泵站水力機械改造設計思路

張 鑫

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

某泵站站點的上部流域面積達到了9 237 km2，整個泵站由左右兩個機房共同組成，設計安裝8組水輪泵，每組裝置2臺，每2臺設備進行串聯工作；左邊機房安裝12臺水輪泵，右邊機房安裝4臺水輪泵。泵站設計的預期灌溉面積為2.588 7萬畝(1畝≈666.67 m2)，灌溉的速度保持在2.59 m3/s。目前，設備安裝根本無法達到設計規范要求，當前泵房的實際設備容量為1 720 kW，左邊機房僅安裝4組設備，右邊機房則安裝了1組設備，只能滿足0.441 5萬畝(1畝≈666.67 m2)面積的灌溉需求。

2 存在的問題及改造必要性

2.1 存在問題

泵站運行時間比較長，已經超出了20年，設備在實際運行的過程中震動比較嚴重，設備組的整體運行效率低下，且出現故障頻率越來越高，促使機組的正常壽命不斷縮短，無法在最大程度上發揮出實際效能。其中，主水泵所暴露出來的問題如下。

1)機組的導葉、葉片等部分組件汽蝕現象非常嚴重，其中，葉輪組件的汽蝕寬度已經達到了6 cm，汽蝕的深度為19 mm,汽蝕的總面積為5 784 mm2，葉輪出現一處穿孔，孔徑達到了13 mm。襯帶使用的是不銹鋼材質，襯帶出現3處損壞現象，損壞部分的面積達到了132 cm2。葉輪組件的外部殼子下方出現了3處裂縫，裂縫的長度達到了57 cm，裂縫的寬度達到了5 mm,且外殼表面出現諸多裂紋。葉片之間的距離最大是3 cm，這種間隙的存在促使汽蝕現象出現，導致葉片、葉輪的外部殼子表面呈現出蜂窩狀，所有的葉片都存在磨損現象，基本上表面已經脫落，葉片的最大磨損深度已經達到了5 mm。進一步來看，由于葉片長時間受到磨損，加之汽蝕現象的影響，促使葉輪自身的平衡性喪失，這一系列的因素導致設備在實際運行的過程中機組震動的幅度不斷增大，顯然在這種情況下軸承的磨損度越來越嚴重，根本無法保證設備運行過程中的安全性。

2)水泵的出水量匱乏，設備的工作效率不斷下降。該設備自安裝以來已經大修過多次，且設備的主要構件從未更換過，每次檢修時只是簡單對部分損壞的組件進行修復而已。水泵的組件損壞程度比較嚴重，水泵的性能根本無法達到設計要求，水泵的工作效率不斷降低。水泵建成的初期工作效率只有設計值的60%，在多年工作磨損的過程中，水泵的工作效率必然會進一步降低。在2016年實測時發現，水泵的工作效率只有設計值的54%。

3)軸承磨損比較嚴重。水泵軸的表面已經完全銹蝕，軸頸表面則呈現出不同程度的磨損，其中最大磨損深度達到了4 mm。軸承與導葉體之間相連的螺栓已經開始出現磨損，且部分螺栓已經脫落，軸承的底座完全損壞。

2.2 改造必要性

機械設備工作時間比較長且多年未修，無法保證設備自身的性能，電機與水泵的工作時間已經超過了正常的使用壽命，但還處于工作狀態中；同時，部分泵站之前被洪水淹沒過，出現事故的可能性非常高，且一旦出現事故可能會造成嚴重的后果。當前機房中所使用的設備基本上是市面上淘汰的產品，長時間未得到更換，最重要的是由于無人進行保養，泵站內存在大量淤泥，促使運行效率受到一定的影響。

泵站自身的機組工作效率低下，水流量大幅度減少，而能源消耗規模大幅度提升，促使泵站的整體效益不如意。隨著泵站運行的時間增長，機組的檢修次數與費用也在不斷提高，但是設備大修的頻率卻不斷延長，促使泵站逐漸陷入到一個惡性循環中。所以，為了保障泵站能夠在未來繼續發揮出作用，促使地區經濟發展，需要對泵站內的水力設備進行改造。

換一個角度來看，泵站內的水力設備屬于特殊時期遺留下來的產物，在20世紀60～70年代，機電灌溉產業蓬勃發展，但是在后期階段，相關單位僅僅關注水力設備的安裝與建設，并對設備后期的維護并不是很重視，加之缺乏維護資金，導致現在泵站失去了存在的價值。現階段泵站已經老化，無法發揮出效能，無法滿足社會經濟發展的進一步需求，所以應該盡快對泵站進行改造。

通常情況下，一個泵站的正常安全使用期限應該是20～25 a，設備質量差的應該在10～15 a。結合實際情況而言，當前的泵站改造存在較大難度，需要投入大量的資金。此外，這些泵站建成至今已有50～60年，長期以來負重作業，工作年限過長。在經過大半個世紀的時間，諸多泵站早已超過了設備的正常使用壽命。當前，機房中大部分的設備基本上是市面上淘汰的產品，長時間未得到更換，最重要的是由于無人進行保養，促使設備存在諸多安全隱患。泵站的工作效率逐年下降，耗能也明顯超過了管理標準，運營成本不斷提高，嚴重影響到泵站的正常運行，導致泵房的效益無法體現出來。

3 水泵結構優化設計及部件材質優選

3.1 機組機型選擇

由于原本的泵房是一個水輪泵站，所以在實際改造的過程中應該將水泵與水輪泵在技術、經濟方面進行全面對比，選擇比較合適的進行改造。

1)左邊泵房的灌溉設備的正常流量為0.52 m3/s，水輪泵的流量必須達到12.7 m3/s，電站的流量為3×12.7 m3/s，這部分流量的發電量為711.8萬kW·h；也就是說能節約20.1萬kW·h。然后分析右邊泵房，右邊泵房的灌溉設備正常流量為0.36 m3/s，水輪泵的流量必須達到6.99 m3/s，電站的流量為6.99 m3/s，這部分的流量發電量為125.9萬kW·h；也就是說能節約5.2萬kW·h。

2)不難發現，水輪泵改造的成本明顯低于水泵改造，進一步來看，左邊泵房的節水發電收入可達到20.1萬元，右邊泵房的節水發電收入則是2.2萬元。基于長久發展的角度，選擇左邊泵房的水泵與右邊泵房的水輪泵比較合適。

3)在泵房中裝置監測系統，對機組的工作狀態進行監測，假若機組中的組件出現問題，監測系統會在第一時間發出警報信號。

通過以上的介紹發現，應做出如下選擇：左邊泵房的水泵與右邊泵房的水輪泵比較合適。

3.2 水泵的選擇

經過多方面的考慮以后，右邊泵房的水輪泵選擇使用2臺DS100-8型號設備，左邊泵房的水泵使用3臺SOOS-98A離心泵與5臺3505-125 B離心泵。

1)左岸泵房的5OOS-98A明顯低于3505-125B的揚程數值，但是工作效率更高。

2)左岸泵房的5OOS-98A的改造成本明顯低于3505-125B。

3)增強水泵的混凝土底座基礎，強化水泵基礎的穩定性。具體的改造效果可以參照圖1～2。

圖1 中座安裝于混凝土牛腿上(改造前)(單位：mm)

圖2 中座整圈安裝于混凝土基礎上(改造后)(單位：mm)

4)原設計是將葉輪的上下部進行連接，但是這種連接方式在實際運行過程中會導致組件松動，所以需要使用螺栓固定葉輪的上下部，避免水泵出現震動現象。

5)由于橫銷的支撐能力無法滿足實際工作的需求，所以使用螺栓將軸承與葉輪支座進行連接，這樣設備在運行的過程中能夠更加穩固、安全。

3.3 閥門及接頭的選擇

為了降低后期檢修的難度，應該在進水管的上方加設一個斷流裝置，該裝置使用電動閥門。同時在水泵的出口安裝控制閥門，盡可能使用多功能閥門。結合水泵的出水口管徑，在水泵下方安裝一臺電動閥門，為了施工便捷，每一套水泵的進出口裝置一個柔性接頭。水泵的進水管裝置一個檢修維護閥門，每一個水泵的出水管均安裝球閥與檢修閥。

3.4 起重設備的選擇

由于水泵機組的最大起吊組件的重量控制在8 t以內，為了方便后期施工，在左邊的泵房裝置1臺橋機與1臺電動葫蘆。右邊泵房只需要安裝1臺橋機即可。

3.5 廠內排水系統

泵站內專置一套排水系統與監測系統，選擇2臺潛水泵，一臺保持運行，另一臺作為備用設備。

4 結束語

對泵站的水力設備進行改造能夠提高泵站的運行效率和運行效益，降低泵站日常的開支與能源消耗，促使泵站的經濟效益、社會效益達到最大化。因此，對泵站的水力機械設備進行改造非常值得推廣。

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