馮 俊袁 聰王 榮

（1.江蘇省河道管理局，江蘇南京 210029；2.江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇淮安 223200）

1 工程簡介

江蘇省淮安抽水二站（淮安二站）位于淮安市淮安區(qū)南郊三堡鄉(xiāng)、京杭大運河和蘇北灌溉總渠的交匯處，是淮安水利樞紐工程的重要組成部分，也是南水北調(diào)東線工程第二梯級中的主力泵站。與淮安一站、三站和四站共同抽引江都站和寶應站輸送的長江水入灌溉總渠，輸送至淮陰站下，滿足南水北調(diào)東線一期工程第二、第三梯級抽水300 m3/s的規(guī)劃目標，此外還與淮安一站共同擔負著白馬湖地區(qū)4.67萬hm2農(nóng)田的排澇和渠北地區(qū)13.33萬hm2農(nóng)田的灌溉及該地區(qū)工業(yè)、航運、城鄉(xiāng)人民生活用水的任務。工程于1975年1月動工興建，1978年12月竣工，2010年10月經(jīng)國務院南水北調(diào)辦公室批準開始加固改造，2012年12月通過試運行驗收。

2 加固改造設計方案

淮安二站改造工程設計規(guī)模為120 m3/s，調(diào)水設計揚程為3.9 m，裝配2臺立式全調(diào)節(jié)軸流泵，水泵葉輪直徑4.5 m，單機流量60 m3/s。配套5000 kW立式同步電機2臺套，電機額定電壓6 kV，額定轉(zhuǎn)速93.8 r/min。采用堤身式塊基型結(jié)構(gòu)，配肘形進水流道、虹吸式出水流道，真空破壞閥斷流。泵站規(guī)模為大（Ⅱ）型，工程等別為Ⅱ等，泵站站房和出水流道（第三節(jié)）及防滲范圍翼墻等主要建筑物等級為2級，進、出水側(cè)翼墻等次要建筑物等級為3級。工程防洪標準按50年一遇洪水位進行設計，200年一遇洪水位進行校核。

此次改造參照了其他大型泵站改造的經(jīng)驗，針對淮安二站的實際使用情況及工程特點，在確保工程安全可靠的前提下，探索使用了一些新技術和新工藝，經(jīng)實際工程使用，取得了較好的效果。

3 加固改造主要內(nèi)容

3.1 水力模型的比選確定

根據(jù)水利部水利水電規(guī)劃設計總院《南水北調(diào)東線第一期工程淮安二站改造工程可行性研究報告預審意見》，采用水利部的水泵模型同臺對比試驗成果及其他新開發(fā)的水力模型成果，結(jié)合淮安二站的主要技術參數(shù)以及類似工程泵型比選的經(jīng)驗，對淮安二站選擇水泵轉(zhuǎn)速100.0 r/min、93.8 r/min進行初步篩選，再從中選擇相對較理想的2～3個水力模型進行詳細比選，力求在最大范圍內(nèi)選擇最合理的水泵nD值。

（1）水力模型初步篩選

利用泵段模型試驗成果，估算流道損失，換算原型水泵技術參數(shù)。依據(jù)水規(guī)總院的審查意見，在可研、初步設計階段，立式軸流泵肘型進水流道水力損失估算值取0.15 m，虹吸式出水流道水力損失估算值取0.60 m，故淮安二站流道損失取0.75 m。

根據(jù)水利部天津同臺泵段試驗成果換算的適合淮安二站的原型泵性能參數(shù)見表1。

表1 不同水力模型換算后的原型泵性能參數(shù)

由表 1 可見：TJ04-ZL-01、TJ04-ZL-06、TJ04-ZL-22、TJ05-ZL-02 四個水力模型采用葉輪直徑4.5 m，轉(zhuǎn)速93.8 r/min，其中，TJ05-ZL-02相對較好；TJ04-ZL-01、TJ04-ZL-06、TJ04-ZL-22、TJ05-ZL-02 四個水力模型采用葉輪直徑4.2 m，轉(zhuǎn)速100.0 r/min，其中，TJ04-ZL-06相對較好。因此，取 TJ05-ZL-02、TJ04-ZL-06 兩個水力模型換算的不同直徑和轉(zhuǎn)速的原型泵段進行進一步比較。

（2）水力模型比選

方案一：選取TJ05-ZL-02水力模型，經(jīng)計算，取葉輪直徑D=4.5 m，轉(zhuǎn)速n=93.8 r/min，原型泵段性能曲線見圖1。方案二：選取TJ04-ZL-06水力模型，經(jīng)計算，取葉輪直徑D=4.2 m，轉(zhuǎn)速n=100.0 r/min，原型泵段性能曲線見圖2。特征揚程下兩個水力模型的真機性能參數(shù)見表2。

由表2可以看出，方案一和方案二原型泵裝置效率相差不大，流量也能滿足要求。方案一水泵葉輪直徑保持不變，水泵轉(zhuǎn)速相對較低，有利于提高水泵的汽蝕性能和運行穩(wěn)定性，水泵進、出水流道維持不變，不需要進行改造。方案二水泵葉輪直徑從原來的4.5 m減小到4.2 m，流道斷面減小，流速增大，流道損失相應增大，水泵轉(zhuǎn)速相對較高，水泵葉輪直徑減小，相應的進、出水流道需要進行改造，增加了土建工程量和施工難度。因此，最終選定方案一。

水泵中標單位根據(jù)實施階段的水泵葉輪直徑及水泵結(jié)構(gòu)尺寸，在河海大學試驗臺上進行了泵站模型裝置特性試驗，對水泵水力性能進行檢驗和優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，在不同的葉片安放角度、設計工況點揚程、平均凈揚程下試驗得出的模型最高裝置效率、模型裝置效率、換算得出的原型流量均達到了本方案的預期設計。泵站模型裝置特性試驗成果見表3。

圖1 TJ05-ZL-02真機泵段性能曲線

圖2 TJ04-ZL-06真機泵段性能曲線

表2 兩個水力模型的真機性能參數(shù)

3.2 電機定子結(jié)構(gòu)型式及制造工藝的改進

改造前的淮安二站電機定子為分瓣式結(jié)構(gòu)，由廠家將電機定子分為三瓣制造后到現(xiàn)場進行組裝。經(jīng)過多年的運行總結(jié)，其存在兩個比較大的缺陷：一是由于原電機為20世紀70年代生產(chǎn)，當時工藝較為落后，采用環(huán)氧樹脂粉云母繞包絕緣后進行模壓固化的工藝，導致電機定子絕緣較差且受天氣濕度影響較大；二是大修時測量調(diào)整定子的同心度非常麻煩，耗時較長，需要計算不同的受力點及受力方向，否則會導致定子變形較大且失圓。經(jīng)過幾次大修后，主機定子產(chǎn)生了整體旋轉(zhuǎn)位移，底座螺栓孔發(fā)生偏移，有些螺栓需經(jīng)車削處理才能旋入，甚至有1～2孔根本無法旋入，嚴重影響大修進度及質(zhì)量。因此，此次方案設計中，要求廠家將定子繞組采用軟態(tài)嵌線及真空壓力浸漆（VPI技術）處理，既能提高繞組的絕緣強度、防潮性能、耐熱性和散熱性，還可提高繞組絕緣的機械性能和化學穩(wěn)定性。同時，將定子結(jié)構(gòu)由分瓣式改為整體式，這樣對定子的絕緣以及電機的安裝、日后的檢修均起到了很大的改善作用。通過改進結(jié)構(gòu)，在此次改造后的機組安裝時，僅用了兩天時間即完成了一臺電機的同心測量工作，比起以往半個月左右的工期，效率有了大幅提高。

表3 泵站模型裝置特性試驗成果

3.3 葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進

改造后的淮安二站仍采用液壓全調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)型式，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有了較大的優(yōu)化。新系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、油壓裝置、現(xiàn)場受油器三部分組成，較改造前具有四大優(yōu)點：一是具備手動、遠程、自動三種控制方式，可靠性較高，而且實現(xiàn)了自動運行，無須人為干預；二是油壓裝置的結(jié)構(gòu)更加精簡，省去了原有中壓氣系統(tǒng)中的壓力油罐和油泵等，通過安裝在油箱旁體型較小的壓縮氣罐實現(xiàn)壓力傳遞，由氣罐中的氣囊將壓縮空氣與液壓油分離開，避免空氣、雜質(zhì)、水份與油接觸，有效地改善了油質(zhì)氧化的情況；三是采用了組合閥結(jié)構(gòu)，通過電磁控制閥組，使自動控制得以實現(xiàn)，并使系統(tǒng)更加精簡可靠；四是系統(tǒng)采用比例閥數(shù)字控制原理，使得葉片調(diào)節(jié)精度達到0.01度，相比以前有了大幅提高，結(jié)合PLC控制，使得調(diào)節(jié)更加準確，有效地避免了以前因純?nèi)斯ふ{(diào)節(jié)發(fā)生過調(diào)，導致葉片角度過大而引起調(diào)節(jié)器銅套燒損的事故。

3.4 葉片、葉輪外殼材質(zhì)更新

淮安二站原有葉片、葉輪外殼為鑄鋼結(jié)構(gòu)，力學性能和耐腐蝕性較差，經(jīng)過長期的抽水運行，加之水中雜質(zhì)較多，泥沙較重，進一步加劇了葉片的汽蝕。經(jīng)大修時實測，葉片正面汽蝕嚴重，每片平均汽蝕面積約0.13 m2，超過葉片面積的7%，蝕坑深度一般在12～16 mm，最深的蝕坑達30 mm以上且多處貫穿，侵蝕指數(shù)已達到Ⅳ級嚴重汽蝕標準。經(jīng)多次修補后，葉片的重量不一樣，靜平衡的改變導致動平衡出現(xiàn)失衡，加劇了葉片的汽蝕及機組的震動，使運行工況逐漸惡化。除葉片外，葉輪外殼也受到影響并產(chǎn)生帶狀的蜂窩汽蝕面，汽蝕帶寬度達0.3 m，汽蝕坑平均直徑8～10 mm，深 10～15 mm，并有多處穿孔噴水，侵蝕指數(shù)大于Ⅴ級最嚴重汽蝕標準［2］。此次改造，為提高抗汽蝕、抗磨性能，選定葉片采用ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼、葉輪外殼選用ZG1Cr18Ni9不銹鋼。2013年底，在新機組運行200 d近5000 h后，打開葉輪外殼進行檢查，葉片及葉輪外殼表面光潔，無汽蝕痕跡。

圖3 1#B機泵-葉輪外殼-徑向-速度頻譜1000Hz

3.5 新增機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)

改造前對機組運行狀態(tài)的監(jiān)測主要是監(jiān)測電機功率、瓦溫、電機溫度等，而對機組整體運行狀態(tài)的監(jiān)測主要依靠主觀感知，缺乏科學有效的監(jiān)測手段，因此，建立一套在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，及時了解機組內(nèi)部件的運行狀態(tài)就顯得非常必要。在淮安二站改造工程中，采用了新西蘭況得實儀器有限公司生產(chǎn)的振動監(jiān)測系統(tǒng)，由振動傳感器、在線監(jiān)測模塊以及振動分析軟件三部分組成。在電機主軸處安裝電渦流式位移型振動傳感器，在葉輪外殼處安裝壓電式加速度型監(jiān)測傳感器，在電動機上、下機架處各布置2個振動測點，在水泵水導軸承處布置2個水下專用振動傳感器。通過1臺在線振動監(jiān)測儀，將全部傳感器數(shù)據(jù)傳送至服務器，再利用振動分析軟件進行在線設備健康監(jiān)測和故障預診斷。故系統(tǒng)可對即將產(chǎn)生的故障進行診斷，以做到及時處理、適時維修，避免事故損失。經(jīng)過近5000臺時的實際使用，本系統(tǒng)較好地反映了機組的運行狀態(tài)，并能以比較直觀的方式（如圖 3、圖4、圖 5）為運行值班人員提供機組相應的振動數(shù)值，對機組安全運行起到了極大的幫助作用。

圖4 1#B機泵-葉輪外殼-徑向-加速度頻譜3000Hz

圖5 1#B機泵-電機下導軸承-徑向-速度頻譜1000Hz

4 機組效率分析

淮安二站改造前由于設備老化，機組效率已逐漸降低。根據(jù)實測資料分析，凈揚程隨時間變化曲線見圖6，效率隨時間變化曲線見圖7。

圖6 凈揚程—時間關系曲線

圖7 效率—時間關系曲線

從揚程變化曲線和效率變化曲線可以看出，一方面效率隨揚程的變化而變化；另一方面，淮安二站自1979年投運以來，運行凈揚程在3.5～4.5 m之間，揚程變幅不大，但效率總體呈下降趨勢。實測資料分析表明，1979～1980年平均效率為68%，2001～2003年平均效率為54%，下降了14個百分點［1］，已遠低于原設計要求，且遠低于相應規(guī)程的要求。主要原因是：水泵運行工況遠遠偏離高效區(qū)，水泵汽蝕污染嚴重，振動加劇，使機組效率逐年下降。

除效率降低外，經(jīng)實測，機組流量也在不斷降低，在凈揚程3.72 m下的實測流量為52.64 m3/s，與在該揚程下的設計流量相差達13.4 m3/s，減少20%。實測泵站裝置效率僅56%，如按電動機效率94%、流道效率80%推算，水泵效率僅74.4%，與水泵設計效率值87.2%相差12.8%。

新機組安裝完成后，在試運行期間，由江蘇省灌溉總渠管理處水文站測量斷面流量，對不同角度下的揚程、流量和功率進行測量，并計算裝置效率，表4為現(xiàn)場實測結(jié)果。由表4可見，不同角度下的機組性能及效率均達到了設計要求。

表4 淮安二站機組現(xiàn)場實測結(jié)果

5 結(jié)語

經(jīng)過全面加固改造，淮安二站這座裝機10000 kW、國內(nèi)最大的軸流泵站又重新煥發(fā)出了新的活力，繼續(xù)發(fā)揮著巨大的經(jīng)濟效益。由于淮北地區(qū)干旱，自2012年安裝完成后，本工程即連續(xù)投入運行，截至2013年底，改造后的淮安二站已累計運行310 d，抽水量達23億m3。從工程使用實際效果來看，工程控制手段先進、機組運行平穩(wěn)、效率明顯提高，較好地達到了更新改造的預期目標。

［1］孫洪濱，魯靖華.淮安抽水二站更新改造分析研究.水泵技術，2007（6）.