東雷一級泵站水泵更新改造關鍵技術研究

袁龍剛

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528403)

黃河有三大害：泥沙、柴草、冰凌，尤其以泥沙為首害。自新中國成立以來，為了解決黃河沿岸的農業灌溉問題，黃河沿岸修建了為數眾多的灌溉泵站，多數泵站自建成運行以來，深受泥沙危害，黃河干流泥沙多來自中游段山陜區間的黃土高原[1]，東雷一期抽黃灌區東雷一級泵站(以下簡稱東雷一級站)位于黃河干流中游段山陜區間的下游黃河右岸，受泥沙危害更為嚴重。筆者針對在低揚程、大流量、揚程變幅較大[2]、水源泥沙含量大的東雷一級站水泵改造中如何有效解決泥沙問題進行了分析和經驗總結。

1 工程概況

東雷一級站位于東雷一期抽黃灌區東北部、合陽縣東雷村塬下、黃河右岸，為直接抽取黃河水進入總干渠灌溉的源頭樞紐站。東雷一級站原設計總裝機9臺，總裝機容量6160kW，設計灌溉保證率為75%，設計灌溉流量40.0m3/s，加大流量60.0m3/s，為Ⅱ等大(2)型工程。東雷一級站于1975年8月開工建設，1979年11月建成投入運行。

1.1 原設計水泵情況

7臺16CJ-80立式全調節軸流泵，其技術參數為：Q=7.18m3/s，H=8m，n=250r/min。1～5號水泵配套TDL215/26-24型800kW立式同步電動機、6～7號水泵配套TDL215/31-24型800kW立式同步電動機，技術參數為：額定功率800kW，額定電壓6kV，額定轉速250r/min[3]。

2臺36ZLB-70立式半調節軸流泵，技術參數為：Q=1.50m3/s，H=8m，n=490r/min。水泵配套JSL15-12型280kW立式異步電動機，技術參數為：額定功率280kW，額定電壓6kV，額定轉速490r/min。

1.2 原設計水泵存在的主要問題

a.水泵下導軸承泥沙磨損嚴重，檢修頻繁，危及水泵安全運行。

圖1為東雷一級站原水泵的結構圖，從圖中可看出，其結構和技術供水系統的設計很不合理，沒有采取抗泥沙磨損措施，因而，不能有效防止含沙水流進入軸承系統，造成軸套和軸瓦磨損嚴重，檢修頻繁，大修周期不到1000h。而且檢修時拆裝十分不便，耗費了巨大的人力、物力。

圖1 16CJ-80型水泵結構(高程尺寸：m，其余尺寸：mm)

b.水泵的流道設計不夠合理，其過流面積，特別是導葉進口處的過流面積很小，嚴重影響水泵的過流能力和水力效率[4]。該水泵轉輪的輪轂直徑達0.55D1(D1為轉輪直徑)，導葉體的輪轂直徑更大，達0.60D1，因而導葉體的過流面積更小。在設計流量下，導葉進口處的軸面流速高達vm=8.0m/s，影響水泵的過流能力和水力效率[4]。

c.導葉設計不夠合理，且加工粗糙。?導葉長度徑向分布不合理：導葉段外圓軸向長度為973mm，而導葉本身的軸向長度僅為572mm，短401mm，沒有充分利用其回收轉輪出口水流的環量[5-7]；導葉段內圓的軸向長度為618mm，反而比導葉在外圓的軸向長度還長46mm，這顯然是不合理的，其對導葉的水力性能和強度都不利[7]；?導葉葉片數過多，達12片，造成排擠過密，使已經偏小的過流面積變得更小，影響過流能力和水力效率[4]；如果充分利用導葉段外圓的軸向長度布置導葉，則只需8片導葉就可達到與原12片導葉相同的葉柵稠密度1/t，這樣，導葉排擠就可減小，水泵的水力性能就能得到改善；?導葉進水邊至輪葉出水邊的距離過大。在葉片角度θ=0°時，該水泵導葉進水邊至輪葉出水邊距離為h=0.17D1，大大超過了通常h=0.05D1的要求，影響水泵效率[7-8]。

d.水泵葉片葉形欠佳，水力性能較差，且揚程比(水泵最大揚程，即水泵運行特性曲線上馬鞍形最低點的揚程Hmax與其最優揚程Hopt之比)過小，不適合變揚程運行。對揚程變幅較大的東雷一級站，因為水泵經常偏離其高效區運行，導致運行費用增加。

e.水泵出水口筑有防沙墻，人為地抬高了水泵工作揚程，嚴重影響水泵運行效率。黃河水泥沙含量大，水泵停機后，其他機組的出水口水流會通過輸水總干渠進入該水泵流道，沉淀的泥沙將拍門淤死，或者通過關閉不嚴的拍門進入泵體，淤滿進水流道，造成機組不能啟動運行。為避免發生上述情況，在水泵出水口筑有一道防沙墻，以切斷含沙水流進入停運的水泵機坑。從而導致水泵出水口水流只能翻越防沙墻后才能進入輸水總干渠，人為抬高了水泵凈揚程1～2m，因而大幅度降低了水泵運行效率，導致運行費用增加。

f.水泵出水管出口的面積偏小，出口水流的動能沒有充分回收，影響運行效率。該水泵出水管出口拍門處(因建有防沙墻而取消拍門)的直徑為2m，設計流量7.2m3/s時的流速為2.3m/s，水頭損失超過0.25m，如果流量達到8m3/s，則水頭損失超過0.3m。導致年運行小時數較高的東雷一級站運行費用增加。

g.輪葉根本不能全調節，只能做定漿運行[9]。原設計該型水泵輪葉可全調節，調節范圍為θ=-8°～+8°。但由于沒有正確的調節操作力特性資料，其設計調節操作力與實際需要相差甚遠，且加工質量較差，調節機構也不經常動作，容易卡死[9]。所以，該水泵輪葉在實際運行中根本不能全調節，只能做定漿運行[9]。由全調節改作定漿運行的水泵，其水力性能較原本就是定漿式的水泵差得多，也給安裝、檢修和維護增加了不少麻煩。

以上問題直接或間接由泥沙引起，是造成東雷一級站水泵運行效率低下、泥沙磨蝕嚴重[10]、檢修頻繁的根本原因。

2 水泵更新改造技術創新及關鍵技術

由于原設計的7臺16CJ-80立式全調節軸流泵存在以上問題，中國水利水電科學研究院機電所和渭南市東雷抽黃灌溉工程管理局合作對水泵進行了兩批次的改造。結合東雷一級站的實際情況，該站水泵改造辦法是保持其基礎部件和配套電機不動，改造水泵技術供水系統，更換水泵轉輪、轉輪室和導葉等關鍵部件。第一批改造2臺，2臺水泵運行特性曲線見圖2，2臺改造水泵分別于1997年和1998年投入運行；第二批改造5臺，5臺水泵運行特性曲線見圖3，5臺改造水泵分別于2000年和2001年投入運行。

圖2 第一批改造的2臺水泵運行特性曲線

圖3 第二批改造的5臺水泵運行特性曲線

2.1 第一次水泵更新改造技術創新及關鍵技術

a.改變水泵泵段型線(轉輪和導葉)及其結構。原水泵流道太窄，結構也不合理，不適合抽含沙量大的水流。圖4給出了原水泵和改造水泵的流道型線。

圖4 原水泵和改造水泵的流道型線

b.加設主軸套管，改造下導軸承的技術供水系統。該水泵泵體內的含沙水流很容易進入下導軸承，加設主軸套管后，水導軸瓦的潤滑水由上導進入，下導排出[10]，含沙水流完全隔絕在套管之外，從而可完全避免泥沙進入軸承，確保主軸不受泥沙磨損破壞[7-8]。

c.改變水泵轉輪結構。將轉輪全調節改為定漿，將球形轉輪室和轉輪體改為柱形[10]，并將輪轂直徑從0.55D1縮小至0.36D1。圖1展示了改造前水泵的結構，圖5為改造后水泵的結構，從圖中可以看出，該水泵改造后結構簡單，流道通暢。

圖5 改造后水泵結構

東雷一級站裝有大泵7臺，小泵2臺，泵站流量完全可用開機臺數來調節，無須調節輪葉角度。且東雷一級站的全調節水泵沒有正確的調節操作力特性試驗數據，計算加工都比較粗糙，運行過程中，輪葉不經常轉動，操作機構容易被卡死，所以，該水泵只能做定漿運行。更由于轉輪采用全調節結構后，其輪轂直徑必須加大，并須采用球形輪轂體和轉輪室，不僅增加了制造、安裝、檢修難度，對水泵的水力特性也極為不利。東雷一級站水泵轉輪采用定漿結構和柱形轉輪室有以下優點：?大幅度增大水泵轉輪和導葉過流面積，降低流速，增大水泵過流能力，改善汽蝕性能；?便于安裝、檢修，可將轉輪與轉輪室間隙控制在1/1000D1左右，提高水泵容積效率[7-8]。球形轉輪室對轉輪的軸向位置要求很高，為安裝方便起見，往往要擴大轉輪與轉輪室間隙，這對水泵的能量和汽蝕都不利。而柱形轉輪室對轉輪的軸向位置要求不高[7-8]，加工也方便，因而可縮小轉輪與轉輪室間隙。

d.將轉輪直徑由1540mm加大到1560mm，并把導葉數從12片減少至8片，從而減少排擠，增大過流能力。

e.研制效率高、汽蝕性能好的改造用轉輪，使其高效區在東雷一級站的主要運行區，改善運行工況，提高運行效率。考慮到泥沙磨損問題，水泵應有較大的汽蝕余量，避免汽蝕與泥沙磨損的聯合作用，延長使用壽命。

f.優化設計改造水泵導葉，并采用鋼板模壓成型導葉，從而可保證導葉型線準確，且磨損后易于補焊修復。

g.降低防沙墻高度。由于防沙墻的阻擋，原水泵的運行凈揚程必須達到6m后，水流才能進入輸水總干渠，因而泵站運行效率降低。改造后水泵出水口的防沙墻高度降低，可使水泵的凈揚程降低至5m左右。該水泵停機，其余水泵運行時，可采用插木板或草袋堵住該水泵防沙墻頂出水口(實際運行是在防沙墻頂安裝簡易拍門)，防止含沙水流進入水泵流道。

h.轉輪室改用鋼板焊接。水泵在東雷一級站的渾水條件下運行時，其過流部件的泥沙磨蝕是不可避免的，采用鑄鐵件的轉輪室，磨蝕后不易修補，只能報廢。而鋼板焊接的過流部件，磨蝕后易于補焊修復，抗磨蝕性能也較鑄鐵件好。

i.改變轉輪與主軸連接方式。原設計水泵主軸與轉輪采用法蘭連接。改造水泵主軸須加設主軸套管，因此與轉輪連接的主軸法蘭必須車去，改用錐孔和平鍵連接。

2.2 第一次水泵更新改造取得的顯著效果

a.明顯減輕了下導軸承和主軸的泥沙磨損，大大延長了使用壽命[10]。經向泵站現場運行管理人員調研了解，改造后大修周期可達5000h。

b.大幅度增大了水泵轉輪和導葉處的過流面積，降低了流速，提高了水泵汽蝕性能[5]，較好地避免了汽蝕與泥沙磨損聯合作用對過流部件的破壞[11]。

c.簡化了水泵結構，易于安裝、檢修和運行維護。

d.鑄鐵材質的導葉段和轉輪室改成鋼質材質后，提高了抗磨蝕性能，易于補焊修復。

2.3 第二次水泵更新改造技術創新及關鍵技術

2009年2月，陜西省大型灌溉排水泵站安全鑒定專家組對東雷一級站的水力機械安全鑒定結論為：東雷一級泵站水泵過流部件磨蝕嚴重，幾何形狀改變，大面積出現麻面，出水量小，效率低，已經運行25年以上，評定為四類設備。

2009年4月，中國灌溉排水發展中心對東雷一級站安全鑒定報告復核結論為：泵站安全類別復核評定機電設備安全類別為四類，同意進行更新改造。

東雷一級站第二次更新改造經泵型比選，最終選用7臺1600HLB8型混流泵和2臺900ZLB2.8-6.8型軸流泵。第二次更新改造在吸取第一次改造經驗的基礎上，對水泵的設計制造提出以下幾個方面的要求：

a.原基礎不變，基礎預埋件不變。

b.更換出水壓力管道及60°彎管。增加剛性伸縮節，水泵出口與管道安裝部位按照原圖設計，誤差可由剛性伸縮節調整。

c.主軸使用材質：主軸采用40Cr鍛造，主軸與主軸密封及水導軸瓦接觸的部位堆焊不銹鋼耐磨層，耐磨層的硬度遠高于原來的不銹鋼軸套，硬度可達HRc42以上。主軸仍加設套管，水導軸瓦的潤滑水由上導進入，下導排出，含沙水流完全隔絕在套管之外，從而避免泥沙進入軸承，確保主軸不受泥沙磨損破壞[8]。

d.優化水導軸承結構設計，防止軸瓦與軸承筒體在運行時脫落?；瑒虞S瓦設計采用COMPAC或橙色PREM復合材料。

e.下基礎密封采用橡膠材料，增加阻尼作用，減小運行時振幅。

f.7臺大泵轉輪結構設計為半調節導葉式混流泵，轉輪室和轉輪體為錐球形，轉輪段過流面積較大，過流能力較強。轉輪部件采用整體密封結構，防止泥沙水進入后銹蝕軸伸外圓與輪轂內圓，同時防止砂粒進入后卡塞配合間隙，設計須考慮裝配檢修時的裝配難度。

g.選用水力性能優秀的轉輪和導葉，以增大導葉段過流能力。

h.選用耐磨蝕的材質，導葉采用不銹鋼單片整鑄[12]。主要過流部件(輪轂、葉片、轉輪室、導葉體等)選用耐磨蝕的1Cr18Ni9Ti不銹鋼材質，在主要過流部位超音速HVOF噴涂納米碳化鎢S4020耐磨蝕涂層。

i.水泵過流部件按高精度零件加工制作[12]。

j.水泵結構設計要便于安裝及檢修。

k.7臺大泵的泵段效率η≥89.2%，2臺小泵的泵段效率η≥85.6%。

l.機組的裝置效率η≥70%。后經水泵裝置模型試驗驗證：水泵設計工況裝置效率達79%。

m.水泵須做水泵模型及裝置模型試驗。

2.4 第二次水泵更新改造取得的顯著效果

第二次更新改造的9臺水泵中，有3臺1600HLB8型混流泵于2020年3月11日投入運行，2臺于2020年5月19日投入運行，剩余的2臺1600HLB8型混流泵和2臺900ZLB2.8-6.8型軸流泵已安裝完成，于2021年1月26日試運行，4臺機組試運行一切正常。據管理單位反饋，投入灌溉的5臺1600HLB8型混流泵，運行狀況良好，整體高效。

3 結 語

東雷一級站水泵兩次改造的成功經驗，為一定程度上解決多泥沙河流上的水泵運行效率低下、泥沙磨蝕嚴重、檢修頻繁的問題提供了借鑒。以下建議可供同類工程參考：

a.水泵整體結構設計時應考慮防泥沙措施，特別是水泵水導軸承。

b.選用水力性能優秀的轉輪和導葉，以提高水泵效率和汽蝕性能。

c.主要過流部件選用耐磨蝕的材質，在主要過流部位噴涂耐磨蝕涂層。

d.混流泵相比軸流泵，設計揚程時裝置效率更高。

e.大型水泵須做水泵模型及裝置模型試驗。