大型排澇泵站機組改造提質(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)分析

袁龍剛，張鴻偉，呂建新

（中山市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司,廣東 中山 528403）

1 工程概況

小欖鎮(zhèn)排澇東站、北泵站位于中山市小欖鎮(zhèn),地處中順大圍北部上游、小欖水道右岸。小欖鎮(zhèn)排澇東站、北站總設(shè)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(cè),裝機5臺,設(shè)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(shè)計流量22 m3/s,裝機容量1260 kW,主要負責舊城區(qū)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(zhèn)排澇東站、北站特征水位及揚程

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

小欖鎮(zhèn)排澇東站、北站自1996年建成投產(chǎn)以來,為該鎮(zhèn)的防洪排澇工作做出了巨大貢獻,發(fā)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(zhì)增效關(guān)鍵技術(shù)

2.1 深入調(diào)查現(xiàn)狀機組存在的主要問題

通過深入現(xiàn)場實際調(diào)查,現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(zhì)增效原則

1）確保安全可靠運行、充分發(fā)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(shè)施、設(shè)備,合理確定改造范圍。

3）積極采用經(jīng)過試驗、鑒定和工程實踐的新技術(shù)、新材料、新工藝和新設(shè)備。

2.3 根據(jù)機組改造提質(zhì)增效原則進行改造方案設(shè)計

1）確保安全可靠運行、充分發(fā)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(zhuǎn)速ns=1400,模型泵流量Q＞400 L/s,達到440 L/s,實現(xiàn)了泵站低揚程區(qū)的高效率,模型泵效率η＞80%,設(shè)計揚程時真機流量可達11 m3/s。現(xiàn)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(yōu)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(shè)施、設(shè)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(xiàn)狀完好的設(shè)施、設(shè)備,改造內(nèi)容主要包括：7臺套TL630/24-1730 型電機定子部件、轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)軸流泵泵體、葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)、機組輔助設(shè)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(dǎo)軸承、主軸密封填料、導(dǎo)葉體、調(diào)節(jié)拉桿銅軸套的更換；對水泵主軸、輪轂、輪轂內(nèi)調(diào)節(jié)機構(gòu)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(jīng)過試驗、鑒定和工程實踐的新技術(shù)、新材料、新工藝和新設(shè)備。由于本泵站揚程變化范圍較大,最低揚程與設(shè)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(yīng)的流量比設(shè)計揚程對應(yīng)的流量增大約30%,由于水泵流量增大導(dǎo)致流速增大,機組運行振動將大大增大,不利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運行,葉片采用全調(diào)節(jié)型式[4-5]可通過不停機調(diào)節(jié)水泵葉片角度,從而調(diào)節(jié)水泵出水流量,避免由于水泵流量增大導(dǎo)致流速增大,機組運行振動大大增大,同時通過不停機調(diào)節(jié)水泵葉片角度,調(diào)節(jié)水泵出水流量,可以更加靈活地適應(yīng)內(nèi)河來水量,避免內(nèi)河來水量不足時頻繁停機,從最低揚程時水泵運行安全穩(wěn)定性及流量調(diào)節(jié)靈活性角度綜合考慮,水泵的葉片調(diào)節(jié)方式仍采用全調(diào)節(jié)型式,原水泵采用機械式調(diào)節(jié)器全調(diào)節(jié),運行中存在抬軸、調(diào)節(jié)器軸承發(fā)熱乃至燒損等問題,工作不夠可靠,本次改造采用先進的內(nèi)置式液壓調(diào)節(jié)器,在不改變水泵、電機原有結(jié)構(gòu)的前提下,通過現(xiàn)場實地測量原有調(diào)節(jié)桿法蘭盤、電機法蘭盤尺寸及螺栓孔定形定位尺寸,配套設(shè)計調(diào)機器法蘭盤及螺栓孔,從而在原有設(shè)備基礎(chǔ)上將機械式調(diào)節(jié)器更換為內(nèi)置式液壓調(diào)節(jié)器,有效避免了機械式調(diào)節(jié)器抬軸和燒瓦現(xiàn)象的發(fā)生；原水泵水導(dǎo)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(fù)合材料軸承,有效減小了水導(dǎo)軸承及主軸磨損；原水泵葉片、葉輪室均采用鑄鋼材質(zhì)ZG230-450、導(dǎo)葉體采用HT250,經(jīng)過多年運行水泵葉片、葉輪室、導(dǎo)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(zhì)ZG1Cr18 Ni9 Ti,葉輪室采用鑄鋼材質(zhì)ZG270-500內(nèi)襯塞焊不銹鋼板材質(zhì)1Cr18Ni9Ti,導(dǎo)葉體采用鑄焊結(jié)構(gòu),導(dǎo)葉片采用鑄鋼材質(zhì)ZG230-450,內(nèi)外環(huán)采用碳鋼材質(zhì)Q235B；以上新技術(shù)、新材料、新工藝和新設(shè)備均經(jīng)過試驗、省部級鑒定和工程實踐。

3 現(xiàn)場綜合測試

為保證泵站能夠安全穩(wěn)定運行,繼續(xù)發(fā)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(xiàn)場綜合測試內(nèi)容

為測定水泵機組運行狀態(tài)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(chǎn)廠家的制造質(zhì)量,進行了機組現(xiàn)場綜合測試,為本工程驗收、運行管理提供技術(shù)依據(jù)。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(xiàn)場綜合測試,通過水泵機組現(xiàn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)后計算得出。水泵機組現(xiàn)場綜合測試系統(tǒng)布置圖見圖1。

圖1 水泵機組現(xiàn)場綜合測試系統(tǒng)布置圖

小欖鎮(zhèn)排澇東站、北站水泵機組現(xiàn)場綜合測試試驗流程見表2。

表2 水泵機組現(xiàn)場綜合測試試驗流程

3.3 測試結(jié)論

3.3.1 水泵振動測試結(jié)論

通過對全部7臺水泵進行振動測試,結(jié)合現(xiàn)場采集的振動數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1）7臺水泵在振動測試過程中,機組運行穩(wěn)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(xiàn)逐漸增大的趨勢,在葉片角度+8°時出現(xiàn)振動最大值。北站水泵的振動最大值出現(xiàn)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(xiàn)逐漸增大的趨勢,在葉片角度0°和+2°附近出現(xiàn)振動最大值；隨后,隨著葉片角度繼續(xù)增大,水泵振動逐漸減小,在葉片角度+6°附近出現(xiàn)最小值；當葉片角度繼續(xù)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(xiàn)在葉片角度0°～+2°區(qū)間和+8°位置。

4）通過對水泵振動測試試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析,同時結(jié)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(jié)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(jié)論

通過對全部7臺水泵進行噪聲測試,結(jié)合現(xiàn)場采集的噪聲數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

1）7臺水泵在噪聲測試過程中,機組運行穩(wěn)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(xiàn)逐漸增大的趨勢。7臺水泵的噪聲最大值均出現(xiàn)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(shù)據(jù)結(jié)果分析,同時結(jié)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(jié)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(qū)間噪聲級別為B級,葉片角度+4°～+8°區(qū)間噪聲級別為C級；②東站1號水泵在葉片角度-8°～+8°區(qū)間噪聲級別為B級；③東站2號水泵在葉片角度-8°～+6°區(qū)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(qū)間噪聲級別為B級,葉片角度+6°～+8°區(qū)間噪聲級別為C級。東站、北站全部7臺水泵的噪聲評價結(jié)果為：噪聲滿足要求。

3.3.3 水泵其余綜合性能測試結(jié)論

通過對全部7臺水泵機組綜合性能測試,全面對水泵轉(zhuǎn)速、溫升、功率、揚程、流量、水泵效率、裝置效率等水泵運行相關(guān)參數(shù)進行了現(xiàn)場實測,結(jié)合現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)得出以下結(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)結(jié)果[9]可知,全部7 臺水泵機組的水泵轉(zhuǎn)速、溫升、功率、揚程、流量等參數(shù)均在設(shè)計的合理范圍內(nèi),水泵運行工況穩(wěn)定,在整個檢驗測試過程中,所測參數(shù)變化趨勢平穩(wěn),無異常變動,全部7 臺水泵實測水泵流量滿足設(shè)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(zhèn)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(jié)語

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

1）充分調(diào)查分析原排澇泵站自建成投產(chǎn)運行以來實際的平均揚程、設(shè)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(jīng)過權(quán)威機構(gòu)鑒定的優(yōu)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(fā)揮工程效益。

2）在不影響泵站性能和安全的前提下,方案設(shè)計應(yīng)充分利用原有設(shè)施、設(shè)備,針對原有設(shè)施、設(shè)備存在的問題進行改造,以問題為導(dǎo)向,合理確定改造范圍,節(jié)約工程投資。

3）針對原有技術(shù)、材料、工藝、設(shè)備存在的問題,積極采用經(jīng)過試驗、鑒定和工程實踐的內(nèi)置式液壓調(diào)節(jié)器、高分子復(fù)合材料軸承、內(nèi)襯塞焊、鑄焊結(jié)構(gòu)等新技術(shù)、新材料、新工藝和新設(shè)備。