江蘇省劉老澗站水泵機組運行穩定性影響因素分析

呂 坤

（作者單位：江蘇省駱運水利工程管理處 223800）

江蘇省劉老澗站建于1996年，屬于加強黃淮海平原灌溉農業項目，利用世界銀行貸款和國內配套資金興建。在南水北調東線工程中，該站與劉老澗二站共同組成第五梯級站，也屬于江蘇淮水北調第二梯級站，主要作用是直接抽引泗陽站送來的江水、淮水，沿中運河北調。該工程設計流量150m3/s，投運至今，累計抽水130億m3，變頻發電近5000萬度，保證了蘇北地區農田灌溉、工業及通航用水，創造了巨大的經濟效益和社會效益。該站長期運行后，存在裝置效率下降，機電設備嚴重老化等狀況。本文通過分析泵站長期運行后現狀，對機組效率及穩定性影響因素進行分析。

一、機組概況

該站裝有4臺套井筒分段式全調節軸流泵，設計總流量150m3/s。水泵型號3100ZLQ38-4.2，葉輪直徑3.1m，單泵設計流量37.5m3/s，設計揚程4.2m，轉速150r/min，配套電機型號TL2200 -40/3250，容量為2200kW。

二、工程穩定性和機組狀況分析

1.對工程運行日志的分析

該站每年抗旱翻水時泵站下游水位多低于設計水位，特別是每年的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，據統計，劉老澗站近十五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。因此，可以發現葉輪中心淹沒深度小是造成機組運行穩定性差的主要原因。

2.對工程運行時水流的分析

該站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，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《泵站設計規范》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定運行。而且原設計時進水流道內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水位不一致，改變了水泵的進水條件，給機組安全穩定運行帶來不利影響。

3.對該泵站大修情況的統計分析

該站主水泵自1996年投入運行以來，雖經數次大修，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，劉老澗站歷年實測效率可以看出，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%，達不到原設計工程效益，遠低于《泵站技術管理規程》的要求。

在對該工程大修過程中，發現水泵結構存在先天性缺陷。原水泵主軸下端插入轉子體內用柱銷連接，主軸與轉子體通過4個橫銷連接，用來傳遞扭矩和承受橫向剪切，檢測結果發現連接橫銷全部脫落、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。檢測結果發現葉輪外殼下哈夫與下座緊固螺栓松脫并產生斷裂、錯位，位移達5mm。

且該站水泵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，橡膠軸承止口呈現凸臺，止口磨損最大深度為5mm。故該站在機組運行中極容易出現故障。

三、建議改進措施

1.新建清污設施，降低過柵損失

南水北調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，基本滿足要求。泵站下游側攔污柵緊靠進水流道進口，采用移動耙斗式撈草機，建議將攔污柵移至下游距站前約120m處，建議采用回轉式清污機解決泵站存在的問題。

2.優化運行調度

根據分析，泵站近十五年下游側運行水位較低，下游最低平均運行水位為15.19m，下游運行平均水位為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行時，對于下游水位低于15.5m的運行工況，建議使用劉老澗二站運行。

3.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，建議選用新的流量系數大的水力模型，在保持葉輪直徑不變的情況下，將水泵轉速降至136.4r/min，水泵nD值降為423，改善了水泵的汽蝕性能。

4.優化水泵結構設計，優選材質

從劉老澗站主機組大修統計可以看出，劉老澗一站存在的主要問題是水泵汽蝕嚴重，運行時振動、擺度大，分析原因主要包括：（1）水泵中座基礎存在缺陷，原水泵中座預埋件支撐基礎只有四個點，容易造成預埋件基礎漏筋、混凝土脫落等現象，對水泵基礎穩定性不利，時間長了造成中座基準參數發生變化，導葉體發生不同程度的周向位移，影響大修后機組的安裝質量。（2）水泵中座基礎存在缺陷，原水泵中座預埋件支撐基礎只有四個點，容易造成預埋件基礎漏筋、混凝土脫落等現象，對水泵基礎穩定性不利，時間長了造成中座基準參數發生變化，導葉體發生不同程度的周向位移，影響大修后機組的安裝質量。（3）原水泵葉輪室為上下分瓣結構，下半部分埋置于混凝土內，材質為鑄鋼，雖然表面堆焊了不銹鋼，還是容易汽蝕。水導軸承材質為橡膠，耐磨性較差，運行時間長后磨損嚴重，增大了水泵水導軸承處的擺度，造成大軸軸頸磨損。（4）原水泵結構存在先天性缺陷，水泵主軸下端插入轉子體內用柱銷連接，主軸與轉子體通過4個橫銷連接，用來傳遞扭矩和承受橫向剪切，結果發現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到5mm。

針對上述存在問題，建議對水泵結構設計優化和部件材質優選：（1）增加機組在線監測系統，一旦水導軸承處出現問題，會及時發出報警信號。（2）增加水泵中座混凝土基礎，提高水泵基礎運行穩定性。（3）將葉輪外殼（上）與葉輪外殼（下）不僅通過止口連接，還用螺柱和螺母連接，防止軸向串動導致水泵振動。（4）將葉輪室的材質由鑄鋼改為鑄不銹鋼，減少葉輪室汽蝕的發生，水導軸承材質采用進口材料，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，運行更安全可靠■