泗洪站投運10年運行管理思考

潘宇軒，杜 威，顧 問，許朝瑞

（南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司宿遷分公司，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

泗洪站位于宿遷市泗洪縣朱湖鎮(zhèn)東南的徐洪河上，是南水北調(diào)東線一期工程第四梯級泵站之一，主要功能是與睢寧站、邳州站一起，通過徐洪河向駱馬湖及以北輸水。泗洪站和徐洪河節(jié)制閘、泗洪船閘、排澇調(diào)節(jié)閘、利民河排澇閘等共同組成泗洪站樞紐工程。該站同時可為泗洪站與睢寧站之間生活、生產(chǎn)和航運補充水源，并可為泗洪縣沿利民河區(qū)域排澇。工程于2009 年11 月開工建設(shè)，2013年5月投入運行，2020年8月通過竣工驗收，工程投資6.19億元。

泗洪泵站采用堤身式塊基結(jié)構(gòu)，平直管進水、燈泡型出水流道，液壓快速閘門斷流。泵站安裝后置燈泡貫流泵5 臺套（含備機1 臺），泵站設(shè)計揚程3.23 m，水泵葉輪直徑3 050 mm，單機設(shè)計流量30.0 m3/s，額定轉(zhuǎn)速107.1 r/min。配套6 kV 同步電動機，單機功率2 000 kW，泵站總設(shè)計流量120 m3/s，總裝機容量10 000 kW。水泵采用變轉(zhuǎn)速工況調(diào)節(jié)方式，配備GENIII/E型高壓變頻器［1］。

2 工程設(shè)計

2.1 樞紐總體布置

泗洪站樞紐工程集調(diào)水、排澇、防洪、航運于一體，工程包括泵站、排澇調(diào)節(jié)閘、徐洪河節(jié)制閘、利民河排澇閘、船閘等建筑物，根據(jù)工程的功能并結(jié)合地形、地質(zhì)、水力條件，統(tǒng)籌交通、征遷、施工、管理、投資等經(jīng)濟技術(shù)要素，對樞紐工程進行總體布置?？尚行匝芯侩A段推薦船閘、泵站布置在徐洪河兩側(cè)，船閘與節(jié)制閘結(jié)合、泵站分建的布置方案［2］。初步設(shè)計階段通過技術(shù)經(jīng)濟比較，采用“船閘與節(jié)制閘部分結(jié)合（船閘閘室與節(jié)制閘上游引河間設(shè)隔堤）、泵站分建”的布置方案，解決了船閘不對稱受力和船閘抗浮穩(wěn)定等問題，降低了工程投資。

樞紐工程各建筑物采用節(jié)制閘、船閘及泵站引河平行布置的方式，排澇調(diào)節(jié)閘、節(jié)制閘和船閘下閘首布置在同一軸線上。泵站引河中心線與節(jié)制閘中心線距離235 m，泵站與排澇調(diào)節(jié)閘之間橫軸線相距350 m，排澇調(diào)節(jié)閘兼作清污機橋。利民河排澇引河通過利民河排澇閘接入泵站下游引河，距離排澇調(diào)節(jié)閘軸線100 m。船閘布置在徐洪河節(jié)制閘左側(cè)，船閘閘室與節(jié)制閘之間用隔堤分開，船閘上下游引航道與節(jié)制閘之間用混凝土導(dǎo)流墻分開，船閘下閘首與節(jié)制閘并列布置，船閘中心線與節(jié)制閘中心線相距102 m。管理設(shè)施布置在泵站與調(diào)節(jié)閘之間的中隔堤上，對外交通由徐洪河的右堤通過站上交通橋或下游排澇調(diào)節(jié)閘上交通橋進入站區(qū)，也可由徐洪河的左堤通過船閘下閘首交通橋進入站區(qū)。

2.2 水泵機組選型

可行性研究階段，推薦采用燈泡貫流泵方案。初步設(shè)計階段，在確定采用貫流泵方案的基礎(chǔ)上，針對泗洪站揚程變幅范圍大的特點，著重進行貫流泵的水力模型、燈泡體前后置、傳動方式等方面的分析論證［3］。

水力模型比選：根據(jù)“十一五”水利重大技術(shù)裝置燈泡貫流泵課題的研究成果，對揚州大學(xué)、江蘇大學(xué)研制成果以及藺家壩貫流泵采用的裝置試驗成果進行比選。在泗洪站特征揚程下，葉片角度均為0°時，3個水力模型的真機性能參數(shù)見表1。

表1 3個水力模型的真機性能參數(shù)

從表1 可知，江蘇大學(xué)開發(fā)的水力模型在調(diào)水平均揚程時效率相對較高，在設(shè)計揚程時能滿足設(shè)計流量，基本滿足泗洪站調(diào)水平均揚程低、最大揚程高的運行要求，確定采用江蘇大學(xué)的貫流泵水力模型［4］。

2.2.1 燈泡體前后置比選

初步設(shè)計階段對燈泡體前置、后置方案的站身布置作了比較，在站身長度保持33.5 m不變的前提下，前置方案出水流道的當(dāng)量擴散角為11.64°，而后置方案為8.74°。若出水流道都采用8.74°當(dāng)量擴散角，則前置方案的站身長度約39 m。綜合分析各方面的研究成果、站身結(jié)構(gòu)布置等因素，確定采用燈泡體后置布置方案。

2.2.2 傳動方式比選

初步設(shè)計階段推薦采用齒輪箱傳動方式，工程實施階段對齒輪箱傳動、水泵與電機直聯(lián)進行了比較。齒輪箱方式可以提高電機轉(zhuǎn)速，減小電機尺寸，但也存在齒輪箱噪聲大、傳動效率低、設(shè)備多等問題。采用同轉(zhuǎn)速電機直聯(lián)，傳動效率高、設(shè)備少，但電機轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)尺寸大、造價高。經(jīng)對機組結(jié)構(gòu)進行分析并綜合比較，最終取消齒輪箱改為直聯(lián)方式。

2.3 水泵工況調(diào)節(jié)

泗洪站設(shè)計揚程3.23 m，最低揚程0 m，最大揚程4.73 m，平均揚程1.6 m，運行揚程跨度從0 m 到4.73 m，為盡可能提高運行工況的水泵效率，需要對水泵運行工況進行調(diào)節(jié)。通常水泵調(diào)節(jié)方式有葉片角度調(diào)節(jié)和水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。葉片調(diào)節(jié)方式的適用范圍小，難以適應(yīng)泗洪站運行水位變幅大的要求。水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)具有調(diào)節(jié)范圍廣的優(yōu)點，如利用變頻調(diào)速可以實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，同時可以在額定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速之間切換，變頻調(diào)速是近代水泵及風(fēng)機調(diào)節(jié)的發(fā)展趨勢。針對泗洪站運行工況，借鑒淮陰三站采用變頻調(diào)速的經(jīng)驗，經(jīng)綜合比選采用變頻調(diào)速方式。

3 工程管理

3.1 技術(shù)管理

2017年率先在泗洪站試點泵站標(biāo)準(zhǔn)化管理，從管理組織、管理制度、管理表單、管理流程、管理條件、管理標(biāo)識、管理行為、管理要求、管理信息、管理安全等10個方面提檔升級，泵站規(guī)范化、精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理進步和成效顯著，打造工程管理新標(biāo)桿［5］。2021 年，泗洪站被授予一級安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化達標(biāo)單位并通過江蘇省二級達標(biāo)創(chuàng)建考核，2023年通過江蘇省一級精細(xì)化工程驗收。

近年來，泗洪站重視技術(shù)創(chuàng)新，開展了雙水源自動切換、循環(huán)冷卻水自動補水等“五小”創(chuàng)新改造項目?！耙环N貫流泵冷卻系統(tǒng)控制裝置”“一種防止水尺污染的水位檢測裝置”“一種水閘鋼絲繩除銹保養(yǎng)裝置”“一種泵站水壓警示裝置”“一種水草及漂浮物打撈收集裝置”“一種貫流泵展示臺”等研究成果先后獲實用新型專利，“泗洪泵站運行值班平臺”取得計算機軟件著作權(quán)登記證書。

3.2 技術(shù)改造

3.2.1 液壓閘門開度儀改造

泗洪站液壓工作門及事故門原采用靜磁柵開度儀，因開度儀構(gòu)件腐蝕，內(nèi)部電路板經(jīng)常因進水損壞，維修成本較高。2017 年，將靜磁柵開度儀更換為碼盤式，故障率明顯下降。

3.2.2 檢修門堵漏方式改造

泗洪站下游側(cè)配2 扇檢修閘門，機組水下檢查或檢修時，用吊車將檢修閘門吊入檢修門槽。以往檢修閘門堵漏采用潛水員重裝潛水，能否成功堵漏存在不確定性，而且費用較高。2021 年，對檢修閘門進行改造，安裝閘門平移裝置，在檢修閘門的4個角安裝液壓千斤頂，采用快速接頭、油壓分配閥、高壓油管與移動液壓站連接，通過液壓平移檢修閘門的方式，使閘門止水與門槽緊密結(jié)合，安全、高效地解決止水難問題，大大縮減排水時間，達到省錢、省時、省力的效果［6］。

3.2.3 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)自動控制改造

泗洪站貫流泵機組循環(huán)冷卻水系統(tǒng)原來依靠巡視期間人工補水，使冷卻水系統(tǒng)壓力維持在合理范圍內(nèi)。2020 年，開展了自動補水控制改造，將供水母管上壓力傳感器4～20 mA 電流量提供給智能控制器。根據(jù)電流量轉(zhuǎn)換為壓力值，通過壓力變化控制自動補水閥及泄壓閥的動作，同時消除臨界值時各閘閥頻繁動作的情況，維持母管壓力穩(wěn)定，保障冷卻循環(huán)水的供水壓力穩(wěn)定性和可靠性［7］。該項改造被水利部科技推廣中心列入2022 年度水利先進實用技術(shù)重點推廣指導(dǎo)目錄。

3.2.4 自動化系統(tǒng)升級改造

2021 年，對自動化系統(tǒng)進行升級改造，主要包括視頻監(jiān)視系統(tǒng)軟硬件整體更換，計算機監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、PLC設(shè)備等硬件模塊更換，更新升級了計算機監(jiān)控系統(tǒng)控制軟件并增加了聲光報警功能，上下游水文亭增設(shè)了浮子式水位計，主廠房實現(xiàn)了全域無線覆蓋。新投運的自動化系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了工程運行重要數(shù)據(jù)的實時采集、上傳及重要設(shè)備全時段監(jiān)視。

3.3 工程效益

泗洪站自2013 年投入運行以來，截至2023 年上半年，累計開機846 d，運行65 279 臺時，抽水61.01億m3，參與地方排澇2次。泗洪站歷年運行情況見表2。

表2 泗洪站歷年運行情況

4 工程特點

4.1 機組運行調(diào)節(jié)性能強

泗洪站下游為徐洪河河口，下接洪澤湖，水位變幅3 m 左右，合適的機組調(diào)節(jié)方式對泵站的效率影響較大。在總結(jié)葉片角度調(diào)節(jié)、水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，泗洪站采用電源變頻、不變電壓的方案，增設(shè)工頻、變頻切換配電設(shè)備。機組按照不同的設(shè)計揚程，在工頻和變頻運行之間實現(xiàn)自動無擾切換，可在0～120%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，有效提高了水泵裝置在各種工況運行的效率。同時，機組實現(xiàn)軟起動和平穩(wěn)停機，確保機組啟停過程的平穩(wěn)安全［8］。

4.2 機組結(jié)構(gòu)減振技術(shù)優(yōu)

燈泡體貫流泵殼體支承形式通常采用地腳螺栓與混凝土基礎(chǔ)連接，由于流道斷面變化復(fù)雜，流道內(nèi)水流呈紊流狀態(tài)，流道斷面的突然擴大引起負(fù)壓，在淹沒深度較低工況下，會產(chǎn)生氣蝕振動。加之水泵機組安裝難免會產(chǎn)生一些尺寸誤差，這些因素可能導(dǎo)致水泵機組運行時產(chǎn)生振動現(xiàn)象，若振動頻率與混凝土基礎(chǔ)接近，振動現(xiàn)象就會加劇，影響機組安全運行。機組的振動會導(dǎo)致連接部位松動，傳動部位磨損加劇引起水泵漏水，縮短大修時間，減少使用壽命。為此，創(chuàng)新采用大型燈泡體貫流泵柔性支承技術(shù)，該減振支承由定位支座、拉桿、撐桿、填料組成。水泵采用間隔布置的拉桿、撐桿與混凝土基礎(chǔ)連接，并通過填料與混凝土基礎(chǔ)連成整體，有效避免輕微振動引起水泵機組固定連接部位產(chǎn)生松動、移位現(xiàn)象。

4.3 水泵整體空化性能好

泗洪站水泵轉(zhuǎn)速107.1 r/min，葉輪直徑3 050 mm，泵站下游設(shè)計水位11.27 m，葉輪有效淹沒深度3.9 m。水泵性能參數(shù)nD值為南水北調(diào)東線泵站中較低，當(dāng)實際運行水位低于設(shè)計水位時，可以通過變頻調(diào)節(jié)來降低水泵運行轉(zhuǎn)速，nD值將更低。泗洪站合適的淹沒深度和較低nD值，大大提高了水泵空化性能，保證了水泵具有較好的運行穩(wěn)定性［9］。至2023年上半年已運行65 279臺時，調(diào)水61.01億m3。單臺機組平均運行均超10 000 h，運行10 年才開展機組大修，目前仍運行穩(wěn)定。

5 分析思考

5.1 充分發(fā)揮機組變頻調(diào)節(jié)作用

泵站機組采用變頻調(diào)節(jié)，具有工況切換快、機組啟動對電機損傷小、工況調(diào)節(jié)范圍廣等特點。近年來，泵站管理單位已積累了大量的運行數(shù)據(jù)，提出了一些最優(yōu)運行方式，如在平均揚程以下調(diào)水時，轉(zhuǎn)速74.9～85.6 r/min（相應(yīng)頻率在35～40 Hz）時機組的效率較高，機組效率可達70%。下階段，應(yīng)繼續(xù)開展泵站優(yōu)化運行研究，以泵站單日能耗最小或泵站效率最高為目標(biāo)函數(shù)，建立多臺機組工頻、變頻聯(lián)合運行數(shù)學(xué)模型，并將模型植入自動控制系統(tǒng)中，以充分發(fā)揮變頻調(diào)節(jié)的作用［10］。

5.2 深入開展減級優(yōu)化運行研究

為提高梯級調(diào)水效率，減少運行費用，泗洪站曾開展減級優(yōu)化運行研究，即當(dāng)洪澤湖水位達到13.5 m時，不開啟泗洪站，打開徐洪河節(jié)制閘，睢寧站直接抽水運行，但因睢寧站葉輪中心偏高且河道水力比降較大，未能實現(xiàn)長時間運行。為進一步研究減級運行的可能性，可以利用泗洪站至睢寧站之間河道的槽蓄量，以及泗洪站調(diào)節(jié)功能強的優(yōu)勢，進一步開展利用河道“快速充水、斷續(xù)減級”的運行［11］。同時也可以利用電網(wǎng)峰谷電價差，開展經(jīng)濟運行研究。

5.3 積極探討貫流機組在線監(jiān)測

對于低揚程泵站，貫流機組具有效率高的顯著特點，但貫流式機組安裝在密閉空間中，存在著可觀察性差、巡視難度大的缺點。目前缺少機組在線監(jiān)測系統(tǒng)，機組振動、擺度、噪聲等數(shù)據(jù)尚未得到有效采集，難以判斷機組的安全運行狀態(tài)，也不利于后續(xù)的設(shè)備維修。為適應(yīng)泵站現(xiàn)代化管理要求，需研究貫流式機組在線測量傳感器數(shù)量的設(shè)置、安裝位置，規(guī)范貫流機組監(jiān)測內(nèi)容，引進智能分析系統(tǒng)，建立預(yù)報、預(yù)警的數(shù)學(xué)模型，從而進一步提高機組在線監(jiān)測能力［12］。