引江濟淮工程蜀山泵站大容量泵站機組方案優(yōu)化設(shè)計

宋有權(quán)

(安徽省引江濟淮集團有限公司,合肥 230601)

0 引言

引江濟淮工程溝通長江、淮河兩大水系,是跨流域、跨省份的重大戰(zhàn)略性水資源配備和綜合利用工程。工程任務以城鄉(xiāng)供水和發(fā)展航運為主,綜合灌溉補水、排澇和改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境,是國務院確定的全國172項節(jié)水供水重大水利工程之一,也是潤澤安徽、惠及河南的重大貢獻基礎(chǔ)設(shè)施和重要民生工程。工程供水范圍涉及皖豫2省55個縣(市、區(qū))總面積7.06萬km2,供水人口5 117萬。設(shè)計引江流量300 m3/s,入淮流量280 m3/s。多年平均引江水量2030年為34.27億m3,2040年為43億m3。

引江濟淮工程,工程等級為Ⅰ等,規(guī)模為大(1)型。主體工程輸水總長723 km,引江濟淮一期工程設(shè)計總投資949.15億元。

1 項目方案

引江濟淮工程安徽段自南向北分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大段,樞紐建筑物工程包括樅陽引江樞紐、廬江節(jié)制樞紐、鳳凰頸引江樞紐、兆河節(jié)制樞紐、白山節(jié)制樞紐、派河口泵站樞紐、蜀山泵站樞紐以及東淝閘樞紐共八大樞紐工程及江水北送段的4座梯級泵站。安徽段共設(shè)置梯級泵站8級12座泵站,總裝機64臺套175 870 kW。其中,淮河以南3級4座泵站,提水揚程23.72 m,總裝機120 200 kW。淮河以北除西淝河站外再新建4級8座泵站,揚程22.76 m,總裝機55 640 kW。工程采用軸流泵、混流泵、臥式混流泵等多種泵型,配備大型同步電機、變頻電機和異步電機。蜀山泵站樞紐工程位于江淮溝通段,是引江濟淮工程第三級提水泵站樞紐,是江水入淮和發(fā)展江淮航運的重要樞紐工程。蜀山泵站配備8臺3480HLQ43.5-12.7水泵,配套TLKS750048/5800的電機,單機功率7 500 kW,單機流量42.5 m3/s,總裝機容量60 000 kW,總流量340 m3/s(含船閘消耗50 m3/s),是亞洲最大的混流泵站,見圖1。根據(jù)本項目空水冷卻、轉(zhuǎn)速低的實際情況,在前期招標方案編制、聯(lián)絡會等環(huán)節(jié)中,均與電機配套廠進行了有效溝通協(xié)調(diào),把以往大型項目上吸取的經(jīng)驗,成功落實到最終方案上,保證了項目建成后電機的運行維護便利性和有效使用率。

圖1 引江濟淮蜀山項目泵站

2 方案優(yōu)化

2.1 選用優(yōu)秀水力模型

在測試TJ11-HL-06模型的基礎(chǔ)上,基于蜀山泵站的特點,要求水泵廠家采取優(yōu)化措施,提升水泵裝置性能,并對模型性能提出了額定時高效、寬經(jīng)濟運行范圍、汽蝕性能良好等要求。方案評審階段,最終確認兩個方面的具體實施路徑:一是對泵段結(jié)構(gòu)進行適當優(yōu)化,如彎管頂部適當上移,葉輪室進口尺寸、導葉體出口尺寸等適當改變,為流道優(yōu)化提供便利條件;二是對進、出水流道進行進一步優(yōu)化,水泵裝置效率顯著提升約2%。通過上述措施,使得模型的綜合性能指標達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

2.2 采用立式靜平衡方案,并采用新型葉輪動作試驗方式

葉輪靜平衡品質(zhì)是關(guān)乎水泵平穩(wěn)運行的重要指標之一,控制平衡精度尤為重要。常規(guī)的葉輪靜平衡試驗裝置為臥式,但大型水泵葉輪重量大、體積大,不宜采用臥式平衡裝置(操作難度大、測試誤差大)。為此,本項目開發(fā)并采用了立式靜平衡試驗裝置,工藝裝置結(jié)構(gòu)簡潔、試驗操作方便且測試精度高,為平衡精度提供了有力保障。

葉輪作為水泵核心部件,內(nèi)調(diào)節(jié)機構(gòu)的性能決定了水泵是否能在良好工況下穩(wěn)定、高效運行。在前期方案評審階段,要求水泵廠家對內(nèi)調(diào)節(jié)機構(gòu)的靈敏度、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)范圍,進行準確的動作測試。為此,水泵廠家開發(fā)了新型葉輪動作測試裝置,對龐大的水泵葉輪部件進行動作測試,適應了不同調(diào)節(jié)力的葉輪在廠內(nèi)動作測試的需求,并提高了工作效率,保證設(shè)備生產(chǎn)進度。與傳統(tǒng)技術(shù)相比,新型葉輪動作測試裝置具有兩大優(yōu)點,一是采用液壓油缸驅(qū)動,外接液壓站,油缸驅(qū)動力的可調(diào)范圍大,適合大型水泵葉輪不同調(diào)節(jié)力的需求,尤其對于大型水泵,具有適用范圍廣,使用效率高,操作方便的特點;二是實現(xiàn)了葉輪在設(shè)計角度內(nèi)的動作測試,通過檢查各個葉片角度的一致性,進而驗證葉輪操作桿行程與葉片角度是否滿足設(shè)計要求。

2.3 伸縮節(jié)采用新型角封結(jié)構(gòu)

立式水泵進水底座與轉(zhuǎn)輪室之間需設(shè)置伸縮節(jié),伸縮節(jié)的密封性能曾經(jīng)因為結(jié)構(gòu)上的因素,出現(xiàn)漏水現(xiàn)象,給泵房環(huán)境造成污染,給泵站管理帶來麻煩。為此,在項目方案評審時,要求廠家改進結(jié)構(gòu),徹底消除漏水對泵房環(huán)境的負面影響。水泵廠家在泵組設(shè)計時創(chuàng)新了密封形式,采用新型角封型式,該新型結(jié)構(gòu)具有密封可靠、結(jié)構(gòu)簡潔、制造難度低、質(zhì)量易控制、裝拆便利等多重優(yōu)點。

2.4 葉輪室采用新型熱模壓成型焊接工藝制作

項目前期方案評審階段,要求水泵廠家提升葉輪室成型質(zhì)量。為此,水泵廠家開發(fā)并采用了新型熱模壓成型焊接工藝。該新工藝有效克服了傳統(tǒng)工藝的局限性,具有葉輪室壁厚均勻度高、致密性好、尺寸和形位精度優(yōu)以及良好感官質(zhì)量等優(yōu)點。材料利用率也大幅得到提高,新工藝的推廣也利于“雙碳”目標的實現(xiàn)。

2.5 電機整體布局方面

本項目電機單機功率為7 500 kW,機組運行時,每臺電機產(chǎn)生的熱量超過300 kW,若仍采用傳統(tǒng)的半管道式通風,將會出現(xiàn)明顯的“熱島效應”,導致電機溫升偏高。因此在項目前期總體規(guī)劃和招標文件編制時,明確了電機采用空水冷卻方案。空水冷卻方案與半管道式冷卻方案相比,具有幾個方面的優(yōu)勢:一是機組產(chǎn)生的熱量將會通過空水(空氣與水)冷卻器熱交換帶走,有效避免了“熱島效應”;二是機組運行時參與熱交換的空氣為密閉自循環(huán),由電機旋轉(zhuǎn)提供循環(huán)動力,不需要上下兩端強迫進風,因此上機架不再外露出電機層,有效提高了泵站現(xiàn)場的“感官質(zhì)量”。此種電機整體布局在大型水輪發(fā)電機上使用廣泛,有著泵房簡潔、非技術(shù)性的運行維護便利性好的優(yōu)點,見圖2。

圖2 電機整體布局

2.6 噪聲控制方面

作為一期工程的旗艦項目,蜀山泵站電機轉(zhuǎn)子極數(shù)48 P,運行轉(zhuǎn)速125 r/min,屬于大容量、低轉(zhuǎn)速泵站電機。原理上,此型號的電機由于齒諧波負面影響較大,極易出現(xiàn)電磁嘯叫聲,直接影響電機的使用壽命以及現(xiàn)場運行維護人員的生理健康。鑒于此,在項目技術(shù)聯(lián)絡會、方案評審會等環(huán)節(jié),根據(jù)電機配套廠的開發(fā)能力和工藝能力,最終確認電機鐵心摒棄傳統(tǒng)直槽方案而采用斜槽方案,見圖3。從而將電機的噪聲降低至80 dB以下,顯著優(yōu)于國家標準要求的85 dB限制。從設(shè)計上根本性的保障了電機的使用壽命和運行維護人員的身心健康。

圖3 電機斜槽結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

目前,蜀山泵站8臺泵組均順利完成了制造廠內(nèi)的型式試驗及出廠試驗,也完成了現(xiàn)場安裝調(diào)試和試運行。數(shù)據(jù)表明,泵組的性能顯著優(yōu)于招標要求和相關(guān)標準,如定轉(zhuǎn)子溫升均小于50 K(國家標準為80 K/85 K)、軸承溫度均小于40 ℃(國家標準為55 ℃/75 ℃)、電機噪聲77 dB(國家標準為85 dB)、振動0.5 mm/s(國家標準為2.3 mm/s)等。

蜀山泵站的建成,確保了向淮河中游地區(qū)補水,具有長江淮河航運、農(nóng)業(yè)用水灌溉、生態(tài)環(huán)境保護等多項民生保障及優(yōu)良的社會經(jīng)濟效益。