泵站水力机械改造设计思路

2022-05-25张鑫

四川建材 2022年5期

张鑫

(中国水电基础局有限公司，天津 301700)

1 工程概况

某泵站站点的上部流域面积达到了9 237 km2，整个泵站由左右两个机房共同组成，设计安装8组水轮泵，每组装置2台，每2台设备进行串联工作；左边机房安装12台水轮泵，右边机房安装4台水轮泵。泵站设计的预期灌溉面积为2.588 7万亩(1亩≈666.67 m2)，灌溉的速度保持在2.59 m3/s。目前，设备安装根本无法达到设计规范要求，当前泵房的实际设备容量为1 720 kW，左边机房仅安装4组设备，右边机房则安装了1组设备，只能满足0.441 5万亩(1亩≈666.67 m2)面积的灌溉需求。

2 存在的问题及改造必要性

2.1 存在问题

泵站运行时间比较长，已经超出了20年，设备在实际运行的过程中震动比较严重，设备组的整体运行效率低下，且出现故障频率越来越高，促使机组的正常寿命不断缩短，无法在最大程度上发挥出实际效能。其中，主水泵所暴露出来的问题如下。

1)机组的导叶、叶片等部分组件汽蚀现象非常严重，其中，叶轮组件的汽蚀宽度已经达到了6 cm，汽蚀的深度为19 mm,汽蚀的总面积为5 784 mm2，叶轮出现一处穿孔，孔径达到了13 mm。衬带使用的是不锈钢材质，衬带出现3处损坏现象，损坏部分的面积达到了132 cm2。叶轮组件的外部壳子下方出现了3处裂缝，裂缝的长度达到了57 cm，裂缝的宽度达到了5 mm,且外壳表面出现诸多裂纹。叶片之间的距离最大是3 cm，这种间隙的存在促使汽蚀现象出现，导致叶片、叶轮的外部壳子表面呈现出蜂窝状，所有的叶片都存在磨损现象，基本上表面已经脱落，叶片的最大磨损深度已经达到了5 mm。进一步来看，由于叶片长时间受到磨损，加之汽蚀现象的影响，促使叶轮自身的平衡性丧失，这一系列的因素导致设备在实际运行的过程中机组震动的幅度不断增大，显然在这种情况下轴承的磨损度越来越严重，根本无法保证设备运行过程中的安全性。

2)水泵的出水量匮乏，设备的工作效率不断下降。该设备自安装以来已经大修过多次，且设备的主要构件从未更换过，每次检修时只是简单对部分损坏的组件进行修复而已。水泵的组件损坏程度比较严重，水泵的性能根本无法达到设计要求，水泵的工作效率不断降低。水泵建成的初期工作效率只有设计值的60%，在多年工作磨损的过程中，水泵的工作效率必然会进一步降低。在2016年实测时发现，水泵的工作效率只有设计值的54%。

3)轴承磨损比较严重。水泵轴的表面已经完全锈蚀，轴颈表面则呈现出不同程度的磨损，其中最大磨损深度达到了4 mm。轴承与导叶体之间相连的螺栓已经开始出现磨损，且部分螺栓已经脱落，轴承的底座完全损坏。

2.2 改造必要性

机械设备工作时间比较长且多年未修，无法保证设备自身的性能，电机与水泵的工作时间已经超过了正常的使用寿命，但还处于工作状态中；同时，部分泵站之前被洪水淹没过，出现事故的可能性非常高，且一旦出现事故可能会造成严重的后果。当前机房中所使用的设备基本上是市面上淘汰的产品，长时间未得到更换，最重要的是由于无人进行保养，泵站内存在大量淤泥，促使运行效率受到一定的影响。

泵站自身的机组工作效率低下，水流量大幅度减少，而能源消耗规模大幅度提升，促使泵站的整体效益不如意。随着泵站运行的时间增长，机组的检修次数与费用也在不断提高，但是设备大修的频率却不断延长，促使泵站逐渐陷入到一个恶性循环中。所以，为了保障泵站能够在未来继续发挥出作用，促使地区经济发展，需要对泵站内的水力设备进行改造。

换一个角度来看，泵站内的水力设备属于特殊时期遗留下来的产物，在20世纪60～70年代，机电灌溉产业蓬勃发展，但是在后期阶段，相关单位仅仅关注水力设备的安装与建设，并对设备后期的维护并不是很重视，加之缺乏维护资金，导致现在泵站失去了存在的价值。现阶段泵站已经老化，无法发挥出效能，无法满足社会经济发展的进一步需求，所以应该尽快对泵站进行改造。

通常情况下，一个泵站的正常安全使用期限应该是20～25 a，设备质量差的应该在10～15 a。结合实际情况而言，当前的泵站改造存在较大难度，需要投入大量的资金。此外，这些泵站建成至今已有50～60年，长期以来负重作业，工作年限过长。在经过大半个世纪的时间，诸多泵站早已超过了设备的正常使用寿命。当前，机房中大部分的设备基本上是市面上淘汰的产品，长时间未得到更换，最重要的是由于无人进行保养，促使设备存在诸多安全隐患。泵站的工作效率逐年下降，耗能也明显超过了管理标准，运营成本不断提高，严重影响到泵站的正常运行，导致泵房的效益无法体现出来。

3 水泵结构优化设计及部件材质优选

3.1 机组机型选择

由于原本的泵房是一个水轮泵站，所以在实际改造的过程中应该将水泵与水轮泵在技术、经济方面进行全面对比，选择比较合适的进行改造。

1)左边泵房的灌溉设备的正常流量为0.52 m3/s，水轮泵的流量必须达到12.7 m3/s，电站的流量为3×12.7 m3/s，这部分流量的发电量为711.8万kW·h；也就是说能节约20.1万kW·h。然后分析右边泵房，右边泵房的灌溉设备正常流量为0.36 m3/s，水轮泵的流量必须达到6.99 m3/s，电站的流量为6.99 m3/s，这部分的流量发电量为125.9万kW·h；也就是说能节约5.2万kW·h。

2)不难发现，水轮泵改造的成本明显低于水泵改造，进一步来看，左边泵房的节水发电收入可达到20.1万元，右边泵房的节水发电收入则是2.2万元。基于长久发展的角度，选择左边泵房的水泵与右边泵房的水轮泵比较合适。

3)在泵房中装置监测系统，对机组的工作状态进行监测，假若机组中的组件出现问题，监测系统会在第一时间发出警报信号。

通过以上的介绍发现，应做出如下选择：左边泵房的水泵与右边泵房的水轮泵比较合适。

3.2 水泵的选择

经过多方面的考虑以后，右边泵房的水轮泵选择使用2台DS100-8型号设备，左边泵房的水泵使用3台SOOS-98A离心泵与5台3505-125 B离心泵。

1)左岸泵房的5OOS-98A明显低于3505-125B的扬程数值，但是工作效率更高。

2)左岸泵房的5OOS-98A的改造成本明显低于3505-125B。

3)增强水泵的混凝土底座基础，强化水泵基础的稳定性。具体的改造效果可以参照图1～2。

图1 中座安装于混凝土牛腿上(改造前)(单位：mm)

图2 中座整圈安装于混凝土基础上(改造后)(单位：mm)

4)原设计是将叶轮的上下部进行连接，但是这种连接方式在实际运行过程中会导致组件松动，所以需要使用螺栓固定叶轮的上下部，避免水泵出现震动现象。

5)由于横销的支撑能力无法满足实际工作的需求，所以使用螺栓将轴承与叶轮支座进行连接，这样设备在运行的过程中能够更加稳固、安全。

3.3 阀门及接头的选择

为了降低后期检修的难度，应该在进水管的上方加设一个断流装置，该装置使用电动阀门。同时在水泵的出口安装控制阀门，尽可能使用多功能阀门。结合水泵的出水口管径，在水泵下方安装一台电动阀门，为了施工便捷，每一套水泵的进出口装置一个柔性接头。水泵的进水管装置一个检修维护阀门，每一个水泵的出水管均安装球阀与检修阀。