大型排涝泵站机组改造提质增效关键技术分析

袁龙刚，张鸿伟，吕建新

（中山市水利水电勘测设计咨询有限公司,广东 中山 528403）

1 工程概况

小榄镇排涝东站、北泵站位于中山市小榄镇,地处中顺大围北部上游、小榄水道右岸。小榄镇排涝东站、北站总设计流量77 m3/s,总装机容量4410 kW,其中东站位于小榄水道婆陇水闸侧,装机5台,设计流量55 m3/s,装机容量3150 kW,担负47 km2的排涝面积；北站位于小榄水道鸡肠滘水闸上游,装机2 台,设计流量22 m3/s,装机容量1260 kW,主要负责旧城区以北约15 km2的排涝面积。工程等别为Ⅱ等,大（2）型工程,主要建筑物级别为2 级,次要建筑物级别为3级。泵站的运行水位组合及特征扬程见表1。

表1 小榄镇排涝东站、北站特征水位及扬程

注：设计净扬程按出水池设计运行水位对应进水池设计运行水位,东站、北站设计扬程均按3.5 m。

小榄镇排涝东站、北站自1996年建成投产以来,为该镇的防洪排涝工作做出了巨大贡献,发挥了重要的防洪排涝作用并取得了显著的社会效益。

2 机组改造提质增效关键技术

2.1 深入调查现状机组存在的主要问题

通过深入现场实际调查,现状机组存在的主要问题如下：

1）水泵投入运行时间长,水泵叶片、轮毂、叶轮室汽蚀磨损严重,运行噪音超标、振动大,水泵出水流量下降,运行效率降低。

2）水泵主轴存在锈蚀,主轴与水导轴承及主轴密封接触部位存在一定程度的磨损。

3）水泵水导轴承磨损严重。

4）电机运行时间过长,期间从未进行大修,存在部分设备元器件老化等安全隐患。

2.2 制定合理可行的机组改造提质增效原则

1）确保安全可靠运行、充分发挥工程效益,注重提高装置效率。

2）在不影响泵站性能和安全的前提下,充分利用原有设施、设备,合理确定改造范围。

3）积极采用经过试验、鉴定和工程实践的新技术、新材料、新工艺和新设备。

2.3 根据机组改造提质增效原则进行改造方案设计

1）确保安全可靠运行、充分发挥工程效益,注重提高装置效率。水泵采用先进的低扬程、大流量轴流泵水力模型350 ZMB-3.8[1-3],比转速ns=1400,模型泵流量Q＞400 L/s,达到440 L/s,实现了泵站低扬程区的高效率,模型泵效率η＞80%,设计扬程时真机流量可达11 m3/s。现场综合测试及实际运行也证明了选用350 ZMB-3.8水力模型是合适的,也是优秀的。

2）在不影响泵站性能和安全的前提下,充分利用原有设施、设备,合理确定改造范围。本次主要对机组进行更新改造,不涉及土建及现状完好的设施、设备,改造内容主要包括：7台套TL630/24-1730 型电机定子部件、转子部件、轴承部件、机架、制动装置等的检查和维护；7 台套1600 ZLQ11-3.3 型立式全调节轴流泵泵体、叶片调节机构、机组辅助设备等的解体；7 台套水泵叶轮部件（仅含叶片、叶轮室）、上下水导轴承、主轴密封填料、导叶体、调节拉杆铜轴套的更换；对水泵主轴、轮毂、轮毂内调节机构进行返厂检查修补；其他视机组解体后检测的实际情况进行符合国家标准的修补或更换。

3）积极采用经过试验、鉴定和工程实践的新技术、新材料、新工艺和新设备。由于本泵站扬程变化范围较大,最低扬程与设计扬程相差较大,当泵站在最低扬程运行时,水泵叶片在同一角度运行时最低扬程对应的流量比设计扬程对应的流量增大约30%,由于水泵流量增大导致流速增大,机组运行振动将大大增大,不利于设备的安全稳定运行,叶片采用全调节型式[4-5]可通过不停机调节水泵叶片角度,从而调节水泵出水流量,避免由于水泵流量增大导致流速增大,机组运行振动大大增大,同时通过不停机调节水泵叶片角度,调节水泵出水流量,可以更加灵活地适应内河来水量,避免内河来水量不足时频繁停机,从最低扬程时水泵运行安全稳定性及流量调节灵活性角度综合考虑,水泵的叶片调节方式仍采用全调节型式,原水泵采用机械式调节器全调节,运行中存在抬轴、调节器轴承发热乃至烧损等问题,工作不够可靠,本次改造采用先进的内置式液压调节器,在不改变水泵、电机原有结构的前提下,通过现场实地测量原有调节杆法兰盘、电机法兰盘尺寸及螺栓孔定形定位尺寸,配套设计调机器法兰盘及螺栓孔,从而在原有设备基础上将机械式调节器更换为内置式液压调节器,有效避免了机械式调节器抬轴和烧瓦现象的发生；原水泵水导轴承采用橡胶轴承,轴承磨损严重,本次采用耐磨损且不伤轴的高分子复合材料轴承,有效减小了水导轴承及主轴磨损；原水泵叶片、叶轮室均采用铸钢材质ZG230-450、导叶体采用HT250,经过多年运行水泵叶片、叶轮室、导叶体存在腐蚀及汽蚀磨损,为更好的抗腐蚀及汽蚀磨损,从材料方面,本次改造叶片采用不锈钢材质ZG1Cr18 Ni9 Ti,叶轮室采用铸钢材质ZG270-500内衬塞焊不锈钢板材质1Cr18Ni9Ti,导叶体采用铸焊结构,导叶片采用铸钢材质ZG230-450,内外环采用碳钢材质Q235B；以上新技术、新材料、新工艺和新设备均经过试验、省部级鉴定和工程实践。

3 现场综合测试

为保证泵站能够安全稳定运行,继续发挥其防洪排涝的作用,东站、北站在2017 年～2018 年枯水期进行了机组的更新改造施工。

3.1 现场综合测试内容

为测定水泵机组运行状态的真实效率,检验水泵的改造效果、安装水平及水泵更换部件生产厂家的制造质量,进行了机组现场综合测试,为本工程验收、运行管理提供技术依据。2018 年6 月～7 月对东站、北站全部7 台机组进行了水泵机组现场综合测试,通过水泵机组现场综合测试全面了解泵站的运行特性,测定每台水泵在叶片各运行角度（-8°～+8°）运行时的水泵装置效率,并对每一测试工况下的水泵流量、水位、扬程、电机输入功率、温升、转速,机组运行的噪声、振动等[6-8]进行了测试。

3.2 试验测点布置及试验流程

水泵机组的流量、功率、扬程、振动、噪声等参数通过安装在水泵机组周围的各类传感器采集获得。水泵机组在叶片各运行角度下的效率值,通过检测水泵的扬程、流量、功率等参数后计算得出。水泵机组现场综合测试系统布置图见图1。

图1 水泵机组现场综合测试系统布置图

小榄镇排涝东站、北站水泵机组现场综合测试试验流程见表2。

表2 水泵机组现场综合测试试验流程

3.3 测试结论

3.3.1 水泵振动测试结论

通过对全部7台水泵进行振动测试,结合现场采集的振动数据得出以下结论：

1）7台水泵在振动测试过程中,机组运行稳定,未检测出异常振动情况。

2）北站水泵振动随着水泵叶片角度的增大而增大,在叶片角度从-8°增大至+8°的过程中,水泵的振动呈现逐渐增大的趋势,在叶片角度+8°时出现振动最大值。北站水泵的振动最大值出现在叶片角度+8°位置。

3）东站水泵振动随着水泵叶片角度从-8°增大至+2°的过程中,水泵的振动呈现逐渐增大的趋势,在叶片角度0°和+2°附近出现振动最大值；随后,随着叶片角度继续增大,水泵振动逐渐减小,在叶片角度+6°附近出现最小值；当叶片角度继续增大至+8°的过程中,水泵振动又迅速上升。东站水泵的振动最大值出现在叶片角度0°～+2°区间和+8°位置。

4）通过对水泵振动测试试验数据结果分析,同时结合《泵的振动测量与评价方法》（GB/T 29531-2013）标准评定,东站、北站全部7台水泵的振动评价结果为：振动级别均为A级,振动满足要求。

3.3.2 水泵噪声测试结论

通过对全部7台水泵进行噪声测试,结合现场采集的噪声数据得出以下结论：

1）7台水泵在噪声测试过程中,机组运行稳定,未检测出异响情况。

2）7台水泵噪声随着水泵叶片角度的增大而增大,在叶片角度从-8°增大至+8°的过程中,水泵的噪声呈现逐渐增大的趋势。7台水泵的噪声最大值均出现在叶片角度+8°位置,同时水泵功率也达到最大值。

3）通过对水泵噪声测试试验数据结果分析,同时结合《泵的噪声测量与评价方法》（GB/T 29529-2013）标准评定,东站、北站7台水泵的噪声评价结果如下：

①北站1号、2号水泵,东站4号、5号水泵在叶片角度-8°～+4°区间噪声级别为B级,叶片角度+4°～+8°区间噪声级别为C级；②东站1号水泵在叶片角度-8°～+8°区间噪声级别为B级；③东站2号水泵在叶片角度-8°～+6°区间除+4°以外噪声级别为B级,叶片角度+4°和+8°时噪声级别为C级；④东站3号水泵在叶片角度-8°～+6°区间噪声级别为B级,叶片角度+6°～+8°区间噪声级别为C级。东站、北站全部7台水泵的噪声评价结果为：噪声满足要求。

3.3.3 水泵其余综合性能测试结论

通过对全部7台水泵机组综合性能测试,全面对水泵转速、温升、功率、扬程、流量、水泵效率、装置效率等水泵运行相关参数进行了现场实测,结合现场采集的数据得出以下结论：

1）北站1号、2号、东站1号、2号水泵实测得到的最高装置效率为65.0%、64.4%、59.6%、65.1%（±2.06%）,最高效率点出现在叶片角度-2°～0°附近工况；实测水泵最高流量为 12.082 m3/s、11.601 m3/s、11.887 m3/s、11.553 m3/s；实测最高水泵效率为88.9%、88.5%、89.5%、88.9%（±2.06%）。

2）东站3号、4号、5号水泵实测得到的最高装置效率为65.0%、62.3%、62.9%（±2.06%）,最高效率点出现在叶片角度-4°～-2°附近工况；实测水泵最高流量为11.674 m3/s、11.651 m3/s、11.527 m3/s；实测最高水泵效率为88.4%、89.6%、88.2%（±2.06%）。

通过检验测试数据结果[9]可知,全部7 台水泵机组的水泵转速、温升、功率、扬程、流量等参数均在设计的合理范围内,水泵运行工况稳定,在整个检验测试过程中,所测参数变化趋势平稳,无异常变动,全部7 台水泵实测水泵流量满足设计流量（11 m3/s）要求,实测水泵效率曲线与水泵工作运行性能曲线相符合。

4 运行效果分析

小榄镇排涝东站、北站机组改造后自2018 年投入运行至今,机组运行状况良好,整体高效。

5 结语

通过工程实例介绍了大型排涝泵站机组改造提质增效关键技术,并通过对改造后的水泵机组进行现场综合测试,验证了大型排涝泵站机组改造提质增效取得的显著效果,总结了大型排涝泵站机组改造提质增效应注意的问题和取得的成功经验,得出以下建议：

1）充分调查分析原排涝泵站自建成投产运行以来实际的平均扬程、设计扬程等特征扬程,以及实际运行的扬程范围,比选适合本泵站特征扬程及扬程范围的先进、高效,且经过权威机构鉴定的优秀水力模型,注重提高装置效率,确保泵站改造后能安全可靠运行、充分发挥工程效益。

2）在不影响泵站性能和安全的前提下,方案设计应充分利用原有设施、设备,针对原有设施、设备存在的问题进行改造,以问题为导向,合理确定改造范围,节约工程投资。

3）针对原有技术、材料、工艺、设备存在的问题,积极采用经过试验、鉴定和工程实践的内置式液压调节器、高分子复合材料轴承、内衬塞焊、铸焊结构等新技术、新材料、新工艺和新设备。