張 鑫

(中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 301700)

1 工程概況

某泵站站點(diǎn)的上部流域面積達(dá)到了9 237 km2，整個(gè)泵站由左右兩個(gè)機(jī)房共同組成，設(shè)計(jì)安裝8組水輪泵，每組裝置2臺(tái)，每2臺(tái)設(shè)備進(jìn)行串聯(lián)工作；左邊機(jī)房安裝12臺(tái)水輪泵，右邊機(jī)房安裝4臺(tái)水輪泵。泵站設(shè)計(jì)的預(yù)期灌溉面積為2.588 7萬(wàn)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(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求，當(dāng)前泵房的實(shí)際設(shè)備容量為1 720 kW，左邊機(jī)房?jī)H安裝4組設(shè)備，右邊機(jī)房則安裝了1組設(shè)備，只能滿(mǎn)足0.441 5萬(wàn)畝(1畝≈666.67 m2)面積的灌溉需求。

2 存在的問(wèn)題及改造必要性

2.1 存在問(wèn)題

泵站運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)，已經(jīng)超出了20年，設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中震動(dòng)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(lái)越高，促使機(jī)組的正常壽命不斷縮短，無(wú)法在最大程度上發(fā)揮出實(shí)際效能。其中，主水泵所暴露出來(lái)的問(wèn)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(zhǎng)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(lái)看，由于葉片長(zhǎng)時(shí)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(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中機(jī)組震動(dòng)的幅度不斷增大，顯然在這種情況下軸承的磨損度越來(lái)越嚴(yán)重，根本無(wú)法保證設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(lái)已經(jīng)大修過(guò)多次，且設(shè)備的主要構(gòu)件從未更換過(guò)，每次檢修時(shí)只是簡(jiǎn)單對(duì)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(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)值的60%，在多年工作磨損的過(guò)程中，水泵的工作效率必然會(huì)進(jìn)一步降低。在2016年實(shí)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，水泵的工作效率只有設(shè)計(jì)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(kāi)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(shí)間比較長(zhǎng)且多年未修，無(wú)法保證設(shè)備自身的性能，電機(jī)與水泵的工作時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了正常的使用壽命，但還處于工作狀態(tài)中；同時(shí)，部分泵站之前被洪水淹沒(méi)過(guò)，出現(xiàn)事故的可能性非常高，且一旦出現(xiàn)事故可能會(huì)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(zhǎng)時(shí)間未得到更換，最重要的是由于無(wú)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(shí)間增長(zhǎng)，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(zhǎng)，促使泵站逐漸陷入到一個(gè)惡性循環(huán)中。所以，為了保障泵站能夠在未來(lái)繼續(xù)發(fā)揮出作用，促使地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，需要對(duì)泵站內(nèi)的水力設(shè)備進(jìn)行改造。

換一個(gè)角度來(lái)看，泵站內(nèi)的水力設(shè)備屬于特殊時(shí)期遺留下來(lái)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(duì)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(jià)值。現(xiàn)階段泵站已經(jīng)老化，無(wú)法發(fā)揮出效能，無(wú)法滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的進(jìn)一步需求，所以應(yīng)該盡快對(duì)泵站進(jìn)行改造。

通常情況下，一個(gè)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(shí)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(zhǎng)期以來(lái)負(fù)重作業(yè)，工作年限過(guò)長(zhǎng)。在經(jīng)過(guò)大半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，諸多泵站早已超過(guò)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(zhǎng)時(shí)間未得到更換，最重要的是由于無(wú)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(guò)了管理標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)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(wú)法體現(xiàn)出來(lái)。

3 水泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)水輪泵站，所以在實(shí)際改造的過(guò)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(duì)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(wàn)kW·h；也就是說(shuō)能節(jié)約20.1萬(wàn)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(wàn)kW·h；也就是說(shuō)能節(jié)約5.2萬(wàn)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(lái)看，左邊泵房的節(jié)水發(fā)電收入可達(dá)到20.1萬(wàn)元，右邊泵房的節(jié)水發(fā)電收入則是2.2萬(wàn)元?；陂L(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，假若機(jī)組中的組件出現(xiàn)問(wèn)題，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

通過(guò)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(guò)多方面的考慮以后，右邊泵房的水輪泵選擇使用2臺(tái)DS100-8型號(hào)設(shè)備，左邊泵房的水泵使用3臺(tái)SOOS-98A離心泵與5臺(tái)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?qǐng)D1～2。

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(jì)是將葉輪的上下部進(jìn)行連接，但是這種連接方式在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致組件松動(dòng)，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(dòng)現(xiàn)象。

5)由于橫銷(xiāo)的支撐能力無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)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(guò)程中能夠更加穩(wěn)固、安全。

3.3 閥門(mén)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(gè)斷流裝置，該裝置使用電動(dòng)閥門(mén)。同時(shí)在水泵的出口安裝控制閥門(mén)，盡可能使用多功能閥門(mén)。結(jié)合水泵的出水口管徑，在水泵下方安裝一臺(tái)電動(dòng)閥門(mén)，為了施工便捷，每一套水泵的進(jìn)出口裝置一個(gè)柔性接頭。水泵的進(jìn)水管裝置一個(gè)檢修維護(hù)閥門(mén)，每一個(gè)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?xún)?nèi)，為了方便后期施工，在左邊的泵房裝置1臺(tái)橋機(jī)與1臺(tái)電動(dòng)葫蘆。右邊泵房只需要安裝1臺(tái)橋機(jī)即可。

3.5 廠內(nèi)排水系統(tǒng)

泵站內(nèi)專(zhuān)置一套排水系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，選擇2臺(tái)潛水泵，一臺(tái)保持運(yùn)行，另一臺(tái)作為備用設(shè)備。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)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(kāi)支與能源消耗，促使泵站的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益達(dá)到最大化。因此，對(duì)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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