黃海田

（1.江蘇省水利工程質(zhì)量監(jiān)督中心站，江蘇 南京 210029；2.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009）

0 引言

作為平原水網(wǎng)地區(qū)，泵站之于江蘇，是必不可少、功不可沒的水利工程設施。1963年江都一站的建成，標志著20 世紀50年代中期提出的“抽引江水北上”規(guī)劃進入實施階段。1976年江都四站、1978年淮安二站的建成，標志著江水北調(diào)工程的總體框架構成。20 世紀80年代劉山站、解臺站、泗陽一站、皂河一站、淮陰一站的建成，90年代后期淮安三站、泗陽二站、劉老澗一站、沙集站的建成，標志著江水北調(diào)工程體系日臻完善。

進入21 世紀，江蘇形成了泵站建設的高峰期。江蘇泵站工程的規(guī)劃、科學研究、設計、設備制造、建設和運行管理等方面均取得了新的進展乃至突破。特別是南水北調(diào)東線工程的建設，推動了江蘇泵站工程的技術進步。

1 泵站工程建設概況

2000年以來，江蘇省以南水北調(diào)東線工程、城市防洪工程與區(qū)域排澇工程、江水東引（通榆河北延送水工程）與太湖水環(huán)境治理工程、大中型泵站更新改造工程為載體，新建和更新改造了一批大型、中型泵站（泵站規(guī)模按國家標準GB/T 50265 劃分）。至2015年底，江蘇共新建大型泵站42 座、中型泵站193 座，更新改造大型泵站15 座、中型泵站53 座。

1.1 南水北調(diào)與江水北調(diào)泵站工程

2002年，江水北調(diào)淮陰二站建成，安裝3 臺套立式軸流泵，設計流量100 m3/s，總裝機容量為8400 kW。2002年南水北調(diào)東線一期工程開始建設。東線一期工程在江蘇江水北調(diào)工程基礎上，擴大調(diào)水能力并向北方延伸。在江蘇境內(nèi)新建了寶應站、淮安四站、金湖站、淮陰三站、洪澤站、泗陽站、泗洪站、劉老澗二站、睢寧二站、皂河二站、邳州站、劉山站、解臺站、藺家壩站等泵站14 座，改造了江都三站、江都四站、淮安二站、皂河一站等4 座泵站，18 座泵站共計83 臺套機組，總設計流量2189 m3/s，總裝機容量219750 kW。83 臺套機組中，立式軸流泵機組26 臺套，立式混流泵機組15 臺套，臥式貫流泵機組22臺套。至2014年，南水北調(diào)東線一期工程江蘇境內(nèi)工程基本建成，并實現(xiàn)了向山東送水。

1.2 城市防洪與區(qū)域排灌泵站工程

江蘇的主要城市城區(qū)地面低于流域和區(qū)域洪水位。進入21 世紀，江蘇大規(guī)模開展城市防洪工程建設，核心是形成防洪包圍圈并通過泵站將圈內(nèi)澇水外排，為此新建了一大批城市防洪泵站。結合城市防洪工程建設，各地通過城市河湖整治、活水工程，進行水環(huán)境治理；為解決“因洪致澇”問題，江蘇各地大力實施區(qū)域治理工程，重點建設排澇泵站，提高圩區(qū)內(nèi)、區(qū)域內(nèi)的外排能力。

2000年～2015年，全省共新建用于城市防洪與區(qū)域排灌的泵站工程212 座（大型20 座、中型192 座），總裝機971 臺套（大型106 臺套、中型865 臺套），總設計流量5177.3 m3/s（大型1675 m3/s、中型3502.3 m3/s），總裝機容量301554 kW（大型86265 kW、中型215289 kW）。表1 為江蘇省2000年～2015年新建城市防洪與區(qū)域排灌大中型泵站匯總。20 座大型泵站的106 臺機組中，立式軸流泵62臺套，占58%；各類貫流泵為44 臺套，占42%，貫流泵的應用更加普遍。

1.3 江水東引與太湖水環(huán)境治理泵站工程

江水東引（通榆河北延送水）工程利用已建成的通榆河中段，通過增做部分調(diào)水工程，形成1 條長190 km的向連云港供水新通道。其中，新建了大套三站、灌北泵站、善南泵站等3座梯級泵站。大套三站安裝立式軸流泵機組5 臺套，設計流量50 m3/s，裝機容量3350 kW；灌北泵站安裝潛水貫流機組5 臺套，設計流量50 m3/s，裝機容量1650 kW；善南泵站安裝潛水貫流機組3 臺套，設計流量30 m3/s，裝機容量990 kW。通榆河北延送水工程2007年開工建設，2010年基本建成，2012年進行了工程聯(lián)合試運行。

2008年國務院批準的《太湖流域水環(huán)境綜合治理總體方案》，明確實施走馬塘、新溝河、新孟河等流域性骨干引排工程，實現(xiàn)太湖與長江的暢引暢排。走馬塘拓浚延伸工程是先行實施項目，2009年10月開工建設。張家港樞紐是走馬塘拓浚延伸工程的重要單項工程，其泵站安裝豎井式貫流泵機組3 臺套，設計流量50 m3/s，裝機容量1500 kW，2012年1月建成。

表1 江蘇省2000年～2015年新建城市防洪與區(qū)域排灌大中型泵站匯總

正在實施的新溝河延伸拓浚工程將建設8 座主要建筑物，其中的江邊樞紐、西直湖港樞紐、遙觀北樞紐、遙觀南樞紐等4 座樞紐含有泵站工程。江邊泵站安裝立式軸流泵機組6 臺套，設計流量180 m3/s，裝機容量12000 kW；西直湖港泵站安裝豎井式貫流泵機組4 臺套，設計流量90 m3/s，裝機容量4000 kW；遙觀北泵站安裝豎井式貫流泵機組4 臺套，設計流量80 m3/s，裝機容量3060 kW；遙觀南泵站安裝豎井式貫流泵機組4 臺套，設計流量60 m3/s，裝機容量1600kW。4座泵站將于2015年底建成。

1.4 大中型泵站更新改造工程

2002年，淮安一站完成更新改造，計8 臺套機組，設計流量90 m3/s，總裝機容量8000 kW。2011年，常熟站完成更新改造，計9 臺套機組，設計流量180 m3/s，總裝機容量9000 kW。

2008年國家實施擴大內(nèi)需戰(zhàn)略后，國家決定對大中型泵站進行更新改造。自2009年起，江蘇對32 處泵站進行了更新改造。32 處泵站中，有茭陵一站、茭陵二站、臨洪東站、臨洪西站、大套一站、井頭站和楊廟南站等大型泵站7 座，共計73 臺套機組，總設計流量780 m3/s，總裝機容量71000 kW；有湫湖站、新夏港站、武定門站等中型泵站53 座，總設計流量944 m3/s，總裝機容量105945 kW。

2015年，在入江水道整治工程中，實施了石港站更新改造工程，新建的石港站計4 臺套機組，設計流量90 m3/s，總裝機容量7200 kW；在省屬重點水利工程項目中，安排了淮安三站更新改造工程，計2 臺套機組，設計流量60 m3/s，總裝機容量4360 kW。

到2015年底，全省共更新改造大型泵站11 座（不含南水北調(diào)工程更新改造的4 座泵站）、中型泵站53座，總設計流量2144 m3/s，總裝機容量205505 kW。

2 泵站選址與布置

南水北調(diào)東線工程的早期規(guī)劃成果《南水北調(diào)東線工程修訂規(guī)劃報告》《南水北調(diào)東線第一期工程可行性研究修訂報告》形成于20 世紀90年代初期。2000年開展新一輪南水北調(diào)東線工程前期工作時，江蘇堅持以科學發(fā)展觀為指導，把以人為本、人與自然和諧相處的要求貫徹到前期工作中，按照“有效控制土地占用、合理發(fā)揮綜合效能、便于工程運行管理、適度結合工程改造、嚴格控制工程投資”的原則，對擬新建的14 座泵站的選址和布置進行了深入研究和優(yōu)化調(diào)整。

2.1 泵站選址

原規(guī)劃淮安四站采用“花河方案”，主要為解決花河沿線的排澇問題，但投資大，且河道流程長、易污染，經(jīng)比選采用“新河方案”，該方案還具有淮安四站與既有淮安樞紐集中統(tǒng)一管理和便于供電的優(yōu)點。原規(guī)劃淮陰三站采用“越閘臨時站”站址方案，后調(diào)整為與淮陰一站并列布置方案，同樣解決了集中統(tǒng)一管理和便于供電的問題。原規(guī)劃邳州站站址在房亭河北側，主要為結合房亭河以北地區(qū)的排澇問題，為此，其下游引河需通過1 座地涵，將增加0.5 m 以上的水頭損失，后將邳州站站址移到房亭河南側，減少了水頭損失，同時仍可以部分結合區(qū)域排澇，還節(jié)約了工程投資。將藺家壩站站址從原方案的藺家壩船閘附近移至船閘以北8 km的順堤河上，既可以結合區(qū)域的排澇，又預留了藺家壩站二期站址。金湖站、洪澤站、泗洪站等泵站選址時也適度考慮了區(qū)域排澇問題。

2.2 樞紐布局

泗陽三站、劉老澗二站、劉山二站、解臺二站等4 座泵站的原設計方案，均為在同梯級既有泵站的外側新開挖河道進行建設，占用土地多，房屋拆遷量大。經(jīng)過多輪比選、調(diào)整后，泗陽三站方案，改為拆除1983年建成的泗陽一站，在一站的下游建新的泗陽站，其流量為原泗陽一站與擬建泗陽三站的流量之和，該方案不需要新征土地，還相當于對一站進行了徹底的“更新改造”，同時又減少了1 座水工建筑物。原擬的劉老澗二站方案，改為拆除1953年建成的劉老澗老閘，在老閘的下游建1 座新的閘站結合工程，同樣，這一方案不需要新征土地，還相當于對老閘進行了徹底的“更新改造”，也減少了1 座水工建筑物。劉山二站、解臺二站，也是采用了拆除老節(jié)制閘、老泵站，建新的閘站工程的方案。這些樞紐通過布置優(yōu)化，既實現(xiàn)了原規(guī)劃目標，又徹底解決了老工程的問題，也改善了泵站進出水和運行管理條件，減少了土地占用，總投資則與原方案相當。這些布局調(diào)整均取得了較高的環(huán)境、經(jīng)濟和管理效益。

2.3 優(yōu)化布置

泵站樞紐的具體布置對泵站的運行平穩(wěn)和運行效率有較大的影響。在總體布局方案確定后，通過必要的數(shù)學模型、物理模型試驗，以進出水條件最優(yōu)為原則，進行優(yōu)化布置：對江都4 座泵站進水池的整流設施進行了大尺度的物理模型試驗；為改善淮安四站的進水條件，放棄了四站與一站、二站同軸線布置的方案；淮陰三站布置的優(yōu)化，還有效改善了現(xiàn)淮陰一站的進出水條件；對劉山站、解臺站進水流態(tài)進行整體模型試驗研究，該研究從常規(guī)試驗時只注重泵站前池及進口流態(tài)的觀察與調(diào)整，轉變?yōu)槎糠治龊腿~輪室進口流態(tài)的調(diào)整。通過優(yōu)化，大部分的泵站進出水條件均調(diào)整到更佳狀態(tài)。

3 泵站主機組

主機組是泵站工程的核心，也是泵站工程技術進步的標志。近15年來，江蘇泵站工程在水力模型與流道、機組結構型式與貫流式機組、工況調(diào)節(jié)方式與機組關鍵部件等諸多方面均取得了新的進步。

3.1 水力模型與流道

3.1.1 水力模型

2004年，水利部南水北調(diào)建設管理局在全國公開征集適用于南水北調(diào)東線工程的水泵模型。揚州大學、江蘇大學、無錫水泵廠和高郵水泵廠等單位提交了35 個軸流泵和導葉式混流泵模型。同年，對這些水泵模型進行了同臺比對測試。測試成果表明，近50%的水泵模型高效區(qū)的效率達到84%以上，最高達到86.4%。1981年曾在中國農(nóng)業(yè)機械研究院進行過全國軸流泵模型同臺測試，當時低揚程水泵模型高效區(qū)效率的總體水平為81%以上，最高為84.5%。經(jīng)過20 多年的努力，我國低揚程水泵模型的效率整體提高了3%左右。一批水力性能優(yōu)秀的水泵模型研發(fā)，為泵站工程經(jīng)濟技術指標的提高奠定了基礎。同時也形成了比較完整的水力模型“型譜”，使得水力模型的精細化選用成為可能。

3.1.2 流道

20 世紀80～90年代，業(yè)界對泵裝置關注更多的是在水泵的水力模型上，而一定程度上對流道的水力性能關注較少。事實上，對于低揚程泵裝置，流道水力損失的占比還是比較大的，同時流道內(nèi)的流態(tài)也會影響機組的穩(wěn)定運行。為尋找提升泵裝置效率的新空間，近10 多年建設的大型泵站，都采用以數(shù)值計算為主、模型試驗為輔的方法，對流道和水泵進行優(yōu)化，即在數(shù)值模擬優(yōu)化的基礎上，再進行物理模型試驗與驗證；在單獨的流道試驗與優(yōu)化、單獨的水泵模型試驗與優(yōu)化后，再進行泵裝置的綜合試驗與優(yōu)化，提高了優(yōu)化的深度和可靠度。經(jīng)過多年的研究積累，已經(jīng)形成了豐富的、成系列的流道結構形式及其相應的設計成果，實現(xiàn)了優(yōu)秀水力性能與泵站土建之間的良好平衡。

3.2 機組型式與貫流式機組

3.2.1 機組結構型式

江蘇的泵站大都為低揚程泵裝置。從江都一站開始，江蘇應用最多的是立式泵裝置型式，立式泵裝置中又以立式軸流泵裝置最為廣泛。2000年前建成的江水北調(diào)13 座泵站中，直聯(lián)燈泡貫流泵僅1 座，立式混流泵僅2 座，其余10 座均為立式軸流泵。在其他水利工程中，偶爾可以見到齒輪箱傳動的貫流泵（婦女河站）、斜式軸流泵（夏港站）、雙向臥式軸流泵（秦淮新河站）。

對于揚程更低一些的泵站宜采用臥式機組型式，這在理論上是沒有問題的。近15年，隨著研究的不斷深入和水泵制造技術的發(fā)展，江蘇泵站的機組結構型式更加豐富多彩，突出表現(xiàn)在貫流式機組（包括燈泡貫流泵、豎井貫流泵、潛水貫流泵等）得到廣泛應用。南水北調(diào)東線工程江蘇境內(nèi)新建的14 座泵站中，立式軸流泵泵站7 座，立式混流泵泵站2 座，臥式貫流泵泵站5 座。在城市防洪工程和區(qū)域排澇工程、江水東引、太湖水環(huán)境治理工程中，也大量采用臥式貫流泵。更加豐富的大中型泵站機組型式，更好地適應了不同區(qū)域、不同揚程、不同功能泵站工程的需要。

3.2.2 貫流式機組

貫流式機組具有水力性能優(yōu)良、土建投資節(jié)省等優(yōu)點。20 世紀90年代編制的南水北調(diào)東線工程規(guī)劃方案里，江蘇14 座新建泵站中，7 座為燈泡貫流泵，5 座為立式軸流泵，2 座為立式混流泵。淮安三站作為我國第1 座大型燈泡貫流式泵站，一直存在機組振動和噪音大、啟動困難、超功率運行、汽蝕嚴重等問題，這在一定程度上影響了對貫流式機組的認知和認同。為此，江蘇對淮安三站存在的問題進行了深入的分析，并以淮安四站、淮陰三站為載體，對立式軸流泵與貫流泵進行了系統(tǒng)、全面的比選。2004年10月，水利部主持召開《淮安四站、淮陰三站泵型選擇專題論證報告》討論會，建議淮陰三站選用貫流泵，并明確下階段采用國際招標方式采購，視招標情況最終確定泵型。這次會議明確，一是低揚程更傾向于用貫流式機組，二是要引進國際先進技術。

為此，江蘇組織有關工程設計、科學研究、設備制造等單位，對貫流式機組進行了系統(tǒng)、深入的研究。通過CFD 流動分析、內(nèi)部流場激光測量、模型試驗等手段，揭示貫流泵裝置內(nèi)部流動特性，提出了燈泡體和進出水流道設計模型。通過機組結構與制造工藝研究，解決了工況調(diào)節(jié)方式、機組傳動方式、支承型式與軸承布置及密封、電機通風方式、機組制造工藝等關鍵技術問題。

2007年建成的淮陰三站選用燈泡貫流泵，單機流量33.4 m3/s，葉輪直徑3.2 m，配套電機功率2200 kW，采用國內(nèi)外技術合作模式制造，為整體式機組，無需現(xiàn)場組裝。2011年建成的張家港泵站為豎井式貫流泵，單機流量17 m3/s，葉輪直徑2.58 m，配套電機功率500 kW，時為葉輪直徑最大的豎井式貫流泵機組。2012年建成的金湖站采用燈泡貫流泵，單機流量37.5 m3/s，葉輪直徑3.35 m，配套電機功率2200 kW，為我國首次采用液壓全調(diào)節(jié)且葉輪直徑最大的燈泡貫流泵。2013年建成的泗洪站采用后置式燈泡貫流泵，單機流量30 m3/s，葉輪直徑3.23 m，配套電機功率2000 kW。2013年建成的邳州站采用豎井貫流泵，單機流量33.4 m3/s，葉輪直徑3.3 m，配套電機功率1950 kW，為我國首次采用液壓全調(diào)節(jié)且葉輪直徑最大的豎井貫流泵。灌河北站、善后南站、堂子巷站采用了潛水貫流泵機組，葉輪直徑達到了2.0 m，單機流量達到10 m3/s。

經(jīng)過10 多年全面深入的科學研究，加上引進、消化、吸收日本、荷蘭等國的先進技術，有效提升了貫流式機組的技術水平和設備質(zhì)量，實現(xiàn)了貫流式機組的大型化、一體化。從運行情況來看，機組運行的穩(wěn)定性和主要水力參數(shù)、電氣參數(shù)總體良好。

3.3 工況調(diào)節(jié)與機組關鍵部件

3.3.1 工況調(diào)節(jié)方式

1969年建成的江都三站，采用液壓調(diào)節(jié)機構首次實現(xiàn)了大型立式軸流泵葉片角度的全調(diào)節(jié)。1986年建成的皂河站葉輪直徑達5.7 m，也采用液壓調(diào)節(jié)方式。2005年建成的寶應站采用引進日本的“中置式環(huán)保型調(diào)節(jié)機構”，能保證葉片調(diào)節(jié)的可靠、準確，實現(xiàn)了液壓調(diào)節(jié)機構的升級換代。1996年江都一站更新改造時首次采用了機械調(diào)節(jié)機構，1997年建成的高港站實現(xiàn)了葉輪直徑2.0 m 水泵葉片角度的機械調(diào)節(jié)，正在建設的新溝河江邊泵站葉輪直徑為3.15 m，也采用機械調(diào)節(jié)方式，將進一步實現(xiàn)機械調(diào)節(jié)水泵的大型化。金湖站燈泡貫流泵、邳州站豎井貫流泵均采用液壓全調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了大型臥式機組葉片角度全調(diào)節(jié)的重大突破。而淮陰三站、泗洪站采用高壓側電子變頻裝置，通過改變電源頻率，能夠在更大范圍實現(xiàn)水泵機組的優(yōu)化運行或更好地適應不同工況，更好地保證水泵機組本身運行的穩(wěn)定性、可靠性，實現(xiàn)了水泵工況調(diào)節(jié)從葉片角度調(diào)節(jié)向水泵轉速調(diào)節(jié)的突破。

3.3.2 電機推力軸承與電磁系統(tǒng)

傳統(tǒng)立式電機的推力軸承基本上都是剛性結構、巴氏合金瓦。20 世紀90年代后期，實現(xiàn)了巴氏合金瓦向彈性金屬塑料瓦的過度，一定程度上提高了軸承的可靠性。2002年淮安一站加固改造時，選用了碟簧支撐圓形瓦推力滑動軸承，采用該軸承后，淮安一站的電機可以整件運輸，具有機組安裝的難度小、周期短和軸承免維護等優(yōu)點。2010年臨洪東站更新改造時，也選用這種軸承，但該站電機較大，無法整體運輸。

在電機制造方面，定子沖片采用高導磁、低損耗的硅鋼片，用整卷硅鋼片分割扇片，在自動生產(chǎn)線上沖制沖片。定子線圈采用聚酰亞膜薄膜銅扁線，先在自動繞線機上繞制成梭形，外包保護帶后，再在自動拉型機上拉制成型，其后用數(shù)控多功能包帶機器人進行絕緣層包扎。線圈以白坯軟態(tài)形狀嵌入定子鐵芯并連成繞組后，進行繞組和鐵芯整體VPI 處理。VPI 處理后的絕緣層致密、封閉，線圈與鐵芯固化成一體。電機硅鋼片沖片與疊壓工藝的提升改善了電機的電磁性能，絕緣包扎和浸漆技術的改進提高了電機的絕緣性能。

3.3.3 水泵轉輪與外殼

2005年建成的寶應站裝機4 臺套，采取2 臺水泵的葉輪體與葉片調(diào)節(jié)機構等核心部件從日本引進，其余部分在國內(nèi)生產(chǎn)的模式制造，對推進國內(nèi)水泵制造水平的提高起到了示范作用。近10年來，機械加工技術和測量技術的進步，既使得葉輪模型的加工精度大大提高，更使得水泵葉片、導葉體的線型加工能夠完全可控，提高了水力模型的實現(xiàn)度；葉片和葉輪外殼均選用抗空蝕破壞性能好的材料，加之水力模型具有良好的空蝕性能，水泵空蝕破壞的問題基本消除；葉輪頭的密封、臥式機組的軸承密封等問題得到有效解決。水泵運行的可靠性大大提高，大修間隔期得以延長。

4 泵站輔助系統(tǒng)

泵站專用變電所是泵站運行的動力保障，而泵站輔機系統(tǒng)則為泵站運行提供條件保證。近10 多年來，水利行業(yè)轉變觀念，積極跟蹤電力行業(yè)的技術發(fā)展，大力采用新型輔助系統(tǒng)和設備，提高了“動力保障”和“條件保證”的程度，為實現(xiàn)“無人值班、少人值守”創(chuàng)造了更好的條件。

4.1 變配電裝置

水利行業(yè)長期沿用的戶外變電所、配置充油設備的模式，其安全性與可靠性相對較低。1997年建成的淮安三站、泗陽二站，首次采用了35 kV戶內(nèi)式變電所。2002年底建成的淮陰二站，首次采用110 kV 氣體絕緣金屬封閉開關設備，并首次將110 kV主變壓器“請”到了室內(nèi)。其后，江蘇新建和更新改造的大中型泵站，基本都采用了氣體絕緣金屬封閉開關設備和戶內(nèi)變電所的形式，可避免氣候和環(huán)境條件對電氣設備的影響，提高了設備的安全性和可靠性，減少了維修養(yǎng)護工作量；同時減少了占地面積，改變了泵站的總體面貌。變配電裝置的水平基本與電力系統(tǒng)相當，基本可實現(xiàn)變電所的無人值班。

4.2 輔機裝置

泵站運行過程中常見的問題是冷卻水供應中斷。原因是供水泵直接從進水池取水，容易發(fā)生進水口堵塞現(xiàn)象，且水質(zhì)較差，容易在電機油槽冷卻器水管中形成污垢而降低冷卻效果。為此，一些泵站將冷卻水由“開路系統(tǒng)”改造成“閉路系統(tǒng)”，使冷卻水在排水廊道內(nèi)循環(huán)，有的泵站采用了在排水廊道或在進出水池中設置冷卻器的方式，實現(xiàn)了冷卻水的全封閉循環(huán)。2005年將冷水機組（循環(huán)冷卻裝置）首次應用于泗陽二站，不但有效解決了該站電機推力瓦瓦溫過高的問題，同時冷卻系統(tǒng)的可靠性也明顯增強，還減少供水系統(tǒng)的運行費用。劉老澗一站也將原直供式冷卻方式改為冷水機組冷卻方式。新建的泗陽站、洪澤站、劉老澗二站、皂河二站、睢寧二站，在建的石港站、遙觀南泵站、九圩港泵站均采用循環(huán)冷卻裝置。

真空破壞閥是虹吸式出水流道必備的裝置。2009年前，江蘇泵站的真空破壞閥都是氣動的，為此需要配置一套低壓氣系統(tǒng)。為解決泗陽二站機組啟動時從真空破壞閥向外噴水的問題，首次采用了電動真空破壞閥，不僅解決噴水問題，也簡化了輔機系統(tǒng)。泗陽站、洪澤站、劉老澗二站、皂河二站、睢寧二站、石港站都采用了電動真空破壞閥系統(tǒng)。

4.3 自動化

1999年江都站機組監(jiān)控關鍵技術項目的實施，標志著江蘇泵站進入現(xiàn)代意義的自動控制階段。該監(jiān)控系統(tǒng)在江蘇水利系統(tǒng)首次采用分層分布式結構、PLC 控制、交流采樣智能儀表、INTOUCH 組態(tài)軟件等技術，在系統(tǒng)集成和大型泵站群在線優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)方面達到了較高水平。近10 多年，江蘇泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結構基本上以面向網(wǎng)絡為基礎，系統(tǒng)級的設備采用以太網(wǎng)或光纖環(huán)網(wǎng)（FDDI）等連接到高性能的微機工作站、服務器。在被控設備現(xiàn)場，較多地采用PLC或智能LCU，通過現(xiàn)場總線與基礎層的智能I/O 設備、智能儀表、遠程I/O等相連接，構成現(xiàn)地控制系統(tǒng)，再與系統(tǒng)設備結合形成整個監(jiān)控系統(tǒng)。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)一般分為上級調(diào)度層、監(jiān)控層和現(xiàn)地層3 層結構。上級調(diào)度層設在上級防汛調(diào)度部門，已經(jīng)可以實現(xiàn)通過監(jiān)控層進行遙測、遙控、遙視、遙調(diào)等功能。監(jiān)控層通常設在泵站中央控制室，主要完成對現(xiàn)地控制單元的監(jiān)控、運行參數(shù)采集，形成各種報表，上傳泵站運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，下達上級調(diào)度指令；監(jiān)控層主機通常按雙機冗余設計，雙機通過以太網(wǎng)通信。現(xiàn)地層設在設備現(xiàn)場，完成對現(xiàn)地設備的自動監(jiān)測和自動控制。現(xiàn)地單元由可編程序控制器（PLC）、多功能電表、交流采樣裝置和各類傳感器、繼電器等組成。

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對泵站主機、輔機、公用設備、配電設備等進行監(jiān)視、控制、保護和調(diào)度等功能，包括數(shù)據(jù)采集與處理、監(jiān)視與報警、控制與調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)記錄與存儲、人機接口、數(shù)據(jù)通信、系統(tǒng)自診斷與恢復等。江蘇的泵站自動化系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足泵站日常管理的需求，實現(xiàn)運行過程的控制與調(diào)節(jié)，為泵站工程的自動控制、優(yōu)化運行和“無人值班、少人值守”創(chuàng)造了條件。目前，江都、淮安、皂河等水利樞紐已可以實現(xiàn)區(qū)域水工程群尺度的優(yōu)化調(diào)度。

4.4 反向發(fā)電

反向發(fā)電是江蘇泵站的一項特色。1969年建成的江都三站，首次實現(xiàn)了泵站發(fā)電，發(fā)電方式為變極、半速（250 rpm/125 rpm）；1983年建成的泗陽一站也采用變極、半速（375 rpm/187.5 rpm）方式發(fā)電。1996年建成的劉老澗一站首次采用機械變頻機組（30 Hz/50 Hz）方式發(fā)電。1997年建成的淮安三站首次實現(xiàn)了燈泡貫流泵的同轉速（370 rpm）發(fā)電。沙集站于2003年首次實現(xiàn)了立式混流泵同轉速（300 rpm）發(fā)電。但受投資和技術的制約，這些泵站發(fā)電運行工況大都不是最優(yōu)工況，處于“發(fā)多少算多少”的狀態(tài)。

表2 GB/T 50265 與SL 430 泵站分等指標對比

進入21 世紀，江蘇對具備水力條件的泵站，在其新建或更新改造時，均對最優(yōu)發(fā)電工況進行了研究，根據(jù)最優(yōu)工況選擇相應的發(fā)電方式。2010年完成的江都三站更新改造工程，將變極半速發(fā)電改為機械變頻機組（25 Hz/50 Hz）方式發(fā)電。2011年建成的劉老澗二站也采用機械變頻機組方式發(fā)電，并結合劉老澗一站發(fā)電系統(tǒng)改造，實現(xiàn)了二站與一站共用1 套機械變頻機組（30 Hz/50 Hz）。2012年建成的皂河二站采用同轉速發(fā)電。2012年建成的泗陽站采用機械變頻機組（20 Hz/50 Hz）方式發(fā)電。2014年對沙集站發(fā)電系統(tǒng)進行改造，將同轉速發(fā)電改為機械變頻發(fā)電（40 Hz/50 Hz），單機出力增加50%。2015年實施的淮安三站更新改造工程，擬配置高壓側電子變頻裝置，以解決抽水工況調(diào)節(jié)問題，相應地，該也將首次實現(xiàn)電子變頻裝置方式發(fā)電。目前，淮陰二站正在進行發(fā)電方式的研究，有望實現(xiàn)機械變頻機組方式發(fā)電。通過合理的反向發(fā)電方式，實現(xiàn)了“能發(fā)多少就發(fā)多少”的狀態(tài)。

5 存在問題與不足

工程建設總是與問題相伴相隨的。大規(guī)模的泵站工程建設，也暴露出一些問題和不足，這些問題和不足，既有客觀方面的也有主觀方面的，既有技術方面也有經(jīng)濟方面的問題。需要不斷的總結分析，推動泵站工程技術不斷提高、不斷進步。

5.1 南水北調(diào)與江水北調(diào)泵站等別的銜接

江蘇的江水北調(diào)泵站和其他泵站，其等別和規(guī)模依據(jù)國家標準《泵站設計規(guī)范》（GB/T 50265），按照“裝機流量”來劃分。而南水北調(diào)泵站工程的等別和規(guī)模，則依據(jù)水利行業(yè)標準《調(diào)水工程設計導則》（SL 430），按照“引水流量”來劃分。表2 為GB/T 50265 與SL 430 泵站分等指標對比。

這樣，相同的流量，江水北調(diào)泵站與南水北調(diào)泵站出現(xiàn)了“等別和規(guī)?！鄙系牟町?。極端的例子是，皂河一站單機流量97 m3/s，總裝機流量195 m3/s，是我國單機流量最大的泵站，其等別為Ⅱ等、規(guī)模為大（2）型；而新建的皂河二站，單機流量25 m3/s，總裝機流量75 m3/s，但其等別為Ⅰ等、規(guī)模為大（1）型。工程等別與建筑物的級別、防洪標準密切相關，也與工程的投資密切相關。泵站“分等指標”的不同，帶來邏輯上的悖論：江水北調(diào)泵站是否需要“加固”到與南水北調(diào)泵站相應的等別；50年的實踐證明，江水北調(diào)泵站的等別是合適的，而且與所在地河道堤防等別、相鄰建筑物等別是匹配的，那么，南水北調(diào)泵站是否需要更高的等別。

5.2 泵站特征水位與總體規(guī)劃水位的銜接

江蘇在1960年編制的《蘇北引江灌溉電力抽水站設計任務書》提出了“以京杭運河為綱，四湖調(diào)節(jié)，八級抽水，使江淮、沂沭泗溝通”的規(guī)劃目標，同時對京杭運河8 個梯級的水位作了安排。對于泵站而言，其上游水位、下游水位及上下游水位差（揚程）是關鍵參數(shù)，決定了流量、功率和效率，而下游水位還決定著水泵機組的運行狀況和運行安全。對于梯級泵站，各梯級之間的水位配合，更直接影響著調(diào)水系統(tǒng)的運行狀況和總體效率。

但從江水北調(diào)工程50年運行情況看，大部分梯級泵站的下游水位達不到設計水位。1983年建成的泗陽一站，運行10 多年，抽水期平均水位從未達到設計水位；而1994年建設泗陽二站時，又將二站設計下游水位提高了0.5 m。1997年建成的淮安三站，設計下游水位為6.0 m，1999～2002年抽水612 d，下游水位6.0 m以下達346 d、占57%，1999年抽水144 d，6.0 m 以下達120d、占83.3%。下游水位長期偏低是導致淮安三站機組啟動困難、電機運行功率過載的主要原因。原有的劉山站、解臺站也存在下游水位長期低的問題。

南水北調(diào)東線一期江蘇境內(nèi)的各級泵站，其設計水位與江水北調(diào)原規(guī)劃水位基本一致。京杭運河沿線的規(guī)劃水位線，在非農(nóng)業(yè)用水期是基本能夠實現(xiàn)的，且可以通過各梯級泵站之間流量的匹配進行調(diào)度。但在農(nóng)業(yè)大用水階段或遇到特殊干旱期，各梯級泵站的下游水位通常難以保證，相應的流量也就難以保證。因此，具體某座泵站的設計時，既要遵循規(guī)劃水位，更要對歷史水文情勢進行統(tǒng)計分析，尤其是要對特定階段的水文情況進行統(tǒng)計分析，把規(guī)劃水位與實際水位進行對比，確定合適的下游水位和水泵葉輪安裝高程，必要時應適當降低底板高程，以更好地保證泵站在下游水位較低時的抽水能力、運行安全性和裝置效率。拆除重建的井頭泵站，其設計下游水位依照南水北調(diào)規(guī)劃，比老井頭泵站提高了0.5 m。而新井頭泵站已由原來的江水北調(diào)梯級泵站調(diào)整為專司灌區(qū)供水的泵站，灌溉高峰期井頭泵站的下游水位或難以保證，而且該站是貫流泵機組。

5.3 機組關鍵參數(shù)與研究試驗成果的銜接

科學研究是生產(chǎn)實踐的基礎，但不是全部。通過10 多年的研究，已經(jīng)獲得了一批性能優(yōu)異的水力模型，并通過多次的模型試驗得到驗證。或許正是因為模型得到多次論證，因此采用模型數(shù)據(jù)時，往往把水泵、電機的各項指標都用到極致，并據(jù)此水力模型確定了機組的流量、效率以及電機的功率?？陀^現(xiàn)實是，許多大中型泵站現(xiàn)場測試的機組水力參數(shù)和電氣參數(shù)，難以達到設計和招標文件的要求。某泵站改造前開展了大量的科研工作，提出了改造方案和技術指標，為分析改造效果，對該站同一臺機組、用同樣的方法和同一套測量儀器，對改造前后的泵裝置效率進行了測試，測試結果表明，改造后的效率確實有所提高，但與設計要求相比還有較大的差距；噪音、震動性能也未見明顯好轉。如果上已述及的規(guī)劃水位也不能實現(xiàn)，那么模型數(shù)據(jù)則更難以達到，泵站的水力參數(shù)和電氣參數(shù)就會大大偏離預期。采用模型試驗成果時要留有余地的另一個理由是，隨著工程的運行，機組的各項指標都會下降，即性能衰減。

效率不僅僅是個技術問題，更是個經(jīng)濟問題?，F(xiàn)在常用設計提出的指標來測算泵站運行成本和價格，就會造成測算結果的嚴重失真。所以在采用模型試驗成果確定水力參數(shù)、電氣參數(shù)時，要留有余地，在進行經(jīng)濟分析時更要留有余地。當前，要更多地測試和分析現(xiàn)實泵站的水力參數(shù)和電氣參數(shù)。

5.4 泵站工程設計質(zhì)量

大規(guī)模的泵站工程建設，導致設計力量不能很好地滿足工程建設的需要，使得一些工程的設計深度不夠，一些經(jīng)驗缺乏的設計單位所設計的項目存在較多的缺陷。在泵站布局和布置方面，如何更加節(jié)約土地占用、更好地發(fā)揮工程的綜合功能、更加有利于生態(tài)保護、更加便于工程管理等方面考慮不足。在工程結構方面，優(yōu)化研究不到位，導致泵站土建體量過大，結構不盡合理。

如某泵站的清污機橋布置在進水閘與泵站中間，且進水閘的胸墻底低于常水位；另一座泵站的清污機橋布置在500 m 長的進水涵洞出口與泵站之間，這樣導致這2 座泵站的清污機難以發(fā)揮清污功效。個別泵站電機選型出現(xiàn)了較大缺陷，導致電機功率不夠，不得不降低水泵流量或者更換電機。有的泵站甚至沒有把電機轉速、齒輪箱傳動比搞清楚，直接按照水泵最優(yōu)轉速確定水泵葉輪直徑，結果因實際轉速達不到最優(yōu)轉速而使流量達不到設計要求。泵站的自動化與信息化目標定位欠當，一味追求自動化、視頻化，且一味追求系統(tǒng)高配置的做法較為普遍。一些泵站的水系統(tǒng)、油系統(tǒng)設計得十分復雜，超出了功能需求，而過于復雜的輔機系統(tǒng)也導致輔機系統(tǒng)本身可靠性的下降。輸變電工程前期工作深度不足，一些泵站的電力系統(tǒng)接入方案未經(jīng)電力部門確認，往往導致工程實施過程中輸變電方面增加的投資較多。

5.5 泵站工程施工質(zhì)量

水利施工企業(yè)發(fā)展緩慢，人才（包括技術人員和技術工人）流失且后繼乏人，使得水利施工企業(yè)創(chuàng)新、創(chuàng)優(yōu)的動力和能力不足。與高速鐵路、高速公路和建筑工程領域比，水利工程的施工技術進步不快，工藝水平不高，文明施工、安全施工程度較低，環(huán)境保護措施不到位。施工過程中，《工程建設標準強制性條文》（水利工程部分）的有關要求執(zhí)行不到位，而與泵站工程密切相關的《工程建設標準強制性條文》之房屋建筑部分、電力工程部分的有關要求執(zhí)行更不到位?；炷凉こ痰哪途眯赃€沒有普遍得到重視，早期碳化深度大且發(fā)展速率快。建筑物施工缺陷較多，混凝土表面平整度、光潔度不高，裂縫、窨潮甚至滲漏水時有發(fā)生，有時這也成為泵站工程過度裝飾裝潢的一個緣由。《節(jié)約能源法》規(guī)定的“國家實行固定資產(chǎn)投資項目節(jié)能評估和審查制度”還沒有很好地在水利工程建設中得到落實。電氣設備、水力機械的安裝質(zhì)量也低于電力和水電行業(yè)。

5.6 泵站機電設備質(zhì)量

10 多年來電機、水泵技術的進步，并不意味著某座主機泵的質(zhì)量就是好的。事實上，由于業(yè)主設立較低的最高限價，加之投標人之間的惡性和無序競爭，“劣幣驅逐了良幣”，導致泵站機電設備質(zhì)量的下降。泵站機電設備的中標價一般都在概算價的85%以下，某泵站的主機泵中標價只有概算價的53%。另一座泵站主機泵的最高限價為2243 萬元，6 個投標人，報價最高的為最高限價的76%，報價最低的僅為最高限價的37%。某大型泵站的電機運行3年，就有1 臺發(fā)生了定子線圈短路（燒線圈）事故而返廠處理。某大型泵站主機泵安裝好之后，發(fā)現(xiàn)轉子的絕緣為0 MΩ，只有在現(xiàn)場采取澆注絕緣漆的措施補救。某泵站主機泵投入運行后不久，就出現(xiàn)了全部水泵的水導軸承非正常磨損，并造成水泵大軸軸頸部位磨損，同時主電機的推力軸承也出現(xiàn)了嚴重的故障。某泵站出現(xiàn)了2批到工的電機定子鐵心長度不一致的情況。一些更新改造的泵站，普遍存在電機的噪音、振動、發(fā)熱等性能劣于改造前電機的情況，電機的自重也大大減輕，因此也有理由懷疑電機的效率性能和壽命。電力電纜導體的截面積或電阻率不符合要求的情況時有發(fā)生。

6 結語

進入21 世紀的10 多年里，江蘇新建和改造了一大批泵站，為江蘇水利現(xiàn)代化增添了巨大的水資源供給、水災害減除、水環(huán)境改善能力。同時，江蘇泵站工程規(guī)劃、研究、設計、建設的創(chuàng)新能力和技術水平大大提升。今后一個時期，江蘇的泵站建設與管理應該在科學規(guī)劃與協(xié)調(diào)設計、機電設備可靠性與混凝土工程耐久性、低碳建設與節(jié)能環(huán)保、自動監(jiān)測診斷與優(yōu)化運行、精細化管理與現(xiàn)代化等方面尋求新的進步。