南水北調江都三站改造技術與運行評價

劉媛媛，朱承明，李 揚

(江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225200)

我國有大量興建于20世紀六七十年代的泵站設備已到或接近使用年限，普遍存在水泵裝置效率低、運行穩定性差、汽蝕嚴重等問題，亟須進行更新改造。江都三站依托南水北調東線一期工程的實施，針對水泵裝置的選型與優化，進行了大量的研究與試驗工作，解決了水泵裝置效率低、進水流道結構形式不合理，側向進水流態差等問題。水泵裝置效率大幅提升，運行穩定性明顯改善，充分發揮了改造工程效益。江都三站水泵裝置選型與優化研究、分析、評價和總結，對其他泵站的改造規劃、建設管理和方案選擇，節約改造費用，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(以下簡稱“江都三站”)是南水北調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州市江都區，淮河入江水道的尾閭芒稻河和新通揚運河的匯合處。工程建于1969年，原裝有ZLQ13.5-8型液壓全調節立式軸流泵10臺套，配套1 600 kW立式可逆電動發電機，水泵直徑2 m，單機流量13.5 m3/s。經過40多年的運行，泵站設備老化，水泵裝置效率低，進水流道改造不徹底，氣蝕嚴重，水導軸承故障率高。為了滿足南水北調東線工程設計供水的保證率，必須對江都三站進行更新改造[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組和泵站的投資和運行費用等綜合性的技術經濟指標，使之符合經濟、安全、適用的原則。水泵裝置應滿足使用流量和揚程的要求，保持在高效區間運行；有良好的特性、較高的效率和抗氣蝕性能；進出水流道設計合理，進水流態平順等[2,3]。同時，改造泵站還應與土建、電氣、金屬結構工程綜合考慮，經濟合理可行、檢修維護方便、運行管理便捷[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排澇要求，又要滿足南水北調東線工程調水要求，同時，進水側水位還受到長江潮位的影響。選型時根據多年泵站運行資料和水文觀測數據，結合調水工程規劃，對站上下游水位進行科學分析，確定更科學合理的泵站設計水位組合，江都三站改造后運行水位組合見表1[1]。

表1 江都三站改造后運行水位組合表 m

根據泵選型原則和運行水位組合，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，立式混流泵真機外形尺寸較大，不能適應原土建尺寸，所以仍選用立式軸流泵。江都三站水泵水力模型開發借鑒了國內水泵水力模型研制的最新成果，選擇綜合性能較好的多個水力模型進行了對比，并按天津同臺對比試驗成果進行了方案比選論證，確定TJ05-ZL-01(ns=600)水力模型[5]，換算后的真機葉輪直徑2 m，轉速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，河海大學對江都三站水泵裝置模型進行試驗。TJ05-ZL-01水力模型結合優化后的肘形進水流道，出水流道為虹吸式出水管。模型試驗表明當葉片 +2°，設計揚程7.8 m，效率73.5 %，對應流量13.93 m3/s。效率指標優于合同要求。同時，為提高水泵抗氣蝕性能和運行穩定性，水泵葉片均采用不銹鋼材質，并在轉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出水流道見圖1。

圖1 江都三站水泵裝置及進出水流道圖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號機組采用五孔球型針法[8]進行流量測試。在水泵葉片度角0 °時，流量為16.19 m3/s，揚程為6.0 m，軸功率為1 254.9 kW,泵裝置效率為75.78 %，與模型試驗結果換算到原型的結果較為接近。多年的實際應用也表明，該水泵在各種工況下運行狀態良好，運行效率明顯提高。江都三站機組改造前后性能測試對比見表2。

3 水泵進水流道優化改造

表2 江都三站改造前后水泵性能比較表 %

注：裝置運行工況為+2 °；設計揚程為7.8 m；實測流量為13.74 m3/s。

江都三站原進水流道受開挖深度影響，采用不完全平面蝸殼結構形式，因進水流態差，汽蝕嚴重，有間隙性強烈振動和噪聲，泵裝置效率低。為解決這一問題，江都三站利用三維流動CFD數值計算[9]技術對進水流道和確定的優化方案進行了數值模擬，并對優化方案進行模型實驗。在此基礎上，確立了進水流道肘形流道方案，及肘形流道形狀和尺寸[10,11]。同時，將進水流道的中隔墩縮短2 m，保證了進水流態的穩定。通過對進水流道的優化和改造，水泵裝置的運行狀態得到明顯改善。優化后的進水流道圖見圖2。

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

由于進水流道空間狹小，新澆混凝土屬于環形薄壁結構體，異型結構斷面且變化大，鋼筋密集，施工人員不能進入艙面澆筑振搗等[12]。通過研究與試驗，江都三站進水流道改造采用自密實高性能微膨脹混凝土與澆筑施工技術[13]。

改造后，一直困擾機組安全運行的嚴重汽蝕現象明顯改善，機組振動和噪聲明顯下降。2012-2015年，管理單位水下檢查[14]及機組大修未發現水泵葉片、葉輪外殼有汽蝕現象,且外觀光潔、完好；進水流道混凝土表面線型流暢、光滑，外觀質量良好，混凝土強度、新老混凝土界面黏結強度均滿足規范及設計要求。機組運行噪聲及振動測量見表3。

表3 江都三站新機組運行噪聲、振動測量表(2015-08-12)Tab.3 The units running noise and vibration measurement table(2015-08-12)

注：水平振動標準≤0.16 mm，垂直振動標準≤0.12 mm。 GB/T30948-2014。

4 泵站引河流態的改善

江都三站下游主輸水河道新通揚運河與泵站進水河道垂直分布，無論是排澇還是調水，均為側向進水，進水前池內流態較差，有大范圍的回旋區存在，特別是邊側機組，水流偏斜尤為嚴重，電機功率偏大，流量極不均勻，進水前池的水流回旋區內泥沙淤積嚴重。為解決上述問題，開展了江都三站下引河流態改善措施模型試驗研究。并根據研究成果、工程投資等綜合因素考慮，選用設置倒Y 形導流墩加底坎的整流方案[15], 整流措施布置見圖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，管理單位逐年進行了引河河口斷面測量[17]，與改造前的具體比對數值如圖3所示。從圖3可以看出，自設置“Y”形導流墩加底坎到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，泵站下游引河過水能力得到有效加強，引河進水流態有明顯改善，引河口不再出現明顯的回流區，河道淤積速度得到極大減緩。泵站機組的運行效率、振動值、噪聲等均得到改善，特別是泵站兩側邊緣的機組效果明顯。江都抽水站進水河道斷面淤積率變化見圖4。

圖4 江都抽水站進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 水導軸承的改進

江都三站水泵原水導軸承采用稀油潤滑巴氏合金滑動軸承，梳齒迷宮密封，畢托管式。該軸承結構故障多，根據運行管理資料統計從1969-1986年，出現水導進水故障39次，畢托管斷裂故障9次，故障出現后，不得不對機組進行中修或大修[16]，工作量相當大。因此，結合工程改造對水導軸承進行優化選型，并選用聚氨脂和塑料軸承對比試驗[17]。2012-2013年分別對2號、4號、8號、10號4臺運行時間超100 00 h的水泵機組進行解體大修。檢查發現，聚氨脂與塑料軸承的磨損量相近，水潤滑軸承對水泵軸頸磨損的現象普遍存在[18]。

分析認為江都三站影響塑料軸承使用壽命的主要原因，是潤滑水含沙量和軸承荷載，含沙量影響程度更大。潤滑水含沙量較大時，可通過降低軸承荷載；軸承荷載較大時，可采用清水潤滑方式的方法，降低軸承磨損率，提高軸承的使用壽命。但含沙量超過一定值時，且年運行時間較長的泵站，應采用清水潤滑。2014年，江都三站對水導軸承進行清水潤滑改造，并在水泵填料函處增設水潤滑軸承，減小泵軸動擺度對水導軸承影響。2015年汛前對改造后的水導軸承進行檢查，水導軸承及水泵軸頸未見明顯磨損，改進前后同期對比，效果明顯，但因運行考驗時間短，江都三站水導軸承改進措施效果仍需進一步檢驗。

6 工程改造效益

(1)工程初期運行的社會效益。江都站位置獨特，作用顯著，運用頻繁，工程采取邊施工邊運行、分期分批實施的方案。2007年5月，江都三站首批改造的3臺機組投入運行，2008年5月，第二批改造的4臺機組投入運行，2009年3月，第三批改造的3臺機組投入運行，同年 11月江都三站通過試運行驗收，2010年10月通過單位工程驗收。截止2015年年底，機組均已運行15 000 h，7號機組最長運行時間20 000 h(見表4)。

表4 江都三站改造新機組運行臺時統計表 h

(2)工程初期運行的經濟效益。江都水利樞紐工程是南水北調東線的源頭，具有不可替代的重要作用。根據江都三站機組改造后效率提升直接經濟效益分析，改造后機組按年運行8 000 h計算，效率提升16.28%(從59%提升到75.28%)，耗電量減少3 029.08 萬kWh，年節約運行費用1 965.87萬元[19,20]。

7 結 語

江都三站自2007年首批改造的機組投入運行至2015年12月底，泵站抽水運行946 d，累計抽水72.14 億m3。特別是在工程完工后，2013年江蘇省淮北地區持續干旱，江都三站累計運行181 d，抽水14.94 億m3。運行天數及調水水量均創歷史新高，發揮了重要的工程作用。

經過8年多的高強度運行證明，江都三站選用的TJ05-ZL-01水力模型具有較寬的效率區，滿足泵站調水、排澇等不同運行工況要求，尤其是在高揚程調水運行時，機組運行效率高、運行狀況平穩；水泵進水流道實施肘形優化設計和改造，研究方案合理，施工工藝先進，改善了機組進水流態；在綜合改進水泵葉片、葉輪外殼不銹鋼材質后，機組汽蝕性能大幅提升，振動減小、效率提高；針對泵站“T”型進水方式，選用設置倒“Y”形導流墩加底坎的整流方案，使進水流態平順，淤積減緩，泵站邊緣機組運行振動及噪聲改善明顯；水泵導軸承選用水潤滑軸承，與改造前的金屬軸承對比，運行可靠性提高，故障率減少，維護方便，機組檢修工作量明顯減小，有很好的推廣應用價值。南水北調江都三站改造工程圍繞水泵裝置開展的技術改造方案取得了圓滿成功，水泵裝置的選型與優化方案，可為其他泵站水泵裝置選型提供科學的技術依據。

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