皂河站主機(jī)組更新改造探析

吳良宇，仝 超，徐川江

（江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

江蘇省皂河抽水站（以下簡(jiǎn)稱皂河站）位于江蘇省宿遷市，是江蘇江水北調(diào)第六梯級(jí)泵站，也是南水北調(diào)東線工程的第六梯級(jí)泵站，工程1978年11月開工興建，1987年3月通過驗(yàn)收。皂河站安裝2臺(tái)6HL-70立式全調(diào)節(jié)混流泵，主泵葉輪直徑5700 mm，單機(jī)流量為100 m3/s，是亞洲單機(jī)流量最大的混流式泵站，被稱為“亞洲第一泵”，配套電機(jī)型號(hào)TL7000-80/7400，總裝機(jī)容量14000 kW。站身采用半堤身式塊基結(jié)構(gòu)，鐘形進(jìn)水流道，雙螺旋蝸殼式出水室，平直管出水流道，采用快速閘門斷流。

2 改造緣由

皂河站經(jīng)過多年運(yùn)行，主機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)各類問題。

2.1 主電機(jī)

（1）絕緣老化嚴(yán)重，威脅安全運(yùn)行。整相繞組電流增加率A、B相分別大于標(biāo)準(zhǔn)10.08%和27.25%；三相繞組的電容增加率A、B相分別大于標(biāo)準(zhǔn)43.75%和25.38%，整相繞組的tgδ值不符合要求。

（2）內(nèi)冷卻器為銅管冷卻器，出現(xiàn)一定程度的氧化銹蝕，銅管壁厚大部分變薄，已不足原壁厚的70%～80%。

（3）上下油缸等部位的測(cè)溫元件失靈，對(duì)電機(jī)安全運(yùn)行造成極大隱患。

（4）集電環(huán)表面產(chǎn)生凹凸不平的溝槽，碳刷磨損嚴(yán)重。

2.2 主水泵

（1）長(zhǎng)期處于非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。水泵初始設(shè)計(jì)揚(yáng)程6 m，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，實(shí)際運(yùn)行凈揚(yáng)程多在3.5～4.5 m之間（見圖1），遠(yuǎn)低于泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程，造成水泵長(zhǎng)期處于低效區(qū)運(yùn)行。當(dāng)實(shí)際揚(yáng)程小于泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，水泵在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，會(huì)使葉片入口沖角加大，在葉片正面進(jìn)口邊產(chǎn)生脫流與漩渦。在這種情況下，由于流量的增加使泵的空蝕余量加大，裝置空蝕余量減小，加速了葉片正面的汽蝕破壞。

圖1 水位時(shí)間曲線

（2）裝置效率下降。自1988年投入運(yùn)行以來，由于長(zhǎng)期偏工況運(yùn)行及不時(shí)的雜物堵塞形成空吸，水流挾氣，汽蝕嚴(yán)重。水泵性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，流量減少，功率上升，裝置效率嚴(yán)重下降。根據(jù)圖2，皂河抽水站的效率呈逐年下降的趨勢(shì)。1988～1990年平均效率約為65%，2002～2003年平均效率為51%，下降了14個(gè)百分點(diǎn)。已達(dá)不到原設(shè)計(jì)工程效益，低于規(guī)程中規(guī)定≥60%的要求。水泵在葉片角度-3°時(shí)多年平均實(shí)測(cè)流量為83.7 m3/s，與設(shè)計(jì)流量相差13.2%。

圖2 泵站效率時(shí)間曲線

（3）泵葉片、轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉等過流部件的空蝕嚴(yán)重，主泵經(jīng)長(zhǎng)期水流、泥沙沖刷及汽蝕的破壞，葉片正面進(jìn)水側(cè)形成一條寬300 mm、深25～40 mm的汽蝕帶，平均每片葉片進(jìn)口邊一側(cè)汽蝕面積4140 cm2，占葉片正面總面積的9.52%，汽蝕蝕坑深度一般為8～12 mm，最深的蝕坑已達(dá)16 mm以上，在汽蝕區(qū)與葉片之間已經(jīng)形成一明顯的弧形臺(tái)階，葉片進(jìn)口邊的厚度已不足30 mm，汽蝕已達(dá)到Ⅳ級(jí)，屬嚴(yán)重汽蝕侵蝕。轉(zhuǎn)輪室表面可見連綿不斷的銹蝕蝕泡，蝕泡直徑不等，平均密度在50 cm×50 cm內(nèi)有30～40個(gè)，點(diǎn)蝕坑直徑10～20 mm，蝕坑深度8～15 mm，銹蝕面積達(dá)25%以上，由于點(diǎn)蝕坑的形成，加劇了銹蝕的發(fā)展。由于長(zhǎng)期磨損、葉片汽蝕以及葉型變化，致使葉輪失去平衡，加速了軸頸及軸承的磨損，加之機(jī)組長(zhǎng)期在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，致使運(yùn)行中機(jī)組振動(dòng)加劇和噪聲增大。

（4）葉片間隙超標(biāo)。表1是2號(hào)泵葉片與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁間隙數(shù)據(jù)，葉片平均間隙達(dá)到5.39 mm，超過規(guī)定間隙34.75%。

（5）葉調(diào)機(jī)構(gòu)問題。葉片調(diào)節(jié)操作機(jī)構(gòu)采用刮板式油缸，因原有油缸內(nèi)壁不圓及密封結(jié)構(gòu)不完善等問題，2＃泵葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)漏油狀況逐漸惡化，從測(cè)試結(jié)果看，平均泄漏量每年遞增5.21 L/min。2001年平均泄漏量已達(dá)到70 L/min，超過標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定允許泄漏量（經(jīng)換算為38.4 L/min）達(dá)82.3%。而水泵運(yùn)行揚(yáng)程一般在3.5～4.5 m之間，遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)揚(yáng)程6 m，所以在設(shè)計(jì)工況下油缸泄漏量要比上述數(shù)值大得多。調(diào)節(jié)不到位，葉片設(shè)計(jì)可在+2°～-18°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，但由于葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原因，在正常葉片調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，葉片角度無法調(diào)整到位，最大只能調(diào)到-2°運(yùn)行。葉片長(zhǎng)期在負(fù)角度下運(yùn)行，在葉片正面進(jìn)口邊形成沖擊旋渦，這在一定程度上加劇了葉片進(jìn)口邊的汽蝕破壞。主泵受油器及葉片調(diào)節(jié)器內(nèi)各種絕緣墊片均已損壞，油壓只能調(diào)到2.1 MPa（額定為2.5 MPa），在調(diào)節(jié)過程中油泵噪聲高達(dá)98dB，且伴隨劇烈振動(dòng)。

（6）葉輪頭漏油。檢查時(shí)可見葉片根部上部有10 cm長(zhǎng)左右的滲油帶，下部有20 cm左右的漏油帶，漏油量達(dá)15～20滴/min。根據(jù)貯能罐回油箱每年添加2～2.5 t透平油判斷，葉輪頭漏油較嚴(yán)重。

表1 皂河站2號(hào)水泵葉片間隙數(shù)據(jù)

（7）頂蓋漏水量大，排水頻繁。原因之一是動(dòng)靜環(huán)磨損嚴(yán)重造成水泵運(yùn)行時(shí)水封效果不理想，原因之二是大軸水下部分銹蝕嚴(yán)重（軸頸部位已呈現(xiàn)明顯溝痕，磨損深度大于0.60 mm），且空氣圍帶老化致使水泵停運(yùn)時(shí)空氣圍帶止水效果不好。

（8）由于無清污設(shè)施，下游攔污柵又時(shí)常遭雜物堵塞，造成柵前后水位差高達(dá)1.5～3.0 m，以正常運(yùn)行水位▽18.5～19.5 m計(jì)，柵后水位最低時(shí)僅有▽15.5～16.2 m，低于葉輪中心高程▽16.5 m，葉輪中心淹沒深度大大減少，造成泵裝置汽蝕余量下降，加劇了汽蝕的發(fā)生和發(fā)展。

3 更新改造內(nèi)容

針對(duì)主電機(jī)和主水泵存在的問題，根據(jù)大型泵站技術(shù)改造原則和對(duì)策[2]，2010年開始對(duì)主機(jī)組進(jìn)行更新改造，2012年改造完成。

3.1 主電機(jī)更新改造

（1）主電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換。定轉(zhuǎn)子線圈實(shí)行工廠制造，嚴(yán)格按預(yù)先制定的方案和流程現(xiàn)場(chǎng)更換和絕緣處理[3]。難點(diǎn)是做好定子線圈更換施工現(xiàn)場(chǎng)防塵和保溫，搭設(shè)防塵棚和施工平臺(tái)，線圈烘干時(shí)密切關(guān)注溫度變化。

（2）冷卻器銅管更換和其它缺陷部件維修。

3.2 主水泵更新改造

（1）設(shè)計(jì)揚(yáng)程優(yōu)化。1975年駱馬湖整治工程補(bǔ)水項(xiàng)目規(guī)劃確定皂河站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為6 m，根據(jù)歷年抽水運(yùn)行資料分析站上多年平均水位21.85 m，站下多年平均水位18.41 m，現(xiàn)狀平均凈揚(yáng)程為3.58 m。與規(guī)劃揚(yáng)程比較，現(xiàn)狀多年運(yùn)行平均揚(yáng)程偏低。

根據(jù)最新的規(guī)劃和初設(shè)[4-5]，確定皂河站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為4.78 m，最大揚(yáng)程為5.80 m，最小揚(yáng)程為1.26 m，平均揚(yáng)程為4.68 m。

（2）水泵模型比選。皂河站的蝸殼式導(dǎo)葉混流泵所采用的轉(zhuǎn)輪模型限于當(dāng)時(shí)我國(guó)的研究水平等原因，采用20ZLB-70型軸流泵轉(zhuǎn)輪經(jīng)改造后而成。通過葉片出口的扭曲和轉(zhuǎn)輪出口導(dǎo)流錐的導(dǎo)向及導(dǎo)葉的作用使水流從軸向變成水平徑向出流，軸流泵葉片作為混流泵使用，在一定程度上影響了泵的效率。

根據(jù)3組葉輪模型裝置的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選最適合的水力模型（HB55模型）。確保改造后水泵在只更換葉片的前提下，水泵性能參數(shù)滿足要求，保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，并盡量提高水泵機(jī)組的運(yùn)行效率。

表2是20ZLB-70模型和HB55模型在平均揚(yáng)程和設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)主要參數(shù)對(duì)比表，從中可以看出，HB55模型比20ZLB-70模型在同一葉片角度時(shí)不僅流量大而且效率也高，在-2°和-4°時(shí)表現(xiàn)尤其明顯。根據(jù)模型試驗(yàn)研究報(bào)告，20ZLB-70模型最高效率68.18%，對(duì)應(yīng)的葉片角度為-4°，揚(yáng)程6.68 m，原型流量74.94 m3/s；HB55模型最高效率71.45%，葉片角度-4°，揚(yáng)程6.26 m，原型流量75.8 m3/s。

（3）水泵葉片更換。按照對(duì)比試驗(yàn)優(yōu)選的模型葉片設(shè)計(jì)實(shí)型泵葉片，新葉片的柄部結(jié)構(gòu)和尺寸與原葉片一致，葉片輪轂比與原葉片相同。確保改造后水泵的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心直徑為5700 m（球徑6580 mm），設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為75 r/min，水泵設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程4.78 m，單機(jī)設(shè)計(jì)流量100 m3/s，葉片調(diào)節(jié)角度范圍為0°～-18°。新葉片與原葉片相比進(jìn)行了以下優(yōu)化。

葉型：取消葉片重疊部分設(shè)計(jì)，減少葉片背面水流沖擊造成氣蝕的可能性。

表2 2個(gè)水泵模型主要性能參數(shù)

材料：新葉片采用ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼單片整鑄，具有比原鑄鋼葉片抗汽蝕性能更好、抗銹蝕能力更強(qiáng)、可焊性更好等特點(diǎn)。

重量：水泵葉片單件重量近7.25 t，4只葉片重量比原水泵葉片減輕約3 t。

工藝：葉片型面采用五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工，并用激光測(cè)量?jī)x檢測(cè)型面坐標(biāo)，型面的幾何形狀和表面精度得以充分保證，比之前的加工工藝有很大提高。

（4）油缸的改造。將橫向密封條、軸向密封條、固定葉密封條、密封環(huán)下面的橡膠墊條和橡膠環(huán)，用相同尺寸的鋼件置換，彈簧裝配在槽底部，大大增強(qiáng)了彈簧的浮力。更換上述零件上面的各橡膠密封條，并在上述零件兩側(cè)增開密封槽，嵌入密封膠條，防止各密封槽側(cè)面的泄漏。

（5）修復(fù)輪轂體。對(duì)輪轂體的外表面進(jìn)行機(jī)加工處理，除銹處理，表面的缺陷進(jìn)行焊補(bǔ)，輪轂體過流部分保證與試驗(yàn)用的模型泵相似。輪轂體外球面與葉片內(nèi)球面間隙均勻，最大正角度時(shí)非球面部分間隙控制在1～2 mm，保證葉片轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，在整個(gè)調(diào)節(jié)角度范圍內(nèi)不產(chǎn)生干涉、卡阻現(xiàn)象。并對(duì)輪轂體做靜平衡試驗(yàn)（參加葉輪靜平衡試驗(yàn)的主要部件有葉片、轉(zhuǎn)輪體、撥叉等，重約85 t），葉輪體輪轂上口外圓單位不平衡重量為0.7 kg＜允許不平衡重量（21.7 kg），滿足規(guī)程要求。

（6）泵軸的修復(fù)。對(duì)泵軸密封（空氣圍帶）部位的軸頸堆焊不銹鋼層，用堆焊的方法大大提高軸檔的表面硬度，提高其耐磨性及抗銹蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

（7）其他。機(jī)械密封動(dòng)靜環(huán)維修、空氣圍帶更新和水導(dǎo)軸承維修等，在原攔污柵前100 m處增加一道攔污柵，并配置清污機(jī)，重新制作流道進(jìn)水口處攔污柵，減少因雜物涌堵造成水位差過大而使水泵發(fā)生汽蝕。

4 改造效果

4.1 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

表3是主電機(jī)改造前后技術(shù)參數(shù)對(duì)照表，從中可以看出無論是電氣參數(shù)還是機(jī)械參數(shù)都有明顯改善。

表3 主電機(jī)更新前后技術(shù)參數(shù)表

4.2 水泵刮板式油缸油壓試驗(yàn)及葉片動(dòng)作試驗(yàn)

油壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)葉片軸密封、下蓋與輪轂體之間密封、油缸與輪轂體之間密封、調(diào)節(jié)桿與油缸之間密封的可靠性等，2#泵油缸試驗(yàn)狀態(tài)為無負(fù)載工況、高壓腔2.5 MPa，葉片負(fù)角度轉(zhuǎn)向時(shí)內(nèi)泄漏27 L/min，葉片正角度向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)泄漏為23 L/min，外泄漏1～3 L/min。葉輪體裝配完成后葉片轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)正常，未產(chǎn)生干涉、卡阻現(xiàn)象。

4.3 試運(yùn)行情況

2011年5月完成2＃機(jī)組改造，2012年5月完成1＃機(jī)組改造，并分別按規(guī)程進(jìn)行試運(yùn)行，結(jié)果見表4，可以看出機(jī)組效率在66.4%以上，平均效率為70.2%。

表4 水泵試運(yùn)行記錄

機(jī)組水平振動(dòng)為5～9 μm，垂直振動(dòng)為6～8 μm，水泵下導(dǎo)擺度為0.100 mm（≤0.350 mm）。

4.4 近幾年機(jī)組運(yùn)行情況

根據(jù)2013～2017年運(yùn)行情況，1＃機(jī)組累計(jì)運(yùn)行9481臺(tái)時(shí)，2＃機(jī)組累計(jì)運(yùn)行6014.3臺(tái)時(shí)，累計(jì)抽水量38.54億m3，平均流量69.09 m3/s，揚(yáng)程為3.50 m～4.82 m，平均揚(yáng)程4.29 m，效率達(dá)62%～74%，比改造前提高10%以上，具體特征值見表5。

表5 2013～2017年機(jī)組運(yùn)行特征值

5 結(jié)語

由于皂河站水泵是亞洲單泵流量最大的混流泵，經(jīng)過多年的運(yùn)行，電機(jī)和水泵存在很多問題，尤其是水泵葉片汽蝕和轉(zhuǎn)葉油缸的問題，利用難得的改造機(jī)會(huì)，對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)更換，徹底解決絕緣老化問題，優(yōu)化水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程，選擇更適于混流泵的轉(zhuǎn)輪模型，將水泵葉片更換為不銹鋼材質(zhì)，并對(duì)轉(zhuǎn)葉油缸進(jìn)行改造和優(yōu)化，同時(shí)也對(duì)水泵其它部件進(jìn)行改造和優(yōu)化。經(jīng)過更新改造，主機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，葉片調(diào)節(jié)可靠，未發(fā)現(xiàn)葉輪頭滲漏油，故皂河站主機(jī)組的更新改造是成功的，達(dá)到預(yù)期效果。