張 鑫

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

某泵站站點的上部流域面積達(dá)到了9 237 km2，整個泵站由左右兩個機(jī)房共同組成，設(shè)計安裝8組水輪泵，每組裝置2臺，每2臺設(shè)備進(jìn)行串聯(lián)工作；左邊機(jī)房安裝12臺水輪泵，右邊機(jī)房安裝4臺水輪泵。泵站設(shè)計的預(yù)期灌溉面積為2.588 7萬畝(1畝≈666.67 m2)，灌溉的速度保持在2.59 m3/s。目前，設(shè)備安裝根本無法達(dá)到設(shè)計規(guī)范要求，當(dāng)前泵房的實際設(shè)備容量為1 720 kW，左邊機(jī)房僅安裝4組設(shè)備，右邊機(jī)房則安裝了1組設(shè)備，只能滿足0.441 5萬畝(1畝≈666.67 m2)面積的灌溉需求。

2 存在的問題及改造必要性

2.1 存在問題

泵站運(yùn)行時間比較長，已經(jīng)超出了20年，設(shè)備在實際運(yùn)行的過程中震動比較嚴(yán)重，設(shè)備組的整體運(yùn)行效率低下，且出現(xiàn)故障頻率越來越高，促使機(jī)組的正常壽命不斷縮短，無法在最大程度上發(fā)揮出實際效能。其中，主水泵所暴露出來的問題如下。

1)機(jī)組的導(dǎo)葉、葉片等部分組件汽蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重，其中，葉輪組件的汽蝕寬度已經(jīng)達(dá)到了6 cm，汽蝕的深度為19 mm,汽蝕的總面積為5 784 mm2，葉輪出現(xiàn)一處穿孔，孔徑達(dá)到了13 mm。襯帶使用的是不銹鋼材質(zhì)，襯帶出現(xiàn)3處損壞現(xiàn)象，損壞部分的面積達(dá)到了132 cm2。葉輪組件的外部殼子下方出現(xiàn)了3處裂縫，裂縫的長度達(dá)到了57 cm，裂縫的寬度達(dá)到了5 mm,且外殼表面出現(xiàn)諸多裂紋。葉片之間的距離最大是3 cm，這種間隙的存在促使汽蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，導(dǎo)致葉片、葉輪的外部殼子表面呈現(xiàn)出蜂窩狀，所有的葉片都存在磨損現(xiàn)象，基本上表面已經(jīng)脫落，葉片的最大磨損深度已經(jīng)達(dá)到了5 mm。進(jìn)一步來看，由于葉片長時間受到磨損，加之汽蝕現(xiàn)象的影響，促使葉輪自身的平衡性喪失，這一系列的因素導(dǎo)致設(shè)備在實際運(yùn)行的過程中機(jī)組震動的幅度不斷增大，顯然在這種情況下軸承的磨損度越來越嚴(yán)重，根本無法保證設(shè)備運(yùn)行過程中的安全性。

2)水泵的出水量匱乏，設(shè)備的工作效率不斷下降。該設(shè)備自安裝以來已經(jīng)大修過多次，且設(shè)備的主要構(gòu)件從未更換過，每次檢修時只是簡單對部分損壞的組件進(jìn)行修復(fù)而已。水泵的組件損壞程度比較嚴(yán)重，水泵的性能根本無法達(dá)到設(shè)計要求，水泵的工作效率不斷降低。水泵建成的初期工作效率只有設(shè)計值的60%，在多年工作磨損的過程中，水泵的工作效率必然會進(jìn)一步降低。在2016年實測時發(fā)現(xiàn)，水泵的工作效率只有設(shè)計值的54%。

3)軸承磨損比較嚴(yán)重。水泵軸的表面已經(jīng)完全銹蝕，軸頸表面則呈現(xiàn)出不同程度的磨損，其中最大磨損深度達(dá)到了4 mm。軸承與導(dǎo)葉體之間相連的螺栓已經(jīng)開始出現(xiàn)磨損，且部分螺栓已經(jīng)脫落，軸承的底座完全損壞。

2.2 改造必要性

機(jī)械設(shè)備工作時間比較長且多年未修，無法保證設(shè)備自身的性能，電機(jī)與水泵的工作時間已經(jīng)超過了正常的使用壽命，但還處于工作狀態(tài)中；同時，部分泵站之前被洪水淹沒過，出現(xiàn)事故的可能性非常高，且一旦出現(xiàn)事故可能會造成嚴(yán)重的后果。當(dāng)前機(jī)房中所使用的設(shè)備基本上是市面上淘汰的產(chǎn)品，長時間未得到更換，最重要的是由于無人進(jìn)行保養(yǎng)，泵站內(nèi)存在大量淤泥，促使運(yùn)行效率受到一定的影響。

泵站自身的機(jī)組工作效率低下，水流量大幅度減少，而能源消耗規(guī)模大幅度提升，促使泵站的整體效益不如意。隨著泵站運(yùn)行的時間增長，機(jī)組的檢修次數(shù)與費(fèi)用也在不斷提高，但是設(shè)備大修的頻率卻不斷延長，促使泵站逐漸陷入到一個惡性循環(huán)中。所以，為了保障泵站能夠在未來繼續(xù)發(fā)揮出作用，促使地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需要對泵站內(nèi)的水力設(shè)備進(jìn)行改造。

換一個角度來看，泵站內(nèi)的水力設(shè)備屬于特殊時期遺留下來的產(chǎn)物，在20世紀(jì)60～70年代，機(jī)電灌溉產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，但是在后期階段，相關(guān)單位僅僅關(guān)注水力設(shè)備的安裝與建設(shè)，并對設(shè)備后期的維護(hù)并不是很重視，加之缺乏維護(hù)資金，導(dǎo)致現(xiàn)在泵站失去了存在的價值?，F(xiàn)階段泵站已經(jīng)老化，無法發(fā)揮出效能，無法滿足社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)一步需求，所以應(yīng)該盡快對泵站進(jìn)行改造。

通常情況下，一個泵站的正常安全使用期限應(yīng)該是20～25 a，設(shè)備質(zhì)量差的應(yīng)該在10～15 a。結(jié)合實際情況而言，當(dāng)前的泵站改造存在較大難度，需要投入大量的資金。此外，這些泵站建成至今已有50～60年，長期以來負(fù)重作業(yè)，工作年限過長。在經(jīng)過大半個世紀(jì)的時間，諸多泵站早已超過了設(shè)備的正常使用壽命。當(dāng)前，機(jī)房中大部分的設(shè)備基本上是市面上淘汰的產(chǎn)品，長時間未得到更換，最重要的是由于無人進(jìn)行保養(yǎng)，促使設(shè)備存在諸多安全隱患。泵站的工作效率逐年下降，耗能也明顯超過了管理標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營成本不斷提高，嚴(yán)重影響到泵站的正常運(yùn)行，導(dǎo)致泵房的效益無法體現(xiàn)出來。

3 水泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及部件材質(zhì)優(yōu)選

3.1 機(jī)組機(jī)型選擇

由于原本的泵房是一個水輪泵站，所以在實際改造的過程中應(yīng)該將水泵與水輪泵在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面進(jìn)行全面對比，選擇比較合適的進(jìn)行改造。

1)左邊泵房的灌溉設(shè)備的正常流量為0.52 m3/s，水輪泵的流量必須達(dá)到12.7 m3/s，電站的流量為3×12.7 m3/s，這部分流量的發(fā)電量為711.8萬kW·h；也就是說能節(jié)約20.1萬kW·h。然后分析右邊泵房，右邊泵房的灌溉設(shè)備正常流量為0.36 m3/s，水輪泵的流量必須達(dá)到6.99 m3/s，電站的流量為6.99 m3/s，這部分的流量發(fā)電量為125.9萬kW·h；也就是說能節(jié)約5.2萬kW·h。

2)不難發(fā)現(xiàn)，水輪泵改造的成本明顯低于水泵改造，進(jìn)一步來看，左邊泵房的節(jié)水發(fā)電收入可達(dá)到20.1萬元，右邊泵房的節(jié)水發(fā)電收入則是2.2萬元?；陂L久發(fā)展的角度，選擇左邊泵房的水泵與右邊泵房的水輪泵比較合適。

3)在泵房中裝置監(jiān)測系統(tǒng)，對機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，假若機(jī)組中的組件出現(xiàn)問題，監(jiān)測系統(tǒng)會在第一時間發(fā)出警報信號。

通過以上的介紹發(fā)現(xiàn)，應(yīng)做出如下選擇：左邊泵房的水泵與右邊泵房的水輪泵比較合適。

3.2 水泵的選擇

經(jīng)過多方面的考慮以后，右邊泵房的水輪泵選擇使用2臺DS100-8型號設(shè)備，左邊泵房的水泵使用3臺SOOS-98A離心泵與5臺3505-125 B離心泵。

1)左岸泵房的5OOS-98A明顯低于3505-125B的揚(yáng)程數(shù)值，但是工作效率更高。

2)左岸泵房的5OOS-98A的改造成本明顯低于3505-125B。

3)增強(qiáng)水泵的混凝土底座基礎(chǔ)，強(qiáng)化水泵基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。具體的改造效果可以參照圖1～2。

圖1 中座安裝于混凝土牛腿上(改造前)(單位：mm)

圖2 中座整圈安裝于混凝土基礎(chǔ)上(改造后)(單位：mm)

4)原設(shè)計是將葉輪的上下部進(jìn)行連接，但是這種連接方式在實際運(yùn)行過程中會導(dǎo)致組件松動，所以需要使用螺栓固定葉輪的上下部，避免水泵出現(xiàn)震動現(xiàn)象。

5)由于橫銷的支撐能力無法滿足實際工作的需求，所以使用螺栓將軸承與葉輪支座進(jìn)行連接，這樣設(shè)備在運(yùn)行的過程中能夠更加穩(wěn)固、安全。

3.3 閥門及接頭的選擇

為了降低后期檢修的難度，應(yīng)該在進(jìn)水管的上方加設(shè)一個斷流裝置，該裝置使用電動閥門。同時在水泵的出口安裝控制閥門，盡可能使用多功能閥門。結(jié)合水泵的出水口管徑，在水泵下方安裝一臺電動閥門，為了施工便捷，每一套水泵的進(jìn)出口裝置一個柔性接頭。水泵的進(jìn)水管裝置一個檢修維護(hù)閥門，每一個水泵的出水管均安裝球閥與檢修閥。

3.4 起重設(shè)備的選擇

由于水泵機(jī)組的最大起吊組件的重量控制在8 t以內(nèi)，為了方便后期施工，在左邊的泵房裝置1臺橋機(jī)與1臺電動葫蘆。右邊泵房只需要安裝1臺橋機(jī)即可。

3.5 廠內(nèi)排水系統(tǒng)

泵站內(nèi)專置一套排水系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)，選擇2臺潛水泵，一臺保持運(yùn)行，另一臺作為備用設(shè)備。

4 結(jié)束語

對泵站的水力設(shè)備進(jìn)行改造能夠提高泵站的運(yùn)行效率和運(yùn)行效益，降低泵站日常的開支與能源消耗，促使泵站的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益達(dá)到最大化。因此，對泵站的水力機(jī)械設(shè)備進(jìn)行改造非常值得推廣。

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