新型葉片調節機構在南水北調臺兒莊泵站的應用

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節機構改造為例，分析改造前后的性能對比，為調水工程類似立式軸流機組葉片調節機構的更新改造提供理論和實踐借鑒。

關鍵詞：南水北調；泵站；葉片調節機構；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，以滿足南水北調東線工程向北調水的任務，實現梯級調水的目標。此外，兼有臺兒莊城區排澇和改善韓莊運河航運條件的作用。工程為大Ⅰ等工程，工程設計調水流量為125 m3/s，臺兒莊泵站廠房內安裝5臺立式全調節軸流泵，泵站一臺機組的設計流量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，由于原葉片調節機構（圖1、圖2）存在調節不靈活，運行不穩定、不可靠；設備的密封件老化，存在滲漏現象，運行時需經常補油補壓，有較大的安全隱患。遂結合機組大修對泵站水泵機組的葉片調節機構進行了更新改造，取得了很好的效果，為類似水泵機組的葉片調節機構的升級改造提供了借鑒。

1" 原葉片調節機構的狀況

1.1" 原葉片調節機構工作原理

原葉片調節機構是液壓調節外供油方式。其工作機構組成：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、閥門和電氣系統等。正常狀態時油箱內儲有足夠的油液，壓力罐內充有一定壓力及容積的空氣，起到儲備能量及緩沖作用，在調節葉片角度時，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，改變葉片的角度，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調整油缸的供油量。為保證貯能罐壓力穩定，需根據壓力降低情況自動補氣，在調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的壓力，確保壓力油位不下降，保證葉片角度的穩定。

1.2" 原葉片調節機構存在的問題

1）臺兒莊泵站利用外供油的油壓調節裝置進行水泵機組葉片調節，因裝置采用外供油方式，機組內泄油量較大，油泵補油頻繁，油壓裝置內油壓下降比較快，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，葉片調節器的小軸銅質軸套磨損加大，導致水泵機組的油壓裝置存在泄油現象，每個運行班組需要經常去空壓機室補氣以此給貯氣罐加壓補油，經常半小時左右補充液壓油一次，不能有效地保證設備安全穩定運行，機組設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、氣系統連接閘閥、法蘭較多，密封件長期承受高壓容易老化，經常出現滲漏油現象，給維護、運行工作帶來很大的不便，影響調水運行安全。

3）工作時間長。當調水指令要求的流量沒發生改變時，水泵的葉片角度不變化，即原則上不需要變動葉片調節器的角度，原有的葉片調節器在主電動機和主水泵轉動時，因葉片調節器的上、下軸承及上拉桿也隨著主電動機軸轉動，所以葉片調節器的工作時間與主電動機的工作時間也一樣，新型的內置旋轉式液壓調節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，蝸殼內的水流非常紊亂，造成水泵機組經常產生抬軸現象，使泵軸產生向上的竄動力。由于原有的外供油機械式調節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動，因而極易發熱和磨損，但卻又無法改變，這樣就更容易造成調節器平面軸承（即上、下軸承）的損壞。

5）無法實現遠距離顯示和遠距離控制。由于這種調節機構無法設置“位移傳感器”，也沒有設置“數字顯示儀表”，它只設置了一個葉片角度的“機械顯示器”，因而無法實現葉片角度的“遠距離顯示”和調節葉片角度的“遠距離控制”。

6）設備的維護保養不便。因葉片調節器的上拉桿、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下，這樣極易造成設備的潤滑油液化，也極可能導致潤滑油汽化，造成葉片調節器內的潤滑油蒸發流失，而導致添加潤滑油非常困難；加之平面軸承又很容易損壞；且設備體積大而笨重，拆、裝都很不方便，故其維護保養十分不便，耗時費力。

2" 葉片調節器的發展、存在問題及解決辦法

2.1" 葉片調節器的發展

原葉片調節機構屬于二十世紀八十年代中期研發出來的產品，九十年代初期開始在國內大范圍使用，至今已有三十多年的歷史。這期間，國內水泵葉片調節機構的研發水平快速提高。一種新型的“免抬軸水泵葉片角度液壓調節器”（即現在的“內置旋轉式水泵葉片角度液壓調節器”）出現以后，無論是其工作性能、還是產品質量，都得到了飛速提高。新型的葉片調節器于2009年11月獲得了國家“大禹水利科學技術進步一等獎”。

目前，對這款“內置固定式機械調節器”進行維修或者大修的性價比已經很低，更換新調節器是最好的解決辦法。

2.2" 對新型葉片調節器的調查研究

為解決原葉片調節機構存在的問題，保障工程運行安全，臺兒莊泵站管理處在水泵機組大修時，決定同步對葉片調節機構進行改造。為更詳細地了解葉片調節機構改造的技術過程和更好地掌握此套設備的操作及使用原理，管理處組織技術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節機構改造工作情況，主要是了解機組活塞加工處理、調節器、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節機構有很大的意義，臺兒莊泵站現已結合大修完成了4臺機組葉片調節器的更新改造。

3" 新型葉片調節器的結構和工作原理

3.1" 新型葉片調節器的結構

新型葉片調節器的結構較簡單、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，并通過調節器底盤安裝在電機主軸的頂端和電機主軸同步旋轉。外面加上調節器外罩予以保護（圖4—6）。

3.2" 新型葉片調節器的工作原理

液壓系統利用液壓泵將電動機的機械能轉換成為液體的壓力能，通過液體壓力的變化來傳遞能量，經過各種控制閥和管路的傳遞，借助于液壓執行元件（液壓缸）把液體壓力能轉換為機械能，從而驅動工作機構，實現活塞和調節桿的直線往復運動及葉片轉軸的旋轉運動，實現輸水功能。

按液壓元件的工作性質不同，系統主要分動力元件（油泵、動力機）、執行元件（油缸、活塞）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質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，裝在液壓調節器的油箱內，其作用是把電動機的機械能轉換成液體的壓能，它是液壓傳動中的動力部分。油泵供油系統由油箱、電動齒輪油泵及各種閥門、濾網、自動化元件構成。在調節葉片角度運行期間，供油系統連續運行，向液壓油配給裝置（葉片調節控制機構）提供足夠的壓力和流量，以便隨時調節葉片角度。

注：1-水泵調節桿；2-安裝盤；3-激光發射器；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；18-上罩殼；19-止轉板；20-卡槽；21-內罩殼；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-聯軸器法蘭；32-電動機主軸；33-電動機上機架。

3.2.2" 執行元件（油缸、活塞）

執行元件由油缸、活塞和活塞桿組成，位于液壓調節器的中部，其作用是將液體的壓能轉換成機械能，供下部的工作機構使用。其中，油缸內的活塞連同調節桿一起在系統內做直線往復運動。

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。其作用是根據需要，無級調節液動機的速度，并對液壓系統中工作液體的壓力、流量和流向進行控制和調節。

該液壓調節器設有電磁換向閥、液控單向閥和安全閥等，都裝在液壓調節器的油箱內，以實現對油泵的運行控制，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（對上調還是下調起控制作用）；高壓油經過裝置穩壓后，經液控單向閥（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，當系統壓力超過規定值時可自行卸載，避免壓力超高后損壞設備。

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，其把相關設備連在一起，分布在調節器的各個部位。如在油泵的吸油口處和回油路設有濾網，以保證油泵的穩定運行和壽命；在油泵的出口處裝有壓力表、壓力開關、電磁閥、載荷閥、截止閥和止回閥，以便對油系統起監控和保護作用。

3.3" 新型葉片調節器的特點

3.3.1" 重量輕、體積小，采用上置式、內供油

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

3.3.2" 結構布局合理，無需潤滑油潤滑，維護保養簡單易行

新型葉片調節器的技術創新點如下。一是在活塞桿與調節桿的聯軸器之間加裝一塊支撐板，取消活塞頂端連接桿，使旋轉體內部結構得到合理布局。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”變為只有一個外泄“風險點”；②避免延伸桿占用油箱內的寶貴面積，尤其是避免它影響油箱內各元器件的整體布局；③簡化旋轉體內部結構，以減少旋轉體內部維修保養工作量。

二是在油箱內設置一塊油路板，有效改善了各元器件的安裝使用條件，節約了大量油箱內的有效使用面積。新型調節器的油箱內設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備；里層設置有各種油路通道，使液壓元器件的輸油管道相互連通。在油箱內設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，使調節器結構變得更簡單；最后油箱內的各個元器件得到了高度集成，大大節約了油箱內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，還為調節器安裝更多元器件騰出了一定的富余空間。

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

四是增設油箱油位顯示系統，即時了解油箱油位情況，為及時排除設備故障創造更多條件。

當油箱里的油位低于某一高度時，調節器就會因油泵泵不到油而調不動。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。現在有了油位顯示系統，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、對環境無影響

常用的液壓調節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體內的油缸、活塞，就需要有一個由靜態到動態輸油的連接管件（受油器），此處存在一旋轉縫隙，漏油問題不可避免，壓力會降低，以致影響設備的調節力。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，就限制了液壓調節的使用范圍。而新型液壓調節器采用了內供油的形式，避免了上述問題，可以做到無泄漏，在調節器運行期間不需要補充油。但考慮其運行時間較長后，油質會下降，因此，適時地更換工作介質（換油），對于保證調節器的工作質量仍然是必需的。

3.3.4" 能夠在中控室實現遠程控制

現在的內置旋轉式水泵葉片角度液壓調節器，在其里面設置了位移傳感器，它通過485接口可以在泵站中央控制室控制，調節靈活，使用方便。它既可以在泵站中央控制室調節和觀察水泵運行的即時葉片角度，也可以在現地（水泵機組旁）調節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

其最大的技術亮點，就是調節器的“著力點”不同。過去的調節器，其自重和調節器調節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）；現在的“內置旋轉式水泵葉片角度液壓調節器”，其自重和調節器調節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象對水泵、主電動機，特別是調節器平面軸承（即推力軸承）及其他零部件的影響。

改造后的葉片調節機構投入運行以來，臺兒莊泵站水泵機組在過去的5個調水年度未出現任何影響運行安全的問題故障，減少了不必要的人力干預，提高了年度調水安全保證。新型葉片調節機構的使用，為南水北調工程后續的高質量發展提供了有力的技術保障。

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