引江济淮工程蜀山泵站大容量泵站机组方案优化设计

宋有权

(安徽省引江济淮集团有限公司,合肥 230601)

0 引言

引江济淮工程沟通长江、淮河两大水系,是跨流域、跨省份的重大战略性水资源配备和综合利用工程。工程任务以城乡供水和发展航运为主,综合灌溉补水、排涝和改善巢湖及淮河水生态环境,是国务院确定的全国172项节水供水重大水利工程之一,也是润泽安徽、惠及河南的重大贡献基础设施和重要民生工程。工程供水范围涉及皖豫2省55个县(市、区)总面积7.06万km2,供水人口5 117万。设计引江流量300 m3/s,入淮流量280 m3/s。多年平均引江水量2030年为34.27亿m3,2040年为43亿m3。

引江济淮工程,工程等级为Ⅰ等,规模为大(1)型。主体工程输水总长723 km,引江济淮一期工程设计总投资949.15亿元。

1 项目方案

引江济淮工程安徽段自南向北分为引江济巢、江淮沟通、江水北送三大段,枢纽建筑物工程包括枞阳引江枢纽、庐江节制枢纽、凤凰颈引江枢纽、兆河节制枢纽、白山节制枢纽、派河口泵站枢纽、蜀山泵站枢纽以及东淝闸枢纽共八大枢纽工程及江水北送段的4座梯级泵站。安徽段共设置梯级泵站8级12座泵站,总装机64台套175 870 kW。其中,淮河以南3级4座泵站,提水扬程23.72 m,总装机120 200 kW。淮河以北除西淝河站外再新建4级8座泵站,扬程22.76 m,总装机55 640 kW。工程采用轴流泵、混流泵、卧式混流泵等多种泵型,配备大型同步电机、变频电机和异步电机。蜀山泵站枢纽工程位于江淮沟通段,是引江济淮工程第三级提水泵站枢纽,是江水入淮和发展江淮航运的重要枢纽工程。蜀山泵站配备8台3480HLQ43.5-12.7水泵,配套TLKS750048/5800的电机,单机功率7 500 kW,单机流量42.5 m3/s,总装机容量60 000 kW,总流量340 m3/s(含船闸消耗50 m3/s),是亚洲最大的混流泵站,见图1。根据本项目空水冷却、转速低的实际情况,在前期招标方案编制、联络会等环节中,均与电机配套厂进行了有效沟通协调,把以往大型项目上吸取的经验,成功落实到最终方案上,保证了项目建成后电机的运行维护便利性和有效使用率。

图1 引江济淮蜀山项目泵站

2 方案优化

2.1 选用优秀水力模型

在测试TJ11-HL-06模型的基础上,基于蜀山泵站的特点,要求水泵厂家采取优化措施,提升水泵装置性能,并对模型性能提出了额定时高效、宽经济运行范围、汽蚀性能良好等要求。方案评审阶段,最终确认两个方面的具体实施路径:一是对泵段结构进行适当优化,如弯管顶部适当上移,叶轮室进口尺寸、导叶体出口尺寸等适当改变,为流道优化提供便利条件;二是对进、出水流道进行进一步优化,水泵装置效率显著提升约2%。通过上述措施,使得模型的综合性能指标达到国内领先水平。

2.2 采用立式静平衡方案,并采用新型叶轮动作试验方式

叶轮静平衡品质是关乎水泵平稳运行的重要指标之一,控制平衡精度尤为重要。常规的叶轮静平衡试验装置为卧式,但大型水泵叶轮重量大、体积大,不宜采用卧式平衡装置(操作难度大、测试误差大)。为此,本项目开发并采用了立式静平衡试验装置,工艺装置结构简洁、试验操作方便且测试精度高,为平衡精度提供了有力保障。

叶轮作为水泵核心部件,内调节机构的性能决定了水泵是否能在良好工况下稳定、高效运行。在前期方案评审阶段,要求水泵厂家对内调节机构的灵敏度、调节精度、调节范围,进行准确的动作测试。为此,水泵厂家开发了新型叶轮动作测试装置,对庞大的水泵叶轮部件进行动作测试,适应了不同调节力的叶轮在厂内动作测试的需求,并提高了工作效率,保证设备生产进度。与传统技术相比,新型叶轮动作测试装置具有两大优点,一是采用液压油缸驱动,外接液压站,油缸驱动力的可调范围大,适合大型水泵叶轮不同调节力的需求,尤其对于大型水泵,具有适用范围广,使用效率高,操作方便的特点;二是实现了叶轮在设计角度内的动作测试,通过检查各个叶片角度的一致性,进而验证叶轮操作杆行程与叶片角度是否满足设计要求。

2.3 伸缩节采用新型角封结构

立式水泵进水底座与转轮室之间需设置伸缩节,伸缩节的密封性能曾经因为结构上的因素,出现漏水现象,给泵房环境造成污染,给泵站管理带来麻烦。为此,在项目方案评审时,要求厂家改进结构,彻底消除漏水对泵房环境的负面影响。水泵厂家在泵组设计时创新了密封形式,采用新型角封型式,该新型结构具有密封可靠、结构简洁、制造难度低、质量易控制、装拆便利等多重优点。

2.4 叶轮室采用新型热模压成型焊接工艺制作

项目前期方案评审阶段,要求水泵厂家提升叶轮室成型质量。为此,水泵厂家开发并采用了新型热模压成型焊接工艺。该新工艺有效克服了传统工艺的局限性,具有叶轮室壁厚均匀度高、致密性好、尺寸和形位精度优以及良好感官质量等优点。材料利用率也大幅得到提高,新工艺的推广也利于“双碳”目标的实现。

2.5 电机整体布局方面

本项目电机单机功率为7 500 kW,机组运行时,每台电机产生的热量超过300 kW,若仍采用传统的半管道式通风,将会出现明显的“热岛效应”,导致电机温升偏高。因此在项目前期总体规划和招标文件编制时,明确了电机采用空水冷却方案。空水冷却方案与半管道式冷却方案相比,具有几个方面的优势:一是机组产生的热量将会通过空水(空气与水)冷却器热交换带走,有效避免了“热岛效应”;二是机组运行时参与热交换的空气为密闭自循环,由电机旋转提供循环动力,不需要上下两端强迫进风,因此上机架不再外露出电机层,有效提高了泵站现场的“感官质量”。此种电机整体布局在大型水轮发电机上使用广泛,有着泵房简洁、非技术性的运行维护便利性好的优点,见图2。

图2 电机整体布局

2.6 噪声控制方面

作为一期工程的旗舰项目,蜀山泵站电机转子极数48 P,运行转速125 r/min,属于大容量、低转速泵站电机。原理上,此型号的电机由于齿谐波负面影响较大,极易出现电磁啸叫声,直接影响电机的使用寿命以及现场运行维护人员的生理健康。鉴于此,在项目技术联络会、方案评审会等环节,根据电机配套厂的开发能力和工艺能力,最终确认电机铁心摒弃传统直槽方案而采用斜槽方案,见图3。从而将电机的噪声降低至80 dB以下,显著优于国家标准要求的85 dB限制。从设计上根本性的保障了电机的使用寿命和运行维护人员的身心健康。

图3 电机斜槽结构

3 结论

目前,蜀山泵站8台泵组均顺利完成了制造厂内的型式试验及出厂试验,也完成了现场安装调试和试运行。数据表明,泵组的性能显著优于招标要求和相关标准,如定转子温升均小于50 K(国家标准为80 K/85 K)、轴承温度均小于40 ℃(国家标准为55 ℃/75 ℃)、电机噪声77 dB(国家标准为85 dB)、振动0.5 mm/s(国家标准为2.3 mm/s)等。

蜀山泵站的建成,确保了向淮河中游地区补水,具有长江淮河航运、农业用水灌溉、生态环境保护等多项民生保障及优良的社会经济效益。