南水北调江都三站改造技术与运行评价

刘媛媛，朱承明，李 扬

(江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225200)

我国有大量兴建于20世纪六七十年代的泵站设备已到或接近使用年限，普遍存在水泵装置效率低、运行稳定性差、汽蚀严重等问题，亟须进行更新改造。江都三站依托南水北调东线一期工程的实施，针对水泵装置的选型与优化，进行了大量的研究与试验工作，解决了水泵装置效率低、进水流道结构形式不合理，侧向进水流态差等问题。水泵装置效率大幅提升，运行稳定性明显改善，充分发挥了改造工程效益。江都三站水泵装置选型与优化研究、分析、评价和总结，对其他泵站的改造规划、建设管理和方案选择，节约改造费用，提高改造效益，具有重要意义。

1 工程概况

江都三站更新改造工程(以下简称“江都三站”)是南水北调东线一期江都站改造的主要单位工程。该工程位于江苏省扬州市江都区，淮河入江水道的尾闾芒稻河和新通扬运河的汇合处。工程建于1969年，原装有ZLQ13.5-8型液压全调节立式轴流泵10台套，配套1 600 kW立式可逆电动发电机，水泵直径2 m，单机流量13.5 m3/s。经过40多年的运行，泵站设备老化，水泵装置效率低，进水流道改造不彻底，气蚀严重，水导轴承故障率高。为了满足南水北调东线工程设计供水的保证率，必须对江都三站进行更新改造[1]。

2 水泵装置的选择

2.1 水泵装置选型原则

水泵装置的研制与选型要综合考虑泵机组和泵站的投资和运行费用等综合性的技术经济指标，使之符合经济、安全、适用的原则。水泵装置应满足使用流量和扬程的要求，保持在高效区间运行；有良好的特性、较高的效率和抗气蚀性能；进出水流道设计合理，进水流态平顺等[2,3]。同时，改造泵站还应与土建、电气、金属结构工程综合考虑，经济合理可行、检修维护方便、运行管理便捷[4]。

2.2 水泵装置研制及选型

江都三站水泵装置既要满足里下河地区排涝要求，又要满足南水北调东线工程调水要求，同时，进水侧水位还受到长江潮位的影响。选型时根据多年泵站运行资料和水文观测数据，结合调水工程规划，对站上下游水位进行科学分析，确定更科学合理的泵站设计水位组合，江都三站改造后运行水位组合见表1[1]。

表1 江都三站改造后运行水位组合表 m

根据泵选型原则和运行水位组合，江都三站水泵装置宜选用混流泵方案，鉴于本次改造保持原水泵土建尺寸不变，立式混流泵真机外形尺寸较大，不能适应原土建尺寸，所以仍选用立式轴流泵。江都三站水泵水力模型开发借鉴了国内水泵水力模型研制的最新成果，选择综合性能较好的多个水力模型进行了对比，并按天津同台对比试验成果进行了方案比选论证，确定TJ05-ZL-01(ns=600)水力模型[5]，换算后的真机叶轮直径2 m，转速214.3 r/min，nD值428.6，符合江都三站原土建尺寸等改造要求[1,6]。2006年10月，河海大学对江都三站水泵装置模型进行试验。TJ05-ZL-01水力模型结合优化后的肘形进水流道，出水流道为虹吸式出水管。模型试验表明当叶片 +2°，设计扬程7.8 m，效率73.5 %，对应流量13.93 m3/s。效率指标优于合同要求。同时，为提高水泵抗气蚀性能和运行稳定性，水泵叶片均采用不锈钢材质，并在转轮室叶轮中心处镶焊不锈钢衬套[5,7]。江都三站水泵装置及进出水流道见图1。

图1 江都三站水泵装置及进出水流道图Fig.1 Pump equipment and the flow channel of Jiangdu No.3 pumping station

2009年9月，改造后的江都三站3号机组采用五孔球型针法[8]进行流量测试。在水泵叶片度角0 °时，流量为16.19 m3/s，扬程为6.0 m，轴功率为1 254.9 kW,泵装置效率为75.78 %，与模型试验结果换算到原型的结果较为接近。多年的实际应用也表明，该水泵在各种工况下运行状态良好，运行效率明显提高。江都三站机组改造前后性能测试对比见表2。

3 水泵进水流道优化改造

表2 江都三站改造前后水泵性能比较表 %

注：装置运行工况为+2 °；设计扬程为7.8 m；实测流量为13.74 m3/s。

江都三站原进水流道受开挖深度影响，采用不完全平面蜗壳结构形式，因进水流态差，汽蚀严重，有间隙性强烈振动和噪声，泵装置效率低。为解决这一问题，江都三站利用三维流动CFD数值计算[9]技术对进水流道和确定的优化方案进行了数值模拟，并对优化方案进行模型实验。在此基础上，确立了进水流道肘形流道方案，及肘形流道形状和尺寸[10,11]。同时，将进水流道的中隔墩缩短2 m，保证了进水流态的稳定。通过对进水流道的优化和改造，水泵装置的运行状态得到明显改善。优化后的进水流道图见图2。

图2 江都三站进水流道优化改造前后对比图(单位:cm)Fig.2 The inlet conduit comparison figure before and after renovation of Jiangdu No.3 pumping station

由于进水流道空间狭小，新浇混凝土属于环形薄壁结构体，异型结构断面且变化大，钢筋密集，施工人员不能进入舱面浇筑振捣等[12]。通过研究与试验，江都三站进水流道改造采用自密实高性能微膨胀混凝土与浇筑施工技术[13]。

改造后，一直困扰机组安全运行的严重汽蚀现象明显改善，机组振动和噪声明显下降。2012-2015年，管理单位水下检查[14]及机组大修未发现水泵叶片、叶轮外壳有汽蚀现象,且外观光洁、完好；进水流道混凝土表面线型流畅、光滑，外观质量良好，混凝土强度、新老混凝土界面黏结强度均满足规范及设计要求。机组运行噪声及振动测量见表3。

表3 江都三站新机组运行噪声、振动测量表(2015-08-12)Tab.3 The units running noise and vibration measurement table(2015-08-12)

注：水平振动标准≤0.16 mm，垂直振动标准≤0.12 mm。 GB/T30948-2014。

4 泵站引河流态的改善

江都三站下游主输水河道新通扬运河与泵站进水河道垂直分布，无论是排涝还是调水，均为侧向进水，进水前池内流态较差，有大范围的回旋区存在，特别是边侧机组，水流偏斜尤为严重，电机功率偏大，流量极不均匀，进水前池的水流回旋区内泥沙淤积严重。为解决上述问题，开展了江都三站下引河流态改善措施模型试验研究。并根据研究成果、工程投资等综合因素考虑，选用设置倒Y 形导流墩加底坎的整流方案[15], 整流措施布置见图3。

图3 泵站引河整流措施布置图Fig.3 The pumping station irrigation channel rectification measures layout

江都站引河整流措施建成以来，管理单位逐年进行了引河河口断面测量[17]，与改造前的具体比对数值如图3所示。从图3可以看出，自设置“Y”形导流墩加底坎到2013年12月期间，江都站下游河口断面的淤积情况有了明显改观，河口断面淤积变化率逐年变小，泵站下游引河过水能力得到有效加强，引河进水流态有明显改善，引河口不再出现明显的回流区，河道淤积速度得到极大减缓。泵站机组的运行效率、振动值、噪声等均得到改善，特别是泵站两侧边缘的机组效果明显。江都抽水站进水河道断面淤积率变化见图4。

图4 江都抽水站进水河道断面淤积率变化Fig.4 The river section sedimentation change rate before water flow in of Jiangdu No.3 pumping station

5 水导轴承的改进

江都三站水泵原水导轴承采用稀油润滑巴氏合金滑动轴承，梳齿迷宫密封，毕托管式。该轴承结构故障多，根据运行管理资料统计从1969-1986年，出现水导进水故障39次，毕托管断裂故障9次，故障出现后，不得不对机组进行中修或大修[16]，工作量相当大。因此，结合工程改造对水导轴承进行优化选型，并选用聚氨脂和塑料轴承对比试验[17]。2012-2013年分别对2号、4号、8号、10号4台运行时间超100 00 h的水泵机组进行解体大修。检查发现，聚氨脂与塑料轴承的磨损量相近，水润滑轴承对水泵轴颈磨损的现象普遍存在[18]。

分析认为江都三站影响塑料轴承使用寿命的主要原因，是润滑水含沙量和轴承荷载，含沙量影响程度更大。润滑水含沙量较大时，可通过降低轴承荷载；轴承荷载较大时，可采用清水润滑方式的方法，降低轴承磨损率，提高轴承的使用寿命。但含沙量超过一定值时，且年运行时间较长的泵站，应采用清水润滑。2014年，江都三站对水导轴承进行清水润滑改造，并在水泵填料函处增设水润滑轴承，减小泵轴动摆度对水导轴承影响。2015年汛前对改造后的水导轴承进行检查，水导轴承及水泵轴颈未见明显磨损，改进前后同期对比，效果明显，但因运行考验时间短，江都三站水导轴承改进措施效果仍需进一步检验。

6 工程改造效益

(1)工程初期运行的社会效益。江都站位置独特，作用显著，运用频繁，工程采取边施工边运行、分期分批实施的方案。2007年5月，江都三站首批改造的3台机组投入运行，2008年5月，第二批改造的4台机组投入运行，2009年3月，第三批改造的3台机组投入运行，同年 11月江都三站通过试运行验收，2010年10月通过单位工程验收。截止2015年年底，机组均已运行15 000 h，7号机组最长运行时间20 000 h(见表4)。

表4 江都三站改造新机组运行台时统计表 h

(2)工程初期运行的经济效益。江都水利枢纽工程是南水北调东线的源头，具有不可替代的重要作用。根据江都三站机组改造后效率提升直接经济效益分析，改造后机组按年运行8 000 h计算，效率提升16.28%(从59%提升到75.28%)，耗电量减少3 029.08 万kWh，年节约运行费用1 965.87万元[19,20]。

7 结 语

江都三站自2007年首批改造的机组投入运行至2015年12月底，泵站抽水运行946 d，累计抽水72.14 亿m3。特别是在工程完工后，2013年江苏省淮北地区持续干旱，江都三站累计运行181 d，抽水14.94 亿m3。运行天数及调水水量均创历史新高，发挥了重要的工程作用。

经过8年多的高强度运行证明，江都三站选用的TJ05-ZL-01水力模型具有较宽的效率区，满足泵站调水、排涝等不同运行工况要求，尤其是在高扬程调水运行时，机组运行效率高、运行状况平稳；水泵进水流道实施肘形优化设计和改造，研究方案合理，施工工艺先进，改善了机组进水流态；在综合改进水泵叶片、叶轮外壳不锈钢材质后，机组汽蚀性能大幅提升，振动减小、效率提高；针对泵站“T”型进水方式，选用设置倒“Y”形导流墩加底坎的整流方案，使进水流态平顺，淤积减缓，泵站边缘机组运行振动及噪声改善明显；水泵导轴承选用水润滑轴承，与改造前的金属轴承对比，运行可靠性提高，故障率减少，维护方便，机组检修工作量明显减小，有很好的推广应用价值。南水北调江都三站改造工程围绕水泵装置开展的技术改造方案取得了圆满成功，水泵装置的选型与优化方案，可为其他泵站水泵装置选型提供科学的技术依据。

□

[1] 周 伟，刘新泉，卜 舸，等.南水北调东线一期工程江都站改造工程初步设计[R]. 江苏扬州：江苏省水利勘测设计研究院有限公司，2004.

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