淮安抽水二站加固改造技术分析研究

冯 俊袁 聪王 荣

（1.江苏省河道管理局，江苏南京 210029；2.江苏省灌溉总渠管理处，江苏淮安 223200）

1 工程简介

江苏省淮安抽水二站（淮安二站）位于淮安市淮安区南郊三堡乡、京杭大运河和苏北灌溉总渠的交汇处，是淮安水利枢纽工程的重要组成部分，也是南水北调东线工程第二梯级中的主力泵站。与淮安一站、三站和四站共同抽引江都站和宝应站输送的长江水入灌溉总渠，输送至淮阴站下，满足南水北调东线一期工程第二、第三梯级抽水300 m3/s的规划目标，此外还与淮安一站共同担负着白马湖地区4.67万hm2农田的排涝和渠北地区13.33万hm2农田的灌溉及该地区工业、航运、城乡人民生活用水的任务。工程于1975年1月动工兴建，1978年12月竣工，2010年10月经国务院南水北调办公室批准开始加固改造，2012年12月通过试运行验收。

2 加固改造设计方案

淮安二站改造工程设计规模为120 m3/s，调水设计扬程为3.9 m，装配2台立式全调节轴流泵，水泵叶轮直径4.5 m，单机流量60 m3/s。配套5000 kW立式同步电机2台套，电机额定电压6 kV，额定转速93.8 r/min。采用堤身式块基型结构，配肘形进水流道、虹吸式出水流道，真空破坏阀断流。泵站规模为大（Ⅱ）型，工程等别为Ⅱ等，泵站站房和出水流道（第三节）及防渗范围翼墙等主要建筑物等级为2级，进、出水侧翼墙等次要建筑物等级为3级。工程防洪标准按50年一遇洪水位进行设计，200年一遇洪水位进行校核。

此次改造参照了其他大型泵站改造的经验，针对淮安二站的实际使用情况及工程特点，在确保工程安全可靠的前提下，探索使用了一些新技术和新工艺，经实际工程使用，取得了较好的效果。

3 加固改造主要内容

3.1 水力模型的比选确定

根据水利部水利水电规划设计总院《南水北调东线第一期工程淮安二站改造工程可行性研究报告预审意见》，采用水利部的水泵模型同台对比试验成果及其他新开发的水力模型成果，结合淮安二站的主要技术参数以及类似工程泵型比选的经验，对淮安二站选择水泵转速100.0 r/min、93.8 r/min进行初步筛选，再从中选择相对较理想的2～3个水力模型进行详细比选，力求在最大范围内选择最合理的水泵nD值。

（1）水力模型初步筛选

利用泵段模型试验成果，估算流道损失，换算原型水泵技术参数。依据水规总院的审查意见，在可研、初步设计阶段，立式轴流泵肘型进水流道水力损失估算值取0.15 m，虹吸式出水流道水力损失估算值取0.60 m，故淮安二站流道损失取0.75 m。

根据水利部天津同台泵段试验成果换算的适合淮安二站的原型泵性能参数见表1。

表1 不同水力模型换算后的原型泵性能参数

由表 1 可见：TJ04-ZL-01、TJ04-ZL-06、TJ04-ZL-22、TJ05-ZL-02 四个水力模型采用叶轮直径4.5 m，转速93.8 r/min，其中，TJ05-ZL-02相对较好；TJ04-ZL-01、TJ04-ZL-06、TJ04-ZL-22、TJ05-ZL-02 四个水力模型采用叶轮直径4.2 m，转速100.0 r/min，其中，TJ04-ZL-06相对较好。因此，取 TJ05-ZL-02、TJ04-ZL-06 两个水力模型换算的不同直径和转速的原型泵段进行进一步比较。

（2）水力模型比选

方案一：选取TJ05-ZL-02水力模型，经计算，取叶轮直径D=4.5 m，转速n=93.8 r/min，原型泵段性能曲线见图1。方案二：选取TJ04-ZL-06水力模型，经计算，取叶轮直径D=4.2 m，转速n=100.0 r/min，原型泵段性能曲线见图2。特征扬程下两个水力模型的真机性能参数见表2。

由表2可以看出，方案一和方案二原型泵装置效率相差不大，流量也能满足要求。方案一水泵叶轮直径保持不变，水泵转速相对较低，有利于提高水泵的汽蚀性能和运行稳定性，水泵进、出水流道维持不变，不需要进行改造。方案二水泵叶轮直径从原来的4.5 m减小到4.2 m，流道断面减小，流速增大，流道损失相应增大，水泵转速相对较高，水泵叶轮直径减小，相应的进、出水流道需要进行改造，增加了土建工程量和施工难度。因此，最终选定方案一。

水泵中标单位根据实施阶段的水泵叶轮直径及水泵结构尺寸，在河海大学试验台上进行了泵站模型装置特性试验，对水泵水力性能进行检验和优化。试验结果表明，在不同的叶片安放角度、设计工况点扬程、平均净扬程下试验得出的模型最高装置效率、模型装置效率、换算得出的原型流量均达到了本方案的预期设计。泵站模型装置特性试验成果见表3。

图1 TJ05-ZL-02真机泵段性能曲线

图2 TJ04-ZL-06真机泵段性能曲线

表2 两个水力模型的真机性能参数

3.2 电机定子结构型式及制造工艺的改进

改造前的淮安二站电机定子为分瓣式结构，由厂家将电机定子分为三瓣制造后到现场进行组装。经过多年的运行总结，其存在两个比较大的缺陷：一是由于原电机为20世纪70年代生产，当时工艺较为落后，采用环氧树脂粉云母绕包绝缘后进行模压固化的工艺，导致电机定子绝缘较差且受天气湿度影响较大；二是大修时测量调整定子的同心度非常麻烦，耗时较长，需要计算不同的受力点及受力方向，否则会导致定子变形较大且失圆。经过几次大修后，主机定子产生了整体旋转位移，底座螺栓孔发生偏移，有些螺栓需经车削处理才能旋入，甚至有1～2孔根本无法旋入，严重影响大修进度及质量。因此，此次方案设计中，要求厂家将定子绕组采用软态嵌线及真空压力浸漆（VPI技术）处理，既能提高绕组的绝缘强度、防潮性能、耐热性和散热性，还可提高绕组绝缘的机械性能和化学稳定性。同时，将定子结构由分瓣式改为整体式，这样对定子的绝缘以及电机的安装、日后的检修均起到了很大的改善作用。通过改进结构，在此次改造后的机组安装时，仅用了两天时间即完成了一台电机的同心测量工作，比起以往半个月左右的工期，效率有了大幅提高。

表3 泵站模型装置特性试验成果

3.3 叶片调节系统结构改进

改造后的淮安二站仍采用液压全调节的结构型式，但系统结构有了较大的优化。新系统由控制系统、油压装置、现场受油器三部分组成，较改造前具有四大优点：一是具备手动、远程、自动三种控制方式，可靠性较高，而且实现了自动运行，无须人为干预；二是油压装置的结构更加精简，省去了原有中压气系统中的压力油罐和油泵等，通过安装在油箱旁体型较小的压缩气罐实现压力传递，由气罐中的气囊将压缩空气与液压油分离开，避免空气、杂质、水份与油接触，有效地改善了油质氧化的情况；三是采用了组合阀结构，通过电磁控制阀组，使自动控制得以实现，并使系统更加精简可靠；四是系统采用比例阀数字控制原理，使得叶片调节精度达到0.01度，相比以前有了大幅提高，结合PLC控制，使得调节更加准确，有效地避免了以前因纯人工调节发生过调，导致叶片角度过大而引起调节器铜套烧损的事故。

3.4 叶片、叶轮外壳材质更新

淮安二站原有叶片、叶轮外壳为铸钢结构，力学性能和耐腐蚀性较差，经过长期的抽水运行，加之水中杂质较多，泥沙较重，进一步加剧了叶片的汽蚀。经大修时实测，叶片正面汽蚀严重，每片平均汽蚀面积约0.13 m2，超过叶片面积的7%，蚀坑深度一般在12～16 mm，最深的蚀坑达30 mm以上且多处贯穿，侵蚀指数已达到Ⅳ级严重汽蚀标准。经多次修补后，叶片的重量不一样，静平衡的改变导致动平衡出现失衡，加剧了叶片的汽蚀及机组的震动，使运行工况逐渐恶化。除叶片外，叶轮外壳也受到影响并产生带状的蜂窝汽蚀面，汽蚀带宽度达0.3 m，汽蚀坑平均直径8～10 mm，深 10～15 mm，并有多处穿孔喷水，侵蚀指数大于Ⅴ级最严重汽蚀标准［2］。此次改造，为提高抗汽蚀、抗磨性能，选定叶片采用ZG0Cr13Ni4Mo不锈钢、叶轮外壳选用ZG1Cr18Ni9不锈钢。2013年底，在新机组运行200 d近5000 h后，打开叶轮外壳进行检查，叶片及叶轮外壳表面光洁，无汽蚀痕迹。

图3 1#B机泵-叶轮外壳-径向-速度频谱1000Hz

3.5 新增机组在线振动监测系统

改造前对机组运行状态的监测主要是监测电机功率、瓦温、电机温度等，而对机组整体运行状态的监测主要依靠主观感知，缺乏科学有效的监测手段，因此，建立一套在线振动监测系统，及时了解机组内部件的运行状态就显得非常必要。在淮安二站改造工程中，采用了新西兰况得实仪器有限公司生产的振动监测系统，由振动传感器、在线监测模块以及振动分析软件三部分组成。在电机主轴处安装电涡流式位移型振动传感器，在叶轮外壳处安装压电式加速度型监测传感器，在电动机上、下机架处各布置2个振动测点，在水泵水导轴承处布置2个水下专用振动传感器。通过1台在线振动监测仪，将全部传感器数据传送至服务器，再利用振动分析软件进行在线设备健康监测和故障预诊断。故系统可对即将产生的故障进行诊断，以做到及时处理、适时维修，避免事故损失。经过近5000台时的实际使用，本系统较好地反映了机组的运行状态，并能以比较直观的方式（如图 3、图4、图 5）为运行值班人员提供机组相应的振动数值，对机组安全运行起到了极大的帮助作用。

图4 1#B机泵-叶轮外壳-径向-加速度频谱3000Hz

图5 1#B机泵-电机下导轴承-径向-速度频谱1000Hz

4 机组效率分析

淮安二站改造前由于设备老化，机组效率已逐渐降低。根据实测资料分析，净扬程随时间变化曲线见图6，效率随时间变化曲线见图7。

图6 净扬程—时间关系曲线

图7 效率—时间关系曲线

从扬程变化曲线和效率变化曲线可以看出，一方面效率随扬程的变化而变化；另一方面，淮安二站自1979年投运以来，运行净扬程在3.5～4.5 m之间，扬程变幅不大，但效率总体呈下降趋势。实测资料分析表明，1979～1980年平均效率为68%，2001～2003年平均效率为54%，下降了14个百分点［1］，已远低于原设计要求，且远低于相应规程的要求。主要原因是：水泵运行工况远远偏离高效区，水泵汽蚀污染严重，振动加剧，使机组效率逐年下降。

除效率降低外，经实测，机组流量也在不断降低，在净扬程3.72 m下的实测流量为52.64 m3/s，与在该扬程下的设计流量相差达13.4 m3/s，减少20%。实测泵站装置效率仅56%，如按电动机效率94%、流道效率80%推算，水泵效率仅74.4%，与水泵设计效率值87.2%相差12.8%。

新机组安装完成后，在试运行期间，由江苏省灌溉总渠管理处水文站测量断面流量，对不同角度下的扬程、流量和功率进行测量，并计算装置效率，表4为现场实测结果。由表4可见，不同角度下的机组性能及效率均达到了设计要求。

表4 淮安二站机组现场实测结果

5 结语

经过全面加固改造，淮安二站这座装机10000 kW、国内最大的轴流泵站又重新焕发出了新的活力，继续发挥着巨大的经济效益。由于淮北地区干旱，自2012年安装完成后，本工程即连续投入运行，截至2013年底，改造后的淮安二站已累计运行310 d，抽水量达23亿m3。从工程使用实际效果来看，工程控制手段先进、机组运行平稳、效率明显提高，较好地达到了更新改造的预期目标。

［1］孙洪滨，鲁靖华.淮安抽水二站更新改造分析研究.水泵技术，2007（6）.