大型排澇泵站機組改造提質增效關鍵技術分析

袁龍剛，張鴻偉，呂建新

（中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 工程概況

小欖鎮排澇東站、北泵站位于中山市小欖鎮,地處中順大圍北部上游、小欖水道右岸。小欖鎮排澇東站、北站總設計流量77 m3/s,總裝機容量4410 kW,其中東站位于小欖水道婆隴水閘側,裝機5臺,設計流量55 m3/s,裝機容量3150 kW,擔負47 km2的排澇面積；北站位于小欖水道雞腸滘水閘上游,裝機2 臺,設計流量22 m3/s,裝機容量1260 kW,主要負責舊城區以北約15 km2的排澇面積。工程等別為Ⅱ等,大（2）型工程,主要建筑物級別為2 級,次要建筑物級別為3級。泵站的運行水位組合及特征揚程見表1。

表1 小欖鎮排澇東站、北站特征水位及揚程

注：設計凈揚程按出水池設計運行水位對應進水池設計運行水位,東站、北站設計揚程均按3.5 m。

小欖鎮排澇東站、北站自1996年建成投產以來,為該鎮的防洪排澇工作做出了巨大貢獻,發揮了重要的防洪排澇作用并取得了顯著的社會效益。

2 機組改造提質增效關鍵技術

2.1 深入調查現狀機組存在的主要問題

通過深入現場實際調查,現狀機組存在的主要問題如下：

1）水泵投入運行時間長,水泵葉片、輪轂、葉輪室汽蝕磨損嚴重,運行噪音超標、振動大,水泵出水流量下降,運行效率降低。

2）水泵主軸存在銹蝕,主軸與水導軸承及主軸密封接觸部位存在一定程度的磨損。

3）水泵水導軸承磨損嚴重。

4）電機運行時間過長,期間從未進行大修,存在部分設備元器件老化等安全隱患。

2.2 制定合理可行的機組改造提質增效原則

1）確保安全可靠運行、充分發揮工程效益,注重提高裝置效率。

2）在不影響泵站性能和安全的前提下,充分利用原有設施、設備,合理確定改造范圍。

3）積極采用經過試驗、鑒定和工程實踐的新技術、新材料、新工藝和新設備。

2.3 根據機組改造提質增效原則進行改造方案設計

1）確保安全可靠運行、充分發揮工程效益,注重提高裝置效率。水泵采用先進的低揚程、大流量軸流泵水力模型350 ZMB-3.8[1-3],比轉速ns=1400,模型泵流量Q＞400 L/s,達到440 L/s,實現了泵站低揚程區的高效率,模型泵效率η＞80%,設計揚程時真機流量可達11 m3/s。現場綜合測試及實際運行也證明了選用350 ZMB-3.8水力模型是合適的,也是優秀的。

2）在不影響泵站性能和安全的前提下,充分利用原有設施、設備,合理確定改造范圍。本次主要對機組進行更新改造,不涉及土建及現狀完好的設施、設備,改造內容主要包括：7臺套TL630/24-1730 型電機定子部件、轉子部件、軸承部件、機架、制動裝置等的檢查和維護；7 臺套1600 ZLQ11-3.3 型立式全調節軸流泵泵體、葉片調節機構、機組輔助設備等的解體；7 臺套水泵葉輪部件（僅含葉片、葉輪室）、上下水導軸承、主軸密封填料、導葉體、調節拉桿銅軸套的更換；對水泵主軸、輪轂、輪轂內調節機構進行返廠檢查修補；其他視機組解體后檢測的實際情況進行符合國家標準的修補或更換。

3）積極采用經過試驗、鑒定和工程實踐的新技術、新材料、新工藝和新設備。由于本泵站揚程變化范圍較大,最低揚程與設計揚程相差較大,當泵站在最低揚程運行時,水泵葉片在同一角度運行時最低揚程對應的流量比設計揚程對應的流量增大約30%,由于水泵流量增大導致流速增大,機組運行振動將大大增大,不利于設備的安全穩定運行,葉片采用全調節型式[4-5]可通過不停機調節水泵葉片角度,從而調節水泵出水流量,避免由于水泵流量增大導致流速增大,機組運行振動大大增大,同時通過不停機調節水泵葉片角度,調節水泵出水流量,可以更加靈活地適應內河來水量,避免內河來水量不足時頻繁停機,從最低揚程時水泵運行安全穩定性及流量調節靈活性角度綜合考慮,水泵的葉片調節方式仍采用全調節型式,原水泵采用機械式調節器全調節,運行中存在抬軸、調節器軸承發熱乃至燒損等問題,工作不夠可靠,本次改造采用先進的內置式液壓調節器,在不改變水泵、電機原有結構的前提下,通過現場實地測量原有調節桿法蘭盤、電機法蘭盤尺寸及螺栓孔定形定位尺寸,配套設計調機器法蘭盤及螺栓孔,從而在原有設備基礎上將機械式調節器更換為內置式液壓調節器,有效避免了機械式調節器抬軸和燒瓦現象的發生；原水泵水導軸承采用橡膠軸承,軸承磨損嚴重,本次采用耐磨損且不傷軸的高分子復合材料軸承,有效減小了水導軸承及主軸磨損；原水泵葉片、葉輪室均采用鑄鋼材質ZG230-450、導葉體采用HT250,經過多年運行水泵葉片、葉輪室、導葉體存在腐蝕及汽蝕磨損,為更好的抗腐蝕及汽蝕磨損,從材料方面,本次改造葉片采用不銹鋼材質ZG1Cr18 Ni9 Ti,葉輪室采用鑄鋼材質ZG270-500內襯塞焊不銹鋼板材質1Cr18Ni9Ti,導葉體采用鑄焊結構,導葉片采用鑄鋼材質ZG230-450,內外環采用碳鋼材質Q235B；以上新技術、新材料、新工藝和新設備均經過試驗、省部級鑒定和工程實踐。

3 現場綜合測試

為保證泵站能夠安全穩定運行,繼續發揮其防洪排澇的作用,東站、北站在2017 年～2018 年枯水期進行了機組的更新改造施工。

3.1 現場綜合測試內容

為測定水泵機組運行狀態的真實效率,檢驗水泵的改造效果、安裝水平及水泵更換部件生產廠家的制造質量,進行了機組現場綜合測試,為本工程驗收、運行管理提供技術依據。2018 年6 月～7 月對東站、北站全部7 臺機組進行了水泵機組現場綜合測試,通過水泵機組現場綜合測試全面了解泵站的運行特性,測定每臺水泵在葉片各運行角度（-8°～+8°）運行時的水泵裝置效率,并對每一測試工況下的水泵流量、水位、揚程、電機輸入功率、溫升、轉速,機組運行的噪聲、振動等[6-8]進行了測試。

3.2 試驗測點布置及試驗流程

水泵機組的流量、功率、揚程、振動、噪聲等參數通過安裝在水泵機組周圍的各類傳感器采集獲得。水泵機組在葉片各運行角度下的效率值,通過檢測水泵的揚程、流量、功率等參數后計算得出。水泵機組現場綜合測試系統布置圖見圖1。

圖1 水泵機組現場綜合測試系統布置圖

小欖鎮排澇東站、北站水泵機組現場綜合測試試驗流程見表2。

表2 水泵機組現場綜合測試試驗流程

3.3 測試結論

3.3.1 水泵振動測試結論

通過對全部7臺水泵進行振動測試,結合現場采集的振動數據得出以下結論：

1）7臺水泵在振動測試過程中,機組運行穩定,未檢測出異常振動情況。

2）北站水泵振動隨著水泵葉片角度的增大而增大,在葉片角度從-8°增大至+8°的過程中,水泵的振動呈現逐漸增大的趨勢,在葉片角度+8°時出現振動最大值。北站水泵的振動最大值出現在葉片角度+8°位置。

3）東站水泵振動隨著水泵葉片角度從-8°增大至+2°的過程中,水泵的振動呈現逐漸增大的趨勢,在葉片角度0°和+2°附近出現振動最大值；隨后,隨著葉片角度繼續增大,水泵振動逐漸減小,在葉片角度+6°附近出現最小值；當葉片角度繼續增大至+8°的過程中,水泵振動又迅速上升。東站水泵的振動最大值出現在葉片角度0°～+2°區間和+8°位置。

4）通過對水泵振動測試試驗數據結果分析,同時結合《泵的振動測量與評價方法》（GB/T 29531-2013）標準評定,東站、北站全部7臺水泵的振動評價結果為：振動級別均為A級,振動滿足要求。

3.3.2 水泵噪聲測試結論

通過對全部7臺水泵進行噪聲測試,結合現場采集的噪聲數據得出以下結論：

1）7臺水泵在噪聲測試過程中,機組運行穩定,未檢測出異響情況。

2）7臺水泵噪聲隨著水泵葉片角度的增大而增大,在葉片角度從-8°增大至+8°的過程中,水泵的噪聲呈現逐漸增大的趨勢。7臺水泵的噪聲最大值均出現在葉片角度+8°位置,同時水泵功率也達到最大值。

3）通過對水泵噪聲測試試驗數據結果分析,同時結合《泵的噪聲測量與評價方法》（GB/T 29529-2013）標準評定,東站、北站7臺水泵的噪聲評價結果如下：

①北站1號、2號水泵,東站4號、5號水泵在葉片角度-8°～+4°區間噪聲級別為B級,葉片角度+4°～+8°區間噪聲級別為C級；②東站1號水泵在葉片角度-8°～+8°區間噪聲級別為B級；③東站2號水泵在葉片角度-8°～+6°區間除+4°以外噪聲級別為B級,葉片角度+4°和+8°時噪聲級別為C級；④東站3號水泵在葉片角度-8°～+6°區間噪聲級別為B級,葉片角度+6°～+8°區間噪聲級別為C級。東站、北站全部7臺水泵的噪聲評價結果為：噪聲滿足要求。

3.3.3 水泵其余綜合性能測試結論

通過對全部7臺水泵機組綜合性能測試,全面對水泵轉速、溫升、功率、揚程、流量、水泵效率、裝置效率等水泵運行相關參數進行了現場實測,結合現場采集的數據得出以下結論：

1）北站1號、2號、東站1號、2號水泵實測得到的最高裝置效率為65.0%、64.4%、59.6%、65.1%（±2.06%）,最高效率點出現在葉片角度-2°～0°附近工況；實測水泵最高流量為 12.082 m3/s、11.601 m3/s、11.887 m3/s、11.553 m3/s；實測最高水泵效率為88.9%、88.5%、89.5%、88.9%（±2.06%）。

2）東站3號、4號、5號水泵實測得到的最高裝置效率為65.0%、62.3%、62.9%（±2.06%）,最高效率點出現在葉片角度-4°～-2°附近工況；實測水泵最高流量為11.674 m3/s、11.651 m3/s、11.527 m3/s；實測最高水泵效率為88.4%、89.6%、88.2%（±2.06%）。

通過檢驗測試數據結果[9]可知,全部7 臺水泵機組的水泵轉速、溫升、功率、揚程、流量等參數均在設計的合理范圍內,水泵運行工況穩定,在整個檢驗測試過程中,所測參數變化趨勢平穩,無異常變動,全部7 臺水泵實測水泵流量滿足設計流量（11 m3/s）要求,實測水泵效率曲線與水泵工作運行性能曲線相符合。

4 運行效果分析

小欖鎮排澇東站、北站機組改造后自2018 年投入運行至今,機組運行狀況良好,整體高效。

5 結語

通過工程實例介紹了大型排澇泵站機組改造提質增效關鍵技術,并通過對改造后的水泵機組進行現場綜合測試,驗證了大型排澇泵站機組改造提質增效取得的顯著效果,總結了大型排澇泵站機組改造提質增效應注意的問題和取得的成功經驗,得出以下建議：

1）充分調查分析原排澇泵站自建成投產運行以來實際的平均揚程、設計揚程等特征揚程,以及實際運行的揚程范圍,比選適合本泵站特征揚程及揚程范圍的先進、高效,且經過權威機構鑒定的優秀水力模型,注重提高裝置效率,確保泵站改造后能安全可靠運行、充分發揮工程效益。

2）在不影響泵站性能和安全的前提下,方案設計應充分利用原有設施、設備,針對原有設施、設備存在的問題進行改造,以問題為導向,合理確定改造范圍,節約工程投資。

3）針對原有技術、材料、工藝、設備存在的問題,積極采用經過試驗、鑒定和工程實踐的內置式液壓調節器、高分子復合材料軸承、內襯塞焊、鑄焊結構等新技術、新材料、新工藝和新設備。