小 (1)型泵站技术改造浅析——以备塘河翻水站泵站为例

陆一奇,王渭清,谢筱权

(杭州市城郊河道管理处,浙江 杭州 310014)

近年来,浙江省水利厅就《浙江省排灌泵站更新改造对策研究》展开调研,并在此基础上编制了《浙江省排灌泵站一期更新改造工程实施方案》作为组织实施排灌泵站更新改造工程的技术指导性文件。依照该方案,泵站更新改造需进行科学调查、评估后,以“经济、实效”为原则确立方案并实施。

在确定对泵站进行技术改造前,应对泵站的现状进行调查,内容包括:泵站所在行政区、所属河流及岸别、建成年代、机组型号、生产时间、使用时限、是否出现过问题及处理措施,配电设备的型号、生产时间、使用年限、是否出现过问题及处理措施,水工建筑物进口、出口、穿堤涵闸等相关情况[1-2]。

1 备塘河工程概况

备塘河位于杭城东北部,是上塘河流域的重要支流之一。备塘河翻水站由水闸、配水泵室、管理房、护岸及绿化等组成,主要功能为非汛期从上塘河抽水进入备塘河,加快备塘河的水流速度,改善市区河道水环境;汛期时,打开水闸,将备塘河的涝水排入上塘河。该工程于2002年元月开始施工,同年7月完工并投入运行。备塘河翻水站设2台700QWG—160型潜水贯流泵,水泵设计扬程为1.88 m,单机流量为1.464 m3/s,全站设计流量为2.93 m3/s,总装机容量为90 kW,为小(1)型泵站。

备塘河翻水站设计水泵的运行定位为间歇性、阶段性配水,但实际运行工况为长期连续运行,水泵年运行时间超预期。机组自2002年7月开始运行,至2009年12月,每台机组平均运行时间达26 000 h,水泵叶轮磨损严重。该泵站设计之初为临时性配水泵站,后由于全市配水工程的实施,由原来的临时泵站变为24 h常年不间断运行的永久性泵站,但原建工程建设工期短、资金紧张,整个泵站布置也较为简单,缺乏止水刀阀、伸缩节等设备,给检修及安装带来麻烦。另外,限于当时的设备制造水平,潜水贯流泵作为一种新产品,在结构的设计及制造工艺上均有不足。因此备塘河泵站在运行多年后,机电设备及水闸出现正常运行电流偏高、能耗增大、检修时进口处止水不严等问题。

2 泵站机组性能测试

在确定技术改造方案前,应对泵站机组性能进行测试,主要项目为流量、扬程(工作扬程、净扬程)、功率(电机输入功率、水泵轴功率),在准确测试记录各项数据后,需整理成测试结果,主要参数为:泵站单机流量成果、泵站净扬程及工作扬程计算成果、电动机输入功率计算成果、轴功率成果,并由各种成果计算统计排水站的装置效率、水泵效率等经济技术指标[3]。

备塘河翻水站运行管理单位委托专业测量单位对该配水流量及扬程情况进行了测量。经统计分析,得到的相关参数见表1:

表1 备塘河翻水站现场实测水泵流量扬程数据表

从表1可以看出,实际水泵工作净扬程为0.47～0.49 m,低于当初设计选定的净扬程0.73 m,根据轴流泵的扬程流量特性曲线,扬程小时流量大,现水泵的流量应大于当初设计选定的流量值,而实际情况比当初选定的流量值小,原因如下:

(1)根据初步设计报告资料,备塘河翻水站水泵设计工况点净扬程0.73 m,设计扬程1.88 m,全站设计流量2.93 m3/s。设计泵站700QWG—160型潜水贯流泵性能见表2:

表2 700QWG—160型潜水贯流泵性能表

(2)根据现场实测流量数据及水泵性能曲线进行计算,管长取8 500 mm,管径取800 mm,计算水头损失系数采用hf=0.589Q2,得到的测量时水泵工作点参数见表3:

表3 实测潜水贯流泵工作点参数表

从表3可以看出,本工程实际流道水头损失较理论计算值大,说明水泵装置效率较理论设计值低,因此,全站流量只有2.75 m3/s,也低于设计值。

3 泵站技术状况评估

对于小型泵站,对机组性能进行测试、统计计算得出相关成果后,将实测数据结果与行业标准进行对比,达不到要求的必须改造;达到要求的,通过综合经济指标的计算,综合评价排水站继续使用的经济合理性,最后确定是否需要改造。

对比表2、3可以看出,水泵的实际运行工况点已偏离设计工况点,扬程和流量都比设计工况点低,不符合贯流泵的流量扬程特性曲线特点,分析原因可能是长年连续运行水泵叶轮磨损严重,加上泵体结构设计不尽合理,气蚀导致大量的气泡堵塞转轮部分流道,使水泵性能下降,水泵的流量、扬程急剧降低;另经计算,装置效率也低于部颁标准的55%[4]。

4 剖析泵站其它问题

由于水泵实际运行时间远大于设计时间,水泵叶轮磨损严重,泵站设备提前进入经常性检修维护和保养的阶段,每台水泵机组按一年小修一年大修的频率进行维修保养,安排维修养护费高达5万元/a,并且还存在以下工程缺陷:

(1)水泵的进口检修门槽与拦污栅栅槽共用,由于门槽四周没有埋设止水座面及护角,加上底坎施工时留下的一些问题,水泵进口检修门封堵不严,漏水严重,每次水泵的装拆及返厂检修维护均需请潜水员下去协助检修门封堵止水,既增加了安全生产隐患又浪费资金。

(2)在水泵拍门后没设检修门,一旦拍门损坏需水下维修。由于进口检修门只有1扇且漏水严重,拍门损坏失效将使水流倒灌,水下维修有很大的安全隐患,不仅配水无法进行,围堰抢修还将耗费大量资金和时间。

(3)泵站进口拦污栅栅条间距为50 mm,净距为45 mm,虽符合GB/T 50265—97《泵站设计规范》的要求,但相对于轴流泵及贯流泵栅条之间的净距不得大于0.05倍转轮直径[5]的要求还是偏大,该泵站水泵叶轮直径只有650 mm,栅条净距宜为32mm或不大于水泵转轮叶片之间的最小距离,由于实际栅条净距为45 mm,使用中有大量的小污物通过拦污栅进入水泵进水流道,造成叶轮阻塞,降低水泵效率。因此在实际操作中要在停泵时拉开流道出口的拍门,通过备塘河水流倒灌将污物冲出水泵进水流道。

(4)电气设备中,水泵控制柜、闸门控制箱等均存在结构简单、设施老化陈旧、操作不直观等缺点,同时没有预留计算机接口,不利于远程操作。

由于泵站存在以上问题,降低了泵站安全运行的保证率和机组效率,且存在安全隐患,为了确保机组的运行安全及更好地发挥备塘河翻水站的配水功能和效率,急需对翻水站进行技术改造。

5 确定技术改造方案

5.1 制定泵站改造方案的原则

根据GB/T 50510—2009《泵站更新改造技术规范》的要求,本着如下原则提出改造方案:

(1)确保安全可靠运行、充分发挥效益,提高装置效率;

(2)与受益区的国民经济和社会发展规划及水利总体规划相协调,科学合理地确定更新改造的规模、方案和技术经济指标;

(3)在不影响泵站性能和安全的前提下,充分利用原有设施及设备;

(4)积极采用经过试验和鉴定的新技术、新材料、新工艺和新设备;

(5)根据泵站的规模、地位和作用以及实际运行需要,采用计算机监控技术,实现泵站综合自动化,积极推行信息化[6]。

5.2 备塘河翻水站技术改造方案

5.2.1 总体改造方案

根据泵站存在的问题,提出具体改造方案如下:

(1)更换主水泵,采用技术成熟,性能先进的定型产品,保证后续返厂检修维护服务的可持续性;

(2)改变穿墙管与水泵之间的刚性连接,在水泵上、下游与穿墙管联接部位增加伸缩节以提高水泵的互换性及拆装的方便性;

(3)在水泵流道进出口增加可靠的截流装置,以方便水泵的检修维护及水泵出口拍门的损坏修复;

(4)改造泵站进口拦污栅,缩小格栅间距或采用机械清污方式,减小人工清污的工作量;

(5)更换水泵控制柜、闸门控制箱等陈旧设施,使设备的运行操作更加直观和安全可靠。

5.2.2 主水泵的改造技术方案

根据本泵站的流量和扬程特点,所选泵组比转速在1 500 r/min以上,潜水贯流泵为最佳选择,同时由于是改造泵站,土建结构无法改变,水泵的型式与台数也无法做大的变动,经比较后仍选700QGL—160型水泵,根据泵室的空间情况,对水泵的结构长度有较高要求,最大不超过2 580mm。

考虑到流量加大对改善备塘河的水质有利,因此在泵型选定的情况下,对不同的转轮叶片安装角进行了比较(根据角度分为方案1和方案2)。

5.2.2.1 方案1

方案1:选择叶片安装角度+2°,特点是流量较大,此时转轮主要性能见表4:

表4 700QGL—160型潜水贯流泵性能表

根据本工程最高扬程、最低扬程进行水泵运行工况点参数计算,叶片安装角+2°时,700QGL—160型水泵电动机组计算结果见表5:

表5 700QGL—160型潜水泵运行工况参数计算表

从表5可以看出,对于备塘河翻水站所需的工作扬程,采用700QGL—160型潜水泵,叶轮角度采用+2°布置,水泵在高效区运行,同时可以有效提高泵站的配水流量,进一步改善备塘河的水质,缺点是所配的电动机容量需加大。根据厂家样本,配套电动机功率为55 kW。

由于原10 kV变压器容量为125 kVA,变电设备选用ZBF—125 kVA箱式变电站,配套电动机容量加大20 kW,再加上刀阀等设备用电,根据计算负荷,需配160 kVA的变压器,由于负荷增加,为了保证有较充裕的配电和备用回路,原变电设备及水泵控制柜都需更换升级,仅配电设备改造升级的费用已达59万元。

5.2.2.2 方案2

方案2:采用叶片安装角为0°,此时转轮性能见表2。

根据本工程最高扬程、最低扬程进行水泵运行工况点参数计算,700QGL—160型水泵电动机组计算结果见表6:

表6 700QGL—160型潜水泵运行工况参数计算表

从表6可以看出,对于备塘河翻水站所需的工作扬程,采用700QGL—160型潜水泵,叶轮角度采用0°布置,水泵在高效区运行。配套电机功率不变,泵站原配变电设备可以不更换。

因此,水泵改造时按照方案2,仍采用原转轮及水泵安装角度,但在招标时需对水泵的结构长度及气蚀性能有所提高。

5.2.3 其它设施的改造方案

(1)对原进口拦污栅进行改造,在不动土建结构的前提下,根据原拦污栅栅槽尺寸重新设计,制造拦污栅,减小栅条间距至30 mm,满足轴流式水泵栅条间距不大于0.05D的要求。

(2)在水泵进口增加电动刀阀,方便水泵的检修维护,在主水泵装拆时方便可靠地截断上游水流,同时提高水泵出口拍门更换修复时的安全性。

(3)在水泵的上、下游增加伸缩节以提高水泵的互换性及拆装的方便性。对于不需要温度补偿,仅用于泵阀安装的口径DN800伸缩节的长度约为260mm。

(4)在水泵出水管的最高处加装1个排气阀。可以在停泵断流时及时补气,也可以在检修维护完成后第一次运行时,方便排出管道内的气体。

(5)更换水泵控制柜等电气设备,连接监控设施,并预留了远程监控端口,为下一步泵站的远程控制做好准备。

6 结 语

备塘河翻水站通过更新改造后,1号机组从2011年1月13日开始运行,2号机组从2011年3月1日开始运行,截至2011年7月,累计运行超5000h,运行期间电流稳定,监控使用正常。机组控制电气设备采用更先进的启动设备,引入计算机自动监控系统,并预留了远程监控端口,更好地保障了机组运行人员的人身安全及设备运行的可靠性,并为下一步泵站的远程控制做好了准备;电动刀阀的加装解决了原检修闸门漏水的情况,不再需要潜水员进行密封,为日后检修工作带来极大方便,同时降低了维修养护成本。

综上所述,通过泵站更新改造,可以实现配水设施的合理配置,提高配水效率,降低泵站运行维护成本,改善泵站运行条件,加速河道水体循环,真正改善了城乡生态水环境。

[1]蔺长增,蒋广庆,郭延杰.低扬程泵站的节能技术改造 [J].排灌机械,2000(03):10-12.

[2]王常荣,于军,徐德林.泵站更新改造现状及新技术应用研究[J].山东水利,2007(06):22-23.

[3]姚志青,马新华.中小型泵站运行参数测量方法[J].排灌机械,2005(01):25-27.

[4]水利部.SL 254—2000泵站技术改造规程 [S].北京:水利水电出版社,2000.

[5]国家标准局.GB/T 50265—97泵站设计规范 [S].北京:标准出版社,1997.

[6]国家标准局.GB/T 50510—2009泵站更新改造技术规范 [S].北京:标准出版社,2009.