董兆華 孫超君 鄭慧慧

(1.江蘇省灌溉總渠管理處， 江蘇 淮安 223200；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210022；3.連云港市贛榆區(qū)防汛防旱指揮部辦公室， 江蘇 連云港 222100)

淮安抽水一站更新改造關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

董兆華1孫超君2鄭慧慧3

(1.江蘇省灌溉總渠管理處， 江蘇 淮安 223200；2.江蘇省秦淮河水利工程管理處， 江蘇 南京 210022；3.連云港市贛榆區(qū)防汛防旱指揮部辦公室， 江蘇 連云港 222100)

淮安抽水一站改造工程克服原建設(shè)時大量資料難以收集的困難，按照工程實施不影響抗旱運行等要求，在泵站的斷流方式、水泵選型、主電機推力軸承選用等方面開展研究，開發(fā)了計算機監(jiān)控系統(tǒng)和機電設(shè)備信息化管理系統(tǒng)。改造完成后的泵站機組效率明顯提升，具備了“無人值班、少人值守”的功能，提高了泵站運行管理的現(xiàn)代化管理水平。

抽水泵站； 改造； 斷流方式； 軸承

平原水網(wǎng)地區(qū)，泵站是必不可少、功不可沒的水利工程設(shè)施之一。江蘇從20世紀(jì)50年代中期提出“抽引江水北上”的規(guī)劃，60年代初開始實施，到1978年陸續(xù)建成了江都抽水一、二、三、四站和淮安抽水一、二站，標(biāo)志著江水北調(diào)總體框架構(gòu)成。20世紀(jì)80年代又相繼建成了泗陽抽水站、淮陰抽水站等，標(biāo)志著江水北調(diào)體系日臻完善，為地方經(jīng)濟社會的發(fā)展提供了可靠的水源保證。進入21世紀(jì)后，對初期建設(shè)的泵站進行安全評估表明，泵站的特征水位與實際水位已不相適應(yīng)，機組運行時間長、老化嚴(yán)重，設(shè)備狀況、技術(shù)水平已不適應(yīng)經(jīng)濟社會的發(fā)展及技術(shù)進步。為此，江蘇在南水北調(diào)東線工程中新建寶應(yīng)站等工程的同時，實施了老泵站的更新改造工程，國家于2008年開始對大中型泵站進行更新改造，淮安抽水一站率先于2000年開始實施，為同類型泵站更新改造提供借鑒。

1 工程概況

淮安抽水一站位于江蘇省淮安市南郊、蘇北灌溉總渠與京杭運河的交匯處，是淮安水利樞紐的重要組成部分。始建于1972年12月，1974年3月建成投運。裝有64ZLB-50型立式半調(diào)節(jié)軸流泵8臺，配套TDL-215/31-24型立式同步電動機，總裝機容量6400kW，設(shè)計揚程7.0m，設(shè)計流量60m3/s，水泵進水流道為肘形彎管，出水流道為平直管，采用拍門斷流方式，主機采用強電就地控制[1]。主要作用是作為南水北調(diào)東線工程的第二級梯級站之一，抽引江都站、抽入里運河的長江水北上；抽排白馬湖地區(qū)的澇水；補給大運河航運用水。

2 改造緣由

原站主輔機設(shè)備均為20世紀(jì)70年代初產(chǎn)品，經(jīng)過近30年的運行，存在嚴(yán)重的安全隱患。主電機絕緣失去彈性，普遍龜裂，線棒鼓脹擴展，矽鋼片變形明顯，轉(zhuǎn)子滑環(huán)凹凸不平，推力頭配合松動，危及主機正常運行；主水泵長期偏離設(shè)計工況運行，氣蝕嚴(yán)重，振動加劇，泵軸軸頸磨損嚴(yán)重，軸承因振動沖擊，多次檢修，軸承配合松動；輔機系統(tǒng)、電氣設(shè)備均為淘汰產(chǎn)品，備品備件無法購買，事故隱患多，安全運行難以保證。

3 主要改造項目

該站于2000年實施更新改造。改造的主要內(nèi)容包括：更換8臺主機泵及相關(guān)輔機系統(tǒng)；更新所有高低壓電氣設(shè)備；增設(shè)泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)和淮安樞紐自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；改造進出水流道及相關(guān)土建；增設(shè)電機層強迫通風(fēng)系統(tǒng)；拆建工作橋；新建集中控制室并維修和裝飾主副廠房；更換事故閘門，并增設(shè)快速閘門；更換攔污柵；完善部分管理設(shè)施等。

4 主要技術(shù)應(yīng)用

4.1 水泵選型

該站改造前水泵為上海水泵廠生產(chǎn)的64ZLB-50型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，比轉(zhuǎn)速為500，設(shè)計揚程7.0m，設(shè)計流量7.5m3/s，葉輪直徑1.54m，該泵的最優(yōu)工況點揚程為8.0m，流量為7m3/s。但該站自建成投運以來，實際運行凈揚程在3.0～5.0m之間，實際平均凈揚程為3.91m，考慮進出水流道的損失，水泵實際運行工況遠遠偏離高效區(qū)，水泵運行效率低、氣蝕嚴(yán)重、振動大。

經(jīng)模型試驗比選，改造后該站采用無錫水泵廠生產(chǎn)的1.75ZLQ11.2-5.3型立式全調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑從原來的1.54m增加到1.64m,轉(zhuǎn)速不變，設(shè)計揚程5.3m，設(shè)計流量11.2m3/s[2]。該泵型高效區(qū)在4.0～5.0m之間，符合實際使用條件。

4.2 斷流方式改造

該站為平直管出水流道，改造前采用拍門斷流，設(shè)液壓快速事故備用門，兼作檢修門。改造前，出水流道出口流速約1.6m/s，大于規(guī)范中出口流速宜在1.5m/s以下的要求，加之采用拍門斷流，出水流道水力損失較大。為減少拍門的水力損失，運行中采用加設(shè)平衡錘的方式增加拍門開度，門鉸及連接平衡錘的鋼絲繩磨損嚴(yán)重，維修工作量大，給運行管理帶來不便。

更新改造后，單機流量由原來的7.5m3/s增加到11.2m3/s，如斷流方式及出水流道不變，出口流速將增加到2.0m/s，更加不能滿足規(guī)范的要求。為此，改造設(shè)計過程中，對斷流方式進行了充分認(rèn)證分析，將拍門斷流方式改為快速門斷流。拆除拍門后，將出水流道按原有平面擴散角接長到原事故門槽(接長2.7m)，出口寬度由原來的3.05m增加到3.73m，出口流速下降到1.43m/s。為改善機組的啟動性能，在快速工作門上開設(shè)小拍門，保證機組啟動過程中出水順暢。

將斷流方式由拍門改為快速門，有效解決了因拍門不能完全開啟而阻水、增加水力損失、維修工作量大且不便等問題，降低了出口流速，提高了裝置效率。

4.3 主電機推力軸承選用

大型立式水泵機組大多采用剛性支撐的扇形可傾瓦推力滑動軸承，主要由推力頭、鏡板、扇形推力瓦、絕緣墊、導(dǎo)向瓦等部件組成[3]。在檢修安裝時，通過人工調(diào)整推力瓦水平和受力，經(jīng)驗性、隨意性及由此引起的誤差較大，容易造成推力瓦受力不均勻，甚至出現(xiàn)燒瓦事故，影響機組安全運行。

改造后，該站選用TL1000-24/2150型立式同步電動機，采用引進的圓形推力瓦滑動軸承，主要由推力頭、導(dǎo)軸承座、圓形推力瓦、承載環(huán)、導(dǎo)向瓦等組成。主要優(yōu)點有：

a.采用碟形支撐的圓形推力瓦，每塊瓦都具有自動調(diào)平功能，制造成本和安裝精度要求較低，不易出現(xiàn)瓦塊受力不平衡現(xiàn)象。圓形瓦的支撐點在瓦塊的幾何中心，對停機過程中出現(xiàn)的機組正向、反向轉(zhuǎn)動具有更好的適應(yīng)性。

b.推力頭與鏡板是整體結(jié)構(gòu)，消除了組合部件加工、組裝時出現(xiàn)的累積誤差,使推力頭摩擦面與瓦面之間接觸更加均勻，因而比同面積扇形瓦面的承載能力更強。

c.該軸承將絕緣裝置埋置在推力頭內(nèi)，采用高位安裝，無須刮削。傳統(tǒng)推力滑動軸承的絕緣墊片置于鏡板與推力頭之間，調(diào)整時，絕緣墊片往往被刮削變薄以至殘破，且易存在局部間隙，影響絕緣效果。

d.軸承冷卻系統(tǒng)采用雙金屬翅片式油冷卻器，抗腐蝕性強，傳熱效率高，使用壽命長，能夠更好保證電機軸承的運行。

e.采用此軸承后，在運輸條件允許的情況下，電機可整機發(fā)運、整機起吊、整機安裝，給用戶使用帶來方便。

4.4 水導(dǎo)軸承選用

水導(dǎo)軸承是大型水泵的關(guān)鍵部件，如果水導(dǎo)軸承磨損過大或損壞，則會造成機組軸線擺度增大，振動加劇，甚至發(fā)生葉片碰殼事故。在水泵上應(yīng)用的水潤滑非金屬軸承主要有橡膠軸承、P23軸承、F102軸承、彈性金屬塑料軸承和賽龍軸承。橡膠軸承在立式泵上應(yīng)用較多，對泥沙不敏感，緩沖抑振性能較好。P23軸承是一種酚醛塑料軸承，脆性比較大、易碎，并且一旦有碎屑脫落，會加速磨損并拉毛與之相配的大軸軸頸。F102軸承與P23軸承相比承載力高，韌性好，能耐沖擊荷載，抗壓強度高，耐磨性好。但它與P23軸承一樣，在應(yīng)用時對軸承材料、成型工藝及泵軸的表面處理須有嚴(yán)格的要求。賽龍軸承的自恢復(fù)性和彈性極好，故能耐沖擊，且易加工、耐污水、耐磨損。彈性金屬塑料瓦用于替代巴氏合金瓦，在油潤滑推力軸承上已取得成功經(jīng)驗，但在水導(dǎo)軸承上應(yīng)用不多。

改造時，無錫水泵廠在主泵水導(dǎo)軸承上選用上海材料研究所研制的F102混雜纖維自潤滑復(fù)合材料，該軸承為哈夫結(jié)構(gòu)，每塊由7只瓦襯組成。該站于2002年7月進行了試運行驗收，但2004年4月，多數(shù)機組先后出現(xiàn)因振動大而被迫停機的情況。經(jīng)解體檢查發(fā)現(xiàn)，機組大軸軸頸均不同程度偏磨，磨損最大處達10mm，水導(dǎo)軸承與導(dǎo)葉體連接螺栓全部松動，定位銷全部剪斷，軸承分半合縫面的螺栓全部脫落，水導(dǎo)軸瓦瓦襯(F102材料)已磨平，并有近三分之一脫落，同時葉輪外殼及葉片磨損嚴(yán)重。至事故發(fā)生時，運行時間最短的2號機組運行了800h，最長的5號機組運行2000h，遠遠低于廠家所稱使用壽命大于10000h的承諾。水泵水導(dǎo)軸承的質(zhì)量有瑕疵是引起機組振動損壞的主要原因，處理措施是將F102水導(dǎo)軸承改為橡膠軸承，對損壞的軸頸、葉輪外殼、葉片等進行返廠處理，重新進行安裝，運行正常。

4.5 計算機監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

為降低設(shè)備的故障率，減小運行管理人員的勞動強度，提高全站的管理水平，設(shè)計開發(fā)了微機監(jiān)控系統(tǒng)。采用開放式環(huán)境下全分布計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)主輔機自動控制管理、數(shù)據(jù)庫管理、在線及離線計算、各圖表及曲線的生成、事故及故障信號的分析處理等功能。值班人員可通過上位機進行查詢，及時了解主輔機系統(tǒng)、電氣設(shè)備、測溫系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等運行狀況。自動進行各種報表統(tǒng)計，對各種歷史事件提供歷史曲線查詢、歷史一覽表查詢、事故追憶分析等。通過視頻系統(tǒng)對主輔機和電氣設(shè)備實行監(jiān)視，極大提高了運行管理水平。

開發(fā)經(jīng)濟運行系統(tǒng)。在保證機組運行安全的前提下，根據(jù)調(diào)度流量、上下游水位及機組效率曲線，自動確定最佳開機臺數(shù)和機組投入順序，并調(diào)節(jié)水泵的葉片角度，使機組在最佳工況下運行，降低能耗。系統(tǒng)根據(jù)機組效率曲線，從實時數(shù)據(jù)庫中讀取站上下游水位及各臺機組葉片角度，運用雙向插值法進行計算，得到單機流量；對單機流量進行累加，得到站總流量。采用動態(tài)規(guī)劃技術(shù)進行優(yōu)化，以機組數(shù)i為階段變量，以各機組的抽水流量Qi為決策變量，以未分配的剩余流量Ki為狀態(tài)變量，求解出模型的最優(yōu)決策。

4.6 機電設(shè)備信息化管理系統(tǒng)

建設(shè)了“機電設(shè)備信息化管理系統(tǒng)”，對整個泵站的機電設(shè)備實現(xiàn)動態(tài)管理和信息化管理，為生產(chǎn)、管理、運行提供方便。

“銘牌檔案”模塊實現(xiàn)對各種設(shè)備資料的管理，包括設(shè)備的技術(shù)參數(shù)、生產(chǎn)廠家、主要設(shè)備圖片及相關(guān)使用維護說明書(存檔)等，使得每一臺設(shè)備都有自己的身份管理資料?！皺z修維護”模塊實現(xiàn)對設(shè)備檢修、維護的管理，具有維護到期提醒、維護結(jié)束認(rèn)定、設(shè)備檢修查詢等功能。所有檢修記錄形成數(shù)據(jù)庫，能夠指導(dǎo)運行人員及時分析、處置運行中設(shè)備故障，制定最佳維修方案。“試驗管理”模塊具有對電氣設(shè)備的試驗記錄進行狀態(tài)趨勢分析、缺陷提示功能?！皞淦芳涗洝蹦K主要實現(xiàn)所購備品備件庫存的入庫、領(lǐng)用、查詢、統(tǒng)計、不同備品件數(shù)量分析、數(shù)量不足備品件的提醒功能。

該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)(監(jiān)控管理系統(tǒng))之間實現(xiàn)了鏈接，有效提高了系統(tǒng)的靈活性，使得系統(tǒng)的應(yīng)用更具人性化。

5 改造后效益分析

5.1 機組運行效率分析

淮安一站于1974年投運，2002年主體工程改造完成。運行期間，水文部門一直做好機組的測流工作，包括上下游水位、機組運行臺數(shù)、機組運行總功率以及實時流量等。通過對建站以來的395次測流[4]及效率分析，結(jié)合部分特征數(shù)據(jù)，可以看出泵站改造前后機組效率的變化。

5.1.1 機組運行效率變化分析

截至2002年，老機組累計進行了264次測流，該264次測流平均揚程為4.30m，單機平均流量為8.95m3/s、平均功率647kW，平均效率為57.9%。新機組自2002年投運以來，到2015年累計進行了131次測流，該131次測流平均揚程為3.89m，單機平均流量為10.14m3/s、平均功率651kW，平均效率為59.3%。從多次實測平均數(shù)據(jù)可以看出，改造后機組平均效率比改造前提高了1.4%。

改造前264次實測中，效率大于60%的共86次，占32.6%，效率大于55%的共190次，占72%；改造后131次實測中效率大于60%的共60次，占45.8%，效率大于55%的共112次，占85.5%?？梢钥闯龈脑旌髾C組運行在高效區(qū)的比例遠高于改造前。

5.1.2 極端工況下效率的變化分析

從實測數(shù)據(jù)看出，改造前最大實測揚程出現(xiàn)在1983年7月13日，為5.72m，實測效率為64.9%；最小揚程出現(xiàn)在1984年2月7日，為2.72m，實測效率為41.3%。改造后最大實測揚程出現(xiàn)在2003年9月22日，為4.85m，實測效率為69.5%；最小揚程出現(xiàn)在2014年11月26日，為3.2m，實測效率為52.8%。可以看出，運行在最大揚程情況下改造后比改造前高4.6%，在最小揚程下改造前比改造后提高了11.5%。

對比相同揚程下效率情況：改造前1975年9月28日,實測揚程為4.84m時，效率為60.7%(1978年5月22日，實測揚程為4.86m時，效率為60.6%)，改造后2003年9月22日，揚程為4.85m時，實測效率為69.5%，提高了8.8%；改造前1986年5月2日，實測揚程為3.19m時，效率為45.4%，對應(yīng)改造后2014年11月26日，揚程3.2m，實測效率為52.8%，提高了7.4%。

5.1.3 效率變化的原因分析

影響機組運行效率的主要原因是機組的性能及機組運行的工況，選型時必須考慮水泵性能良好，并與泵站揚程、流量變化相適應(yīng)[5]。

通過下表可以看出，該站實際運行凈揚程在3～5m之間，通過多年水位測算，泵站運行實際平均凈揚程為3.91m。

改造前后機組運行揚程分布區(qū)間統(tǒng)計表

改造前機組為64ZLB-50型立式半調(diào)節(jié)軸流泵，設(shè)計揚程7m，設(shè)計流量7.5m3/s，該泵的最優(yōu)工況點揚程為8m,流量為7m3/s。因此改造前的水泵實際運行工況遠遠偏離高效區(qū)，從而使得水泵運行效率低下。改造后的機組選型則充分考慮到這個方面的需求，新機組設(shè)計揚程5.3m，設(shè)計流量11.2m3/s。該泵型高效區(qū)在4.0～5.0m之間，符合該站的實際使用條件，因此機組運行效率較高。

改造前機組葉片為半調(diào)節(jié)，需在機組停機后，抽空流道積水，打開葉輪室才可改變?nèi)~片角度，費時費力，因此基本不調(diào)節(jié)葉片。改造后機組葉片采用機械全調(diào)節(jié)方式，運行時即可很方便地改變?nèi)~片角度，從而改變機組的運行工況，使其盡可能在高效區(qū)運行。

5.2 機組流量增加的效益分析

改造前機組設(shè)計流量為7.5m3/s，改造后機組設(shè)計流量為11.2m3/s。改造后水泵設(shè)計流量較以前單臺機組增加了3.7m3/s。從多次實測平均數(shù)據(jù)可以看出，改造后機組抽水的平均效率比改造前提高了1.4%。

該站作為江蘇江水北調(diào)的第二梯級泵站，不僅承擔(dān)著抽引江水北調(diào)抗旱的任務(wù)，而且承擔(dān)著白馬湖地區(qū)排澇的任務(wù)，機組運行極為頻繁，近年平均運行臺時均在1萬臺時以上。以2015年為例，整個泵站運行16700臺時，以單機平均流量增加3.7m3/s計算，2015年整個泵站多抽水達2.22億m3，可以看出改造后流量增加帶來巨大的效益。

5.3 節(jié)能效益分析

根據(jù)多年實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析求出，改造前機組運行的平均流量為8.95m3/s，平均功率為647kW，改造后機組運行的平均流量為10.14m3/s，平均功率為651kW。改造后機組流量增加了13.3%，而功率僅增加了0.62%。如果運行時及時根據(jù)機組揚程變化改變?nèi)~片角度來提高運行效率，那么機組在消耗同樣電量下，抽水量將更多。

通過對改造前后機組每抽一立方水消耗電功率，可以看出改造前平均消耗電功率為0.02度/m3，改造后平均消耗電功率為0.0178度/m3，這就意味著每抽一立方水改造后將節(jié)能0.0022度，節(jié)能率達11%左右。仍以2015年為例，2015年淮安一站機組抽水量為6.08億m3，按照以上節(jié)能計算，整個泵站全年節(jié)約電量達133.76萬度，按照電費0.54元/度的農(nóng)業(yè)用電計算，每年將節(jié)約電費72.2萬元。

5.4 技術(shù)效益分析

淮安抽水一站改造后，采用了新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝，設(shè)備完好率和運行可靠性有了較大提高，大大降低了泵站設(shè)備運行事故，減少了設(shè)備檢修費用。泵站微機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，基本具備了“無人值班、少人值守”的功能，減輕了值班人員的勞動強度，減少了運行值班人員的數(shù)量，節(jié)約了人工費用。改造前每個運行班值班人員為5人，改造后，每個班只需3人，全站可減少值班人員8人，每年可節(jié)約運行人工費近80萬元。

淮安一站承擔(dān)著流域性抗旱及排澇任務(wù)，機組運行相當(dāng)頻繁，新技術(shù)的成功應(yīng)用，提高了工程安全運行的保證率，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益，為后續(xù)泵站的加固改造提供了有益的借鑒。

[1] 江蘇省灌溉總渠管理處.淮安抽水一站加固改造工程竣工驗收報告[R].淮安：江蘇省灌溉總渠管理處，2006.

[2] 戴健，古鳳英.淮安一站更新改造中水泵選型問題探討[J].水利水電科技進展，2002，22(1)：44-46.

[3] 王毅,陳堅,周少華,等.大型立式泵機組碟簧支撐圓形瓦推力滑動軸承研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2010(3)：126-129.

[4] 江蘇省灌溉總渠管理處.江蘇省灌溉總渠管理處水文站水文資料整編[R].淮安：江蘇省灌溉總渠管理處，2015.

[5] 孫洪濱，魯靖華.淮安抽水二站更新改造分析研究[J].水泵技術(shù),2007(6):40-42,37.

Research and application of updating and transformation key technology in Huai’an Water Pumping No.1 Station

DONG Zhaohua1, SUN Chaojun2, ZHENG Huihui3

(1. Jiangsu Irrigation Main Irrigation Canal Administration, Huai’an 223200, China; 2. Jiangsu Qinhuai River Water Conservancy Project Administration, Nanjing 210022, China; 3. Lianyungang Ganyu District Flood Control and Drought Control Headquarters Office, Lianyungang 222100, China)

The difficulty of data collection in original construction is overcome in transformation project of Huaian Water Pumping No.1 Station. The pump station cutoff mode, water pump selection, selection of main motor thrust bearing, etc. are studied according to the requirement that project implementation does not affect drought control operation, etc. Computer monitoring system and mechanical and electrical equipment information management system are developed. The pump station unit efficiency is improved prominently after transformation. It has the function of ‘unattended personnel’ and ‘less attended personnel’. The modern management level of pump station operation management is improved.

pumping station; transformation; interruption mode; bearing

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.019

TV52

A

1005-4774(2017)08- 0072- 05