江苏省刘老涧站水泵机组运行稳定性影响因素分析

吕 坤

（作者单位：江苏省骆运水利工程管理处 223800）

江苏省刘老涧站建于1996年，属于加强黄淮海平原灌溉农业项目，利用世界银行贷款和国内配套资金兴建。在南水北调东线工程中，该站与刘老涧二站共同组成第五梯级站，也属于江苏淮水北调第二梯级站，主要作用是直接抽引泗阳站送来的江水、淮水，沿中运河北调。该工程设计流量150m3/s，投运至今，累计抽水130亿m3，变频发电近5000万度，保证了苏北地区农田灌溉、工业及通航用水，创造了巨大的经济效益和社会效益。该站长期运行后，存在装置效率下降，机电设备严重老化等状况。本文通过分析泵站长期运行后现状，对机组效率及稳定性影响因素进行分析。

一、机组概况

该站装有4台套井筒分段式全调节轴流泵，设计总流量150m3/s。水泵型号3100ZLQ38-4.2，叶轮直径3.1m，单泵设计流量37.5m3/s，设计扬程4.2m，转速150r/min，配套电机型号TL2200 -40/3250，容量为2200kW。

二、工程稳定性和机组状况分析

1.对工程运行日志的分析

该站每年抗旱翻水时泵站下游水位多低于设计水位，特别是每年的5、6月份大用水时，下游水位更无法保证，长期低于泵站设计最低水位。刘老涧泵站原设计叶轮中心安装高程为13.0m，据统计，刘老涧站近十五年下游最低运行水位为14.73m，下游最低平均运行水位为15.19m，下游运行平均水位为15.72m，叶轮中心淹没深度最小仅为1.73m，平均淹没深度也只有2.72m。因此，可以发现叶轮中心淹没深度小是造成机组运行稳定性差的主要原因。

2.对工程运行时水流的分析

该站下游拦污栅位于站前，而捞草机为耙斗式捞草机，致使站前水草聚集多，造成拦污栅严重堵塞，由于来流污物多、清污效率低或清污不及时等原因，拦污栅前后水位差能达到0.6m以上，进一步降低了水泵进口水位，带来水泵叶轮中心的淹没深度更小，严重时叶轮中心淹没只有1m左右，进水流道进口淹没深度也不到0.5m，不满足《泵站设计规范》要求，导致机组运行振动加剧，汽蚀严重，大大影响了泵站的安全稳定运行。而且原设计时进水流道内中隔墩一直延伸到拦污栅，拦污栅紧贴在流道中隔墩上，导致同一台机组进水流道中隔墩两侧水位不一致，改变了水泵的进水条件，给机组安全稳定运行带来不利影响。

3.对该泵站大修情况的统计分析

该站主水泵自1996年投入运行以来，虽经数次大修，但主要部件叶轮、叶轮室、导叶体、大轴等均未更换过，只是对叶片、叶轮室汽蚀损坏部分进行焊条补焊。水泵各部件损坏严重，水泵性能达不到设计要求，流量减少，功率上升，装置效率严重下降，刘老涧站历年实测效率可以看出，刘老涧站建成初期效率还在60%左右，这几年随着机组部件损坏加剧，水泵效率越来越低，2016年实测平均效率只有54%，达不到原设计工程效益，远低于《泵站技术管理规程》的要求。

在对该工程大修过程中，发现水泵结构存在先天性缺陷。原水泵主轴下端插入转子体内用柱销连接，主轴与转子体通过4个横销连接，用来传递扭矩和承受横向剪切，检测结果发现连接横销全部脱落、断裂，叶轮头与主轴之间间隙达到5mm。叶轮外壳为沿叶轮中心水平剖分的上下分瓣结构，上下叶轮外壳在剖分处仅用止口作径向定位，轴向不连接，叶轮外壳（下）固定在下座上，叶轮外壳（上）与导叶体下端连接。检测结果发现叶轮外壳下哈夫与下座紧固螺栓松脱并产生断裂、错位，位移达5mm。

且该站水泵大轴轴颈及橡胶轴承磨损严重。水泵轴填料函处表面锈蚀，轴颈磨损不均匀，最大深度达到4mm，橡胶轴承处轴颈锈蚀、磨损严重，磨损最大深度达5mm，水导轴承与导叶体配合安装螺栓全部脱离，水导轴承内固定轴瓦的螺栓松动脱落，轴承底座损坏，橡胶轴承止口呈现凸台，止口磨损最大深度为5mm。故该站在机组运行中极容易出现故障。

三、建议改进措施

1.新建清污设施，降低过栅损失

南水北调东线一期刘老涧泵站工程下游抽水运行的最低水位是以最低通航水位16.0m确定的，考虑河道及下游拦污栅损失，下游运行最低水位为15.8m，刘老涧站叶轮中心安装高程13.0m，叶轮中心淹没深度2.8m，基本满足要求。泵站下游侧拦污栅紧靠进水流道进口，采用移动耙斗式捞草机，建议将拦污栅移至下游距站前约120m处，建议采用回转式清污机解决泵站存在的问题。

2.优化运行调度

根据分析，泵站近十五年下游侧运行水位较低，下游最低平均运行水位为15.19m，下游运行平均水位为15.72m，新建的刘老涧二站叶轮中心安装高程为12.4m，相比刘老涧站降低了0.6m，因此在刘老涧泵站工程运行时，对于下游水位低于15.5m的运行工况，建议使用刘老涧二站运行。

3.降低水泵的nD值，改善水泵的汽蚀性能

原泵站设计时水泵叶轮直径为3.1m，转速为150r/min，水泵nD值为465，水泵叶轮外缘线速度大，水泵汽蚀严重，建议选用新的流量系数大的水力模型，在保持叶轮直径不变的情况下，将水泵转速降至136.4r/min，水泵nD值降为423，改善了水泵的汽蚀性能。

4.优化水泵结构设计，优选材质

从刘老涧站主机组大修统计可以看出，刘老涧一站存在的主要问题是水泵汽蚀严重，运行时振动、摆度大，分析原因主要包括：（1）水泵中座基础存在缺陷，原水泵中座预埋件支撑基础只有四个点，容易造成预埋件基础漏筋、混凝土脱落等现象，对水泵基础稳定性不利，时间长了造成中座基准参数发生变化，导叶体发生不同程度的周向位移，影响大修后机组的安装质量。（2）水泵中座基础存在缺陷，原水泵中座预埋件支撑基础只有四个点，容易造成预埋件基础漏筋、混凝土脱落等现象，对水泵基础稳定性不利，时间长了造成中座基准参数发生变化，导叶体发生不同程度的周向位移，影响大修后机组的安装质量。（3）原水泵叶轮室为上下分瓣结构，下半部分埋置于混凝土内，材质为铸钢，虽然表面堆焊了不锈钢，还是容易汽蚀。水导轴承材质为橡胶，耐磨性较差，运行时间长后磨损严重，增大了水泵水导轴承处的摆度，造成大轴轴颈磨损。（4）原水泵结构存在先天性缺陷，水泵主轴下端插入转子体内用柱销连接，主轴与转子体通过4个横销连接，用来传递扭矩和承受横向剪切，结果发现连接横销承载力不够，全部脱落、断裂，使得叶轮头与主轴之间间隙达到5mm。

针对上述存在问题，建议对水泵结构设计优化和部件材质优选：（1）增加机组在线监测系统，一旦水导轴承处出现问题，会及时发出报警信号。（2）增加水泵中座混凝土基础，提高水泵基础运行稳定性。（3）将叶轮外壳（上）与叶轮外壳（下）不仅通过止口连接，还用螺柱和螺母连接，防止轴向串动导致水泵振动。（4）将叶轮室的材质由铸钢改为铸不锈钢，减少叶轮室汽蚀的发生，水导轴承材质采用进口材料，减小磨损。（5）水泵轴与叶轮座采用螺栓连接，能更好地传递扭矩和承受横向剪切力，运行更安全可靠■