nèi)各元器件的使用空間，使其不僅能夠滿足布置足夠大“源動力”的空間要求，還為調(diào)節(jié)器安裝更多元器件騰出了一定的富余空間。

三是增設(shè)油缸下腔壓力傳感器，為及時排除設(shè)備故障提供可靠依據(jù)。在調(diào)節(jié)器工作時，能夠隨時掌握油缸下腔工作壓力非常重要，是分析調(diào)節(jié)器產(chǎn)生故障原因的重要參數(shù)。由于我們在調(diào)節(jié)器的油箱內(nèi)設(shè)置了一塊油路板，使油箱有了富余面積安裝更多傳感元器件，以提高調(diào)節(jié)器自我感知和自我處置問題的能力。

四是增設(shè)油箱油位顯示系統(tǒng)，即時了解油箱油位情況，為及時排除設(shè)備故障創(chuàng)造更多條件。

當油箱里的油位低于某一高度時，調(diào)節(jié)器就會因油泵泵不到油而調(diào)不動。過去要想觀察油箱里的油位，必須拆除罩殼，還要拆除油箱蓋板等?，F(xiàn)在有了油位顯示系統(tǒng)，油箱里的油位可以隨時一目了然。

3.3.3" 密封性能好、無泄漏、對環(huán)境無影響

常用的液壓調(diào)節(jié)由于采用的是外供油形式（液壓站在外部），要想把外部的壓力油供給主機旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的油缸、活塞，就需要有一個由靜態(tài)到動態(tài)輸油的連接管件（受油器），此處存在一旋轉(zhuǎn)縫隙，漏油問題不可避免，壓力會降低，以致影響設(shè)備的調(diào)節(jié)力。有的為了補償、增大該力，不得不加大油缸直徑，但大的油缸體積，就限制了液壓調(diào)節(jié)的使用范圍。而新型液壓調(diào)節(jié)器采用了內(nèi)供油的形式，避免了上述問題，可以做到無泄漏，在調(diào)節(jié)器運行期間不需要補充油。但考慮其運行時間較長后，油質(zhì)會下降，因此，適時地更換工作介質(zhì)（換油），對于保證調(diào)節(jié)器的工作質(zhì)量仍然是必需的。

3.3.4" 能夠在中控室實現(xiàn)遠程控制

現(xiàn)在的內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式水泵葉片角度液壓調(diào)節(jié)器，在其里面設(shè)置了位移傳感器，它通過485接口可以在泵站中央控制室控制，調(diào)節(jié)靈活，使用方便。它既可以在泵站中央控制室調(diào)節(jié)和觀察水泵運行的即時葉片角度，也可以在現(xiàn)地（水泵機組旁）調(diào)節(jié)和觀察水泵運行的即時葉片角度，使用方便。

3.3.5" 解決了水泵運行中的抬軸問題

其最大的技術(shù)亮點，就是調(diào)節(jié)器的“著力點”不同。過去的調(diào)節(jié)器，其自重和調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)力的反作用力都是由主電動機的外罩殼承擔（上置式）或者由主水泵軸承擔（中置式）；現(xiàn)在的“內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式水泵葉片角度液壓調(diào)節(jié)器”，其自重和調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)力的反作用力都是由電動機主軸來承擔，它平衡了水泵抬機現(xiàn)象對水泵、主電動機，特別是調(diào)節(jié)器平面軸承（即推力軸承）及其他零部件的影響。

改造后的葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)投入運行以來，臺兒莊泵站水泵機組在過去的5個調(diào)水年度未出現(xiàn)任何影響運行安全的問題故障，減少了不必要的人力干預，提高了年度調(diào)水安全保證。新型葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)的使用，為南水北調(diào)工程后續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展提供了有力的技術(shù)保障。

參考文獻：

[1] 朱曉奔.魏村泵站水泵葉片角度調(diào)節(jié)器改型論證[J].湖南水利水電，2018（1）：73-74.

[2] 陳文龍.免抬軸水泵葉片角度調(diào)節(jié)器在密云水庫調(diào)蓄工程泵站改造中的應用[J].北京水務，2022（2）：66-70.

[3] 何效平.全調(diào)節(jié)水泵機構(gòu)改造技術(shù)研究[J].江淮水利科技，2017（4）：43-45.

[4] 問澤杭，吉慶偉，莫兆祥.泵站水泵葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力油裝置的技術(shù)改造[J].人民長江，2008（6），92-93.