新技术在泵站机电设备的应用

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【摘要】介绍了南水北调东线一期工程在泵站主机组、辅助系统、关键部件等机电设备方面的技术发展，对通水运行以来遇到的典型问题进行分析，并初步提出了有关建议。

【关键词】南水北调东线；泵站；机电设备

南水北调东线工程从长江引水至东平湖，共设13级梯级大型泵站，总扬程65m，其中江苏新建泵站14座、改造4座，山东新建7座泵站，总装机95台套。作为大型跨流域调水工程，泵站机组等机电设备是核心，为适应长距离调水要求，各级泵站在设备的规划、设计、施工、建管及运维管理方面取得了较大突破。

1新技术在泵站机电设备中应用现状

1.1泵站机组结构形式实现多样化。南水北调东线一期工程泵站属低扬程泵装置，以立式轴流泵为主，少量为卧式贯流泵以及立式混流泵。其中韩庄泵站、二级坝泵站、金湖站、淮安三站、泗洪站采用卧式贯流泵，邳州站采用竖井贯流泵，皂河二站为混流泵。泵站的机组型式多样，可以更好地适应不同区域、不同扬程、不同功能的需要。1.2低扬程大流量水泵技术的应用。计算机技术、计算流体力学的发展，为流道的数模优化提供了可能。经10余年建设的泵站，无一例外对流道、泵装置采用数值计算为主、模型试验为辅的方法，对泵装置进行三维湍流流动数值模拟和优化水力设计，并在此基础上，进行物理模型试验与验证，极大地提高了优化的深度和可靠度。南水北调东线一期工程前期水泵模型、装置模型开发和试验研究，较大提升了我国在低扬程大流量水泵上的研发水平。经同台测试获得了一大批性能优秀的水力模型，为保证南水北调东线后期工程的设计打下了坚实基础。一批高效率、空化性能优秀的水泵模型脱颖而出，同时在进出水流道形式设计上，水泵模型与流道匹配研究领域亦获得长足进步。泵装置效率提高4.5%，比21世纪初我国的平均水平约高7%，使我国大中型低扬程泵站的效率指标达到世界先进水平。通过全面深入研究，加上引进国外先进技术，有效提升了南水北调东线一期工程贯流泵机组的技术水平和设备质量。其中淮阴三站、韩庄站为荷兰耐荷制造；蔺家坝站、金湖站为日本日立制造；泗洪站、二级坝站为日本荏原制造；邳州站为完全由日立泵制造。灯泡贯流泵装置的电机与泵联成一体，直接布置在流道内，装置结构紧凑。灯泡体体积小，进水、出水流道更为顺直，水力性能好、装置效率高。通过10余年的努力，贯流泵机组实现了大型化（最大叶轮直径达到3.3m）、一体化，国内制造水平也得到明显提升。从运行情况来看，机组的主要水力参数、电气参数以及运行稳定性总体良好。但是，这些年建设的泵站毕竟还未经过长时间、满负荷运行的检验，更未经受超负荷、超设计工况运行。新建贯流泵机组的可靠性、耐久性还需进一步考验。1.3水泵运行工况调节方式实现多样化。南水北调东线一期工程泵站使用的水泵工况调节方式有三种，即液压调节、机械调节、变频调节。目前韩庄泵站贯流泵采用了大功率永磁电动机和泵同轴直连，变频调节的方式，在国内也是首创。轴流泵站水泵工况采用液压调节、机械调节两种形式。针对机械调节和液压调节的缺点，国内厂家研发了内置式液压调节器。该技术的关键：一是采用了微型液压站技术，把外置式的液压设备全部浓缩在一个“小盒子”里；二是调节器的本体改为与机组大轴同步旋转。该装置油压系统为内置式，省掉了外供油系统，体积较小，结构紧凑、调节灵活可靠，造价低廉，便于自动化。1.4主机组关键部件和辅助装置改进成果显著。泵站主机组的安全运行往往依赖于辅助设备的正常、可靠运行。运行值班更多的是关注辅机的运行，尤其是供水系统的运行情况。过去冷却水（电机）、润滑水（水泵）一般由供水泵直接从下游进水池取水直接供给，为开路系统，而且水质较差，容易在电动机油槽冷却器的水管中形成污垢及堵塞，从而影响了冷却效果。且供水量不与冷却效果挂钩，供水能耗高。一些泵站对供水系统进行改造，取得了很好的效果。一种方法是将“开路”系统改造成“闭路”系统。最直接的方法是采用冷水机组，将电机冷却器出来的“高温水”经冷水机组冷却，再进入冷却器。南水北调东线一期工程泗阳二站、台儿庄泵站、万年闸泵站等，多座泵站经过改造采用了冷水机组技术。主机组冷却效果好，电机轴瓦温度可控，机组运行状况得到进一步优化。轴流泵机组推力瓦以前使用多为巴氏合金瓦，弹性金属塑料瓦的使用，机组运行工况得到了进一步改善，也减少了安装维护工作量。1.5加工工艺技术有了较大提高。水泵叶轮、导叶体的线型达到了最大的可控性和实现度。叶轮模型的加工精度也有了大幅度提高。国内外首创的导叶片全数型面数控加工技术，可保证与模型全模似。叶轮外壳热压成型焊接新工艺国内泵行业独创。在关健部位设置温度传感器，随时采集温度，对关健部位合金材质进行温度补偿，确保各种温度环境下精确测量。测量技术的发展，使得加工质量的检验完全具有可信度。

2通水运行以来遇到的问题

2.1工程运行参数与规划设计参数不一致。设计与实际运行工况的偏差，机组偏离最优效率区运行，致其经济、稳定性和可靠性同时受到影响，周而复始，问题需要得到根本解决。2.2泵型、流道及辅助机械多样性增加了维修难度。一期工程有立式轴流泵、立式混流泵、卧式贯流泵、竖井贯流泵，水泵及装置呈多样化局势，满足不同需求的同时，也会带来运行、维护的难度增加。目前贯流泵机组虽然水力性能较好，但其结构形式是电机及水泵轴为一体，安装检修麻烦，更换密封及轴承的费用高，维修工作强度大。灯泡贯流泵检修成本较高，工作量较大，持续周期较长。另外变频调节的一次性投资、运行和维护成本都比较高。叶调机构、技术供水、出水启闭机结构形式多样也会带来运行维修维护工作量增大、更换配件的不统一等问题。国外设备厂商在制造工艺、安装方面的技术保密，会造成未来维修、大修、更换配件的供应瓶颈。随着设备的不断老化，面临维修及配件更换，国外原生产厂家要价高且国内难以找到替代品。2.3关键零部件不能适应新的使用需求目前国内水泵行业在关键零部件的改进方面还不够，设备在制造工艺、新技术、新材料、新工艺应用还相对滞后，使用材料的材质、工艺跟不上使用的需求，导致部件损坏较快，从而降低了设备寿命。

3建议措施

3.1力求关键技术取得新突破。在南水北调东线一期工程低扬程泵装置水力设计关键技术研究的基础上，针对南水北调等重要工程运行需要，开展轴流泵装置模型同台测试研究在水泵模型水力性能、泵装置水力性能等关键技术方面取得新的突破。同时合理确定水泵口径和转速，确保水泵机组长期在高效区运行。3.2优化低扬程装置型式。经过10余年的研究开发，立式轴流泵装置和卧式贯流泵装置得到工程界、学术界的普遍认可，在南水北调一期工程得到了成功应用。在此基础上，对这两种型式的低扬程泵装置进行进一2020.10步的深入研究，以及在二期工程中得到更好的应用，实现国际领先水平的目标。尽可能采用前置竖井式贯流泵装置，给流道施工、设备安装、和维护带来极大的方便值得进一步推广，并向较高的扬程泵站发展。低扬程泵装置型式进一步的优化设计，研究采用CFD数模分析计算与物模模型试验相结合的方法。3.3统筹考虑选择主机组机型。立式机组技术成熟、安装方便，运行稳定可靠、机组投资少、可维修性高。贯流泵机组比起立式轴流泵机组来，要复杂的多，所有设备都在水面线以下，存在密封问题；泵轴水平安置，存在不均匀受力问题；灯泡体或竖井位于流道内，存在尽量缩小灯泡体或竖井尺寸，又要保证灯泡体或竖井有一定的空间问题。另外贯流泵的水泵导轴承结构与密封问题，直联或齿轮箱传动装置的结构型式问题以及贯流泵的支撑型式、轴承的布置及密封的结构型式问题，以上问题需要统筹考虑。选用立式与卧式机组，不仅关系到机组水力性能，还关系到工程投资。另外需重点考虑机组的运输、安装、检修的便利性问题，尽可能做到在现场进行各种形式的维修及解体大修，倾向于注重培养自有人员掌握各种维修的核心技术，减少因国外厂家的技术封锁而带来的维修困难及维修费用增加。3.4进一步改进水泵关键部件的使用性能。需要进一步提高推力轴承、水导轴承等基础零部件的研发水平，倡导使用新型材料，改进密封及耐磨性能，延长部件使用时间。3.5优化工况调节等辅助机械结构形式。使用新型技术进行工况调节，淘汰老技术带来的使用及维修不便。优化技术供水、出水启闭机结构形式，减少因此带来的维修难度及工作量增加。

参考文献

[1]关醒凡.大中型低扬程泵选型手册[M].北京：机械工业出版社，2019.

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[4]徐磊，等.竖井贯流泵装置水力设计方案比较研究[J].水力发电学报，2011（5）：209-217.

作者:李磊 张艳艳 宋攀科 单位:南水北调东线山东干线有限责任公司