东雷一级泵站水泵更新改造关键技术研究

2021-04-14袁龙刚

水利建设与管理 2021年3期

袁龙刚

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东中山 528403)

黄河有三大害：泥沙、柴草、冰凌，尤其以泥沙为首害。自新中国成立以来，为了解决黄河沿岸的农业灌溉问题，黄河沿岸修建了为数众多的灌溉泵站，多数泵站自建成运行以来，深受泥沙危害，黄河干流泥沙多来自中游段山陕区间的黄土高原[1]，东雷一期抽黄灌区东雷一级泵站(以下简称东雷一级站)位于黄河干流中游段山陕区间的下游黄河右岸，受泥沙危害更为严重。笔者针对在低扬程、大流量、扬程变幅较大[2]、水源泥沙含量大的东雷一级站水泵改造中如何有效解决泥沙问题进行了分析和经验总结。

1 工程概况

东雷一级站位于东雷一期抽黄灌区东北部、合阳县东雷村塬下、黄河右岸，为直接抽取黄河水进入总干渠灌溉的源头枢纽站。东雷一级站原设计总装机9台，总装机容量6160kW，设计灌溉保证率为75%，设计灌溉流量40.0m3/s，加大流量60.0m3/s，为Ⅱ等大(2)型工程。东雷一级站于1975年8月开工建设，1979年11月建成投入运行。

1.1 原设计水泵情况

7台16CJ-80立式全调节轴流泵，其技术参数为：Q=7.18m3/s，H=8m，n=250r/min。1～5号水泵配套TDL215/26-24型800kW立式同步电动机、6～7号水泵配套TDL215/31-24型800kW立式同步电动机，技术参数为：额定功率800kW，额定电压6kV，额定转速250r/min[3]。

2台36ZLB-70立式半调节轴流泵，技术参数为：Q=1.50m3/s，H=8m，n=490r/min。水泵配套JSL15-12型280kW立式异步电动机，技术参数为：额定功率280kW，额定电压6kV，额定转速490r/min。

1.2 原设计水泵存在的主要问题

a.水泵下导轴承泥沙磨损严重，检修频繁，危及水泵安全运行。

图1为东雷一级站原水泵的结构图，从图中可看出，其结构和技术供水系统的设计很不合理，没有采取抗泥沙磨损措施，因而，不能有效防止含沙水流进入轴承系统，造成轴套和轴瓦磨损严重，检修频繁，大修周期不到1000h。而且检修时拆装十分不便，耗费了巨大的人力、物力。

图1 16CJ-80型水泵结构(高程尺寸：m，其余尺寸：mm)

b.水泵的流道设计不够合理，其过流面积，特别是导叶进口处的过流面积很小，严重影响水泵的过流能力和水力效率[4]。该水泵转轮的轮毂直径达0.55D1(D1为转轮直径)，导叶体的轮毂直径更大，达0.60D1，因而导叶体的过流面积更小。在设计流量下，导叶进口处的轴面流速高达vm=8.0m/s，影响水泵的过流能力和水力效率[4]。

c.导叶设计不够合理，且加工粗糙。ⓐ导叶长度径向分布不合理：导叶段外圆轴向长度为973mm，而导叶本身的轴向长度仅为572mm，短401mm，没有充分利用其回收转轮出口水流的环量[5-7]；导叶段内圆的轴向长度为618mm，反而比导叶在外圆的轴向长度还长46mm，这显然是不合理的，其对导叶的水力性能和强度都不利[7]；ⓑ导叶叶片数过多，达12片，造成排挤过密，使已经偏小的过流面积变得更小，影响过流能力和水力效率[4]；如果充分利用导叶段外圆的轴向长度布置导叶，则只需8片导叶就可达到与原12片导叶相同的叶栅稠密度1/t，这样，导叶排挤就可减小，水泵的水力性能就能得到改善；ⓒ导叶进水边至轮叶出水边的距离过大。在叶片角度θ=0°时，该水泵导叶进水边至轮叶出水边距离为h=0.17D1，大大超过了通常h=0.05D1的要求，影响水泵效率[7-8]。

d.水泵叶片叶形欠佳，水力性能较差，且扬程比(水泵最大扬程，即水泵运行特性曲线上马鞍形最低点的扬程Hmax与其最优扬程Hopt之比)过小，不适合变扬程运行。对扬程变幅较大的东雷一级站，因为水泵经常偏离其高效区运行，导致运行费用增加。

e.水泵出水口筑有防沙墙，人为地抬高了水泵工作扬程，严重影响水泵运行效率。黄河水泥沙含量大，水泵停机后，其他机组的出水口水流会通过输水总干渠进入该水泵流道，沉淀的泥沙将拍门淤死，或者通过关闭不严的拍门进入泵体，淤满进水流道，造成机组不能启动运行。为避免发生上述情况，在水泵出水口筑有一道防沙墙，以切断含沙水流进入停运的水泵机坑。从而导致水泵出水口水流只能翻越防沙墙后才能进入输水总干渠，人为抬高了水泵净扬程1～2m，因而大幅度降低了水泵运行效率，导致运行费用增加。

f.水泵出水管出口的面积偏小，出口水流的动能没有充分回收，影响运行效率。该水泵出水管出口拍门处(因建有防沙墙而取消拍门)的直径为2m，设计流量7.2m3/s时的流速为2.3m/s，水头损失超过0.25m，如果流量达到8m3/s，则水头损失超过0.3m。导致年运行小时数较高的东雷一级站运行费用增加。

g.轮叶根本不能全调节，只能做定浆运行[9]。原设计该型水泵轮叶可全调节，调节范围为θ=-8°～+8°。但由于没有正确的调节操作力特性资料，其设计调节操作力与实际需要相差甚远，且加工质量较差，调节机构也不经常动作，容易卡死[9]。所以，该水泵轮叶在实际运行中根本不能全调节，只能做定浆运行[9]。由全调节改作定浆运行的水泵，其水力性能较原本就是定浆式的水泵差得多，也给安装、检修和维护增加了不少麻烦。

以上问题直接或间接由泥沙引起，是造成东雷一级站水泵运行效率低下、泥沙磨蚀严重[10]、检修频繁的根本原因。

2 水泵更新改造技术创新及关键技术

由于原设计的7台16CJ-80立式全调节轴流泵存在以上问题，中国水利水电科学研究院机电所和渭南市东雷抽黄灌溉工程管理局合作对水泵进行了两批次的改造。结合东雷一级站的实际情况，该站水泵改造办法是保持其基础部件和配套电机不动，改造水泵技术供水系统，更换水泵转轮、转轮室和导叶等关键部件。第一批改造2台，2台水泵运行特性曲线见图2，2台改造水泵分别于1997年和1998年投入运行；第二批改造5台，5台水泵运行特性曲线见图3，5台改造水泵分别于2000年和2001年投入运行。

图2 第一批改造的2台水泵运行特性曲线

图3 第二批改造的5台水泵运行特性曲线

2.1 第一次水泵更新改造技术创新及关键技术

a.改变水泵泵段型线(转轮和导叶)及其结构。原水泵流道太窄，结构也不合理，不适合抽含沙量大的水流。图4给出了原水泵和改造水泵的流道型线。

图4 原水泵和改造水泵的流道型线

b.加设主轴套管，改造下导轴承的技术供水系统。该水泵泵体内的含沙水流很容易进入下导轴承，加设主轴套管后，水导轴瓦的润滑水由上导进入，下导排出[10]，含沙水流完全隔绝在套管之外，从而可完全避免泥沙进入轴承，确保主轴不受泥沙磨损破坏[7-8]。

c.改变水泵转轮结构。将转轮全调节改为定浆，将球形转轮室和转轮体改为柱形[10]，并将轮毂直径从0.55D1缩小至0.36D1。图1展示了改造前水泵的结构，图5为改造后水泵的结构，从图中可以看出，该水泵改造后结构简单，流道通畅。

图5 改造后水泵结构

东雷一级站装有大泵7台，小泵2台，泵站流量完全可用开机台数来调节，无须调节轮叶角度。且东雷一级站的全调节水泵没有正确的调节操作力特性试验数据，计算加工都比较粗糙，运行过程中，轮叶不经常转动，操作机构容易被卡死，所以，该水泵只能做定浆运行。更由于转轮采用全调节结构后，其轮毂直径必须加大，并须采用球形轮毂体和转轮室，不仅增加了制造、安装、检修难度，对水泵的水力特性也极为不利。东雷一级站水泵转轮采用定浆结构和柱形转轮室有以下优点：ⓐ大幅度增大水泵转轮和导叶过流面积，降低流速，增大水泵过流能力，改善汽蚀性能；ⓑ便于安装、检修，可将转轮与转轮室间隙控制在1/1000D1左右，提高水泵容积效率[7-8]。球形转轮室对转轮的轴向位置要求很高，为安装方便起见，往往要扩大转轮与转轮室间隙，这对水泵的能量和汽蚀都不利。而柱形转轮室对转轮的轴向位置要求不高[7-8]，加工也方便，因而可缩小转轮与转轮室间隙。

d.将转轮直径由1540mm加大到1560mm，并把导叶数从12片减少至8片，从而减少排挤，增大过流能力。

e.研制效率高、汽蚀性能好的改造用转轮，使其高效区在东雷一级站的主要运行区，改善运行工况，提高运行效率。考虑到泥沙磨损问题，水泵应有较大的汽蚀余量，避免汽蚀与泥沙磨损的联合作用，延长使用寿命。

f.优化设计改造水泵导叶，并采用钢板模压成型导叶，从而可保证导叶型线准确，且磨损后易于补焊修复。

g.降低防沙墙高度。由于防沙墙的阻挡，原水泵的运行净扬程必须达到6m后，水流才能进入输水总干渠，因而泵站运行效率降低。改造后水泵出水口的防沙墙高度降低，可使水泵的净扬程降低至5m左右。该水泵停机，其余水泵运行时，可采用插木板或草袋堵住该水泵防沙墙顶出水口(实际运行是在防沙墙顶安装简易拍门)，防止含沙水流进入水泵流道。

h.转轮室改用钢板焊接。水泵在东雷一级站的浑水条件下运行时，其过流部件的泥沙磨蚀是不可避免的，采用铸铁件的转轮室，磨蚀后不易修补，只能报废。而钢板焊接的过流部件，磨蚀后易于补焊修复，抗磨蚀性能也较铸铁件好。

i.改变转轮与主轴连接方式。原设计水泵主轴与转轮采用法兰连接。改造水泵主轴须加设主轴套管，因此与转轮连接的主轴法兰必须车去，改用锥孔和平键连接。

2.2 第一次水泵更新改造取得的显著效果

a.明显减轻了下导轴承和主轴的泥沙磨损，大大延长了使用寿命[10]。经向泵站现场运行管理人员调研了解，改造后大修周期可达5000h。

b.大幅度增大了水泵转轮和导叶处的过流面积，降低了流速，提高了水泵汽蚀性能[5]，较好地避免了汽蚀与泥沙磨损联合作用对过流部件的破坏[11]。

c.简化了水泵结构，易于安装、检修和运行维护。

d.铸铁材质的导叶段和转轮室改成钢质材质后，提高了抗磨蚀性能，易于补焊修复。

2.3 第二次水泵更新改造技术创新及关键技术

2009年2月，陕西省大型灌溉排水泵站安全鉴定专家组对东雷一级站的水力机械安全鉴定结论为：东雷一级泵站水泵过流部件磨蚀严重，几何形状改变，大面积出现麻面，出水量小，效率低，已经运行25年以上，评定为四类设备。

2009年4月，中国灌溉排水发展中心对东雷一级站安全鉴定报告复核结论为：泵站安全类别复核评定机电设备安全类别为四类，同意进行更新改造。

东雷一级站第二次更新改造经泵型比选，最终选用7台1600HLB8型混流泵和2台900ZLB2.8-6.8型轴流泵。第二次更新改造在吸取第一次改造经验的基础上，对水泵的设计制造提出以下几个方面的要求：

a.原基础不变，基础预埋件不变。

b.更换出水压力管道及60°弯管。增加刚性伸缩节，水泵出口与管道安装部位按照原图设计，误差可由刚性伸缩节调整。

c.主轴使用材质：主轴采用40Cr锻造，主轴与主轴密封及水导轴瓦接触的部位堆焊不锈钢耐磨层，耐磨层的硬度远高于原来的不锈钢轴套，硬度可达HRc42以上。主轴仍加设套管，水导轴瓦的润滑水由上导进入，下导排出，含沙水流完全隔绝在套管之外，从而避免泥沙进入轴承，确保主轴不受泥沙磨损破坏[8]。

d.优化水导轴承结构设计，防止轴瓦与轴承筒体在运行时脱落。滑动轴瓦设计采用COMPAC或橙色PREM复合材料。

e.下基础密封采用橡胶材料，增加阻尼作用，减小运行时振幅。

f.7台大泵转轮结构设计为半调节导叶式混流泵，转轮室和转轮体为锥球形，转轮段过流面积较大，过流能力较强。转轮部件采用整体密封结构，防止泥沙水进入后锈蚀轴伸外圆与轮毂内圆，同时防止砂粒进入后卡塞配合间隙，设计须考虑装配检修时的装配难度。

g.选用水力性能优秀的转轮和导叶，以增大导叶段过流能力。

h.选用耐磨蚀的材质，导叶采用不锈钢单片整铸[12]。主要过流部件(轮毂、叶片、转轮室、导叶体等)选用耐磨蚀的1Cr18Ni9Ti不锈钢材质，在主要过流部位超音速HVOF喷涂纳米碳化钨S4020耐磨蚀涂层。

i.水泵过流部件按高精度零件加工制作[12]。

j.水泵结构设计要便于安装及检修。

k.7台大泵的泵段效率η≥89.2%，2台小泵的泵段效率η≥85.6%。

l.机组的装置效率η≥70%。后经水泵装置模型试验验证：水泵设计工况装置效率达79%。

m.水泵须做水泵模型及装置模型试验。

2.4 第二次水泵更新改造取得的显著效果

第二次更新改造的9台水泵中，有3台1600HLB8型混流泵于2020年3月11日投入运行，2台于2020年5月19日投入运行，剩余的2台1600HLB8型混流泵和2台900ZLB2.8-6.8型轴流泵已安装完成，于2021年1月26日试运行，4台机组试运行一切正常。据管理单位反馈，投入灌溉的5台1600HLB8型混流泵，运行状况良好，整体高效。