關于劉老澗泵站機組效率偏低及主水泵汽蝕嚴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)中運河上，直接抽引泗陽站送來的江水、淮水，沿中運河北調(diào)，是南水北調(diào)東線第五梯級站，淮水北調(diào)第二梯級站。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。該站總裝機容量為8800kW，設計流量為150m3/s，設計揚程3.5m，在豐水季節(jié)可反向發(fā)電。該站采用簸箕式進水流道，虹吸式出水流道，出水管與站身分段式結構。該站設計水位組合：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臺套井筒分段式全調(diào)節(jié)軸流泵及大型立式同步電動機，設計總流量 150 m3/s。水泵3100ZLQ38-4.2，葉輪直徑 3.1m，單泵設計流量37.5m3/s，設計揚程4.2m，轉(zhuǎn)速150r/min，配套電機型號TL2200-40/3250，容量為2200kW。泵站運行已20年，年運行時間較長，由于原設計時下游攔污柵位于站前，而撈草機為耙斗式撈草機，致使站前水草聚集多，造成攔污柵嚴重堵塞，柵前柵后水位差很大，運行時水泵葉輪中心淹沒深度小，進水側(cè)運行水位出現(xiàn)極端情況時進水流道進口淹深都不滿足規(guī)范要求，造成機組運行振動大，水泵汽蝕嚴重，運行效率下降，機組運行故障頻發(fā)，大大縮短了機組的使用壽命，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、導葉等過流部件汽蝕嚴重

由于長期磨損、葉片汽蝕以及葉型變化，致使葉輪失去平衡，加之機組長期在非設計工況下運行，致使運行中機組振動加劇，加速了軸頸及軸承的磨損。葉片、葉輪室、導葉損壞嚴重，已難以繼續(xù)安全運行。

2.水泵出水流量不足、裝置效率下降

該站主水泵自1996年投入運行以來，雖經(jīng)數(shù)次大修，但主要部件葉輪、葉輪室、導葉體、大軸等均未更換過，只是對葉片、葉輪室汽蝕損壞部分進行焊條補焊。水泵各部件損壞嚴重，水泵性能達不到設計要求，流量減少，功率上升，裝置效率嚴重下降。這幾年隨著機組部件損壞加劇，水泵效率越來越低，2016年實測平均效率只有54%，已遠遠達不到原設計工程效益，遠低于《泵站技術管理規(guī)程》中規(guī)定的要求。

四、機組效率偏低及主水泵汽蝕嚴重的主要原因分析

1.每年抗旱翻水時泵站下游水位多低于設計水位

每年的5、6月份大用水時，下游水位更無法保證，長期低于泵站設計最低水位。劉老澗泵站原設計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年下游最低運行水位為14.73m，下游最低平均運行水位為15.19m，下游運行平均水位為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組運行穩(wěn)定性差的主要原因。同時，由于劉老澗站原設計時下游側(cè)攔污柵緊靠進水流道進口，采用移動耙斗式撈草機，投入運行以來，由于來流污物多、清污效率低或清污不及時等原因，攔污柵前后水位差能達到0.6m以上，進一步降低了水泵進口水位，帶來水泵葉輪中心的淹沒深度更小，嚴重時葉輪中心淹沒只有1m左右，進水流道進口淹沒深度也不到0.5m，不滿足《泵站設計規(guī)范》的要求，導致機組運行振動加劇，汽蝕嚴重，大大影響了泵站的安全穩(wěn)定運行。而且原設計時進水流道內(nèi)中隔墩一直延伸到攔污柵，攔污柵緊貼在流道中隔墩上，導致同一臺機組進水流道中隔墩兩側(cè)水位不一致，改變了水泵的進水條件，給機組安全穩(wěn)定運行帶來不利影響。

2.水泵結構存在先天性缺陷

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個橫銷連接，用來傳遞扭矩和承受橫向剪切，檢測結果發(fā)現(xiàn)連接橫銷全部脫落、斷裂，葉輪頭與主軸之間間隙達到5mm。葉輪外殼為沿葉輪中心水平剖分的上下分瓣結構，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）與導葉體下端連接。檢測結果發(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、錯位，位移達5mm。

3.大軸軸頸及橡膠軸承磨損嚴重

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

4.主要零部件的銹蝕磨損嚴重

除葉片、葉輪室、導葉體嚴重銹蝕、磨蝕外，大部分水泵部件如導水錐、導水圈、壓蓋、導軸承體等均已嚴重銹蝕、缺損。

五、應采取的措施

1.新建清污設施，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。原泵站設計時下游側(cè)攔污柵緊靠進水流道進口，采用移動耙斗式撈草機，投入運行以來，由于來流污物多、清污效率低或清污不及時等原因，攔污柵前后水位差能達到0.6m以上，降低了水泵進口水位，減小了葉輪中心淹沒深度，帶來機組運行振動大，葉輪室汽蝕嚴重等問題，應將攔污柵移至下游距站前120m處，并采用回轉(zhuǎn)式清污機。

2.降低水泵的nD值，改善水泵的汽蝕性能

原泵站設計時水泵葉輪直徑為3.1m，轉(zhuǎn)速為150r/min，水泵 nD值為465，水泵葉輪外緣線速度大，水泵汽蝕嚴重，應選用新的流量系數(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)化水泵結構設計，優(yōu)選材質(zhì)

通過分析劉老澗站主機組大修統(tǒng)計記錄，劉老澗站存在的主要問題是水泵汽蝕嚴重，運行時振動、擺度大。應將葉輪室的材質(zhì)由鑄鋼改為鑄不銹鋼，減少葉輪室汽蝕的發(fā)生，水導軸承材質(zhì)采用進口材料，減小磨損；還可增加機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，一旦水導軸承處出現(xiàn)問題，及時發(fā)出報警信號，采取有效措施；增加水泵中座混凝土基礎，提高水泵基礎運行穩(wěn)定性