吳良宇，仝 超，徐川江

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

江蘇省皂河抽水站（以下簡稱皂河站）位于江蘇省宿遷市，是江蘇江水北調(diào)第六梯級泵站，也是南水北調(diào)東線工程的第六梯級泵站，工程1978年11月開工興建，1987年3月通過驗收。皂河站安裝2臺6HL-70立式全調(diào)節(jié)混流泵，主泵葉輪直徑5700 mm，單機流量為100 m3/s，是亞洲單機流量最大的混流式泵站，被稱為“亞洲第一泵”，配套電機型號TL7000-80/7400，總裝機容量14000 kW。站身采用半堤身式塊基結(jié)構(gòu)，鐘形進水流道，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)過多年運行，主機組陸續(xù)出現(xiàn)各類問題。

2.1 主電機

（1）絕緣老化嚴重，威脅安全運行。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溫元件失靈，對電機安全運行造成極大隱患。

（4）集電環(huán)表面產(chǎn)生凹凸不平的溝槽，碳刷磨損嚴重。

2.2 主水泵

（1）長期處于非設(shè)計工況運行。水泵初始設(shè)計揚程6 m，根據(jù)統(tǒng)計資料分析，實際運行凈揚程多在3.5～4.5 m之間（見圖1），遠低于泵設(shè)計揚程，造成水泵長期處于低效區(qū)運行。當(dāng)實際揚程小于泵的設(shè)計揚程，水泵在偏離設(shè)計工況下運行時，會使葉片入口沖角加大，在葉片正面進口邊產(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 水位時間曲線

（2）裝置效率下降。自1988年投入運行以來，由于長期偏工況運行及不時的雜物堵塞形成空吸，水流挾氣，汽蝕嚴重。水泵性能達不到設(shè)計要求，流量減少，功率上升，裝置效率嚴重下降。根據(jù)圖2，皂河抽水站的效率呈逐年下降的趨勢。1988～1990年平均效率約為65%，2002～2003年平均效率為51%，下降了14個百分點。已達不到原設(shè)計工程效益，低于規(guī)程中規(guī)定≥60%的要求。水泵在葉片角度-3°時多年平均實測流量為83.7 m3/s，與設(shè)計流量相差13.2%。

圖2 泵站效率時間曲線

（3）泵葉片、轉(zhuǎn)輪室、導(dǎo)葉等過流部件的空蝕嚴重，主泵經(jīng)長期水流、泥沙沖刷及汽蝕的破壞，葉片正面進水側(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階，葉片進口邊的厚度已不足30 mm，汽蝕已達到Ⅳ級，屬嚴重汽蝕侵蝕。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，點蝕坑直徑10～20 mm，蝕坑深度8～15 mm，銹蝕面積達25%以上，由于點蝕坑的形成，加劇了銹蝕的發(fā)展。由于長期磨損、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，加之機組長期在非設(shè)計工況下運行，致使運行中機組振動加劇和噪聲增大。

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

（5）葉調(diào)機構(gòu)問題。葉片調(diào)節(jié)操作機構(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)機構(gòu)漏油狀況逐漸惡化，從測試結(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82.3%。而水泵運行揚程一般在3.5～4.5 m之間，遠未達到設(shè)計揚程6 m，所以在設(shè)計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)計可在+2°～-18°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，但由于葉片調(diào)節(jié)機構(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°運行。葉片長期在負角度下運行，在葉片正面進口邊形成沖擊旋渦，這在一定程度上加劇了葉片進口邊的汽蝕破壞。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98dB，且伴隨劇烈振動。

（6）葉輪頭漏油。檢查時可見葉片根部上部有10 cm長左右的滲油帶，下部有20 cm左右的漏油帶，漏油量達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，葉輪頭漏油較嚴重。

表1 皂河站2號水泵葉片間隙數(shù)據(jù)

（7）頂蓋漏水量大，排水頻繁。原因之一是動靜環(huán)磨損嚴重造成水泵運行時水封效果不理想，原因之二是大軸水下部分銹蝕嚴重（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時空氣圍帶止水效果不好。

（8）由于無清污設(shè)施，下游攔污柵又時常遭雜物堵塞，造成柵前后水位差高達1.5～3.0 m，以正常運行水位▽18.5～19.5 m計，柵后水位最低時僅有▽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

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

3.1 主電機更新改造

（1）主電機定轉(zhuǎn)子線圈進行現(xiàn)場更換。定轉(zhuǎn)子線圈實行工廠制造，嚴格按預(yù)先制定的方案和流程現(xiàn)場更換和絕緣處理[3]。難點是做好定子線圈更換施工現(xiàn)場防塵和保溫，搭設(shè)防塵棚和施工平臺，線圈烘干時密切關(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)計揚程優(yōu)化。1975年駱馬湖整治工程補水項目規(guī)劃確定皂河站設(shè)計揚程為6 m，根據(jù)歷年抽水運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)狀平均凈揚程為3.58 m。與規(guī)劃揚程比較，現(xiàn)狀多年運行平均揚程偏低。

根據(jù)最新的規(guī)劃和初設(shè)[4-5]，確定皂河站設(shè)計凈揚程為4.78 m，最大揚程為5.80 m，最小揚程為1.26 m，平均揚程為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)時我國的研究水平等原因，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比試驗結(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，保證機組運行的穩(wěn)定性，并盡量提高水泵機組的運行效率。

表2是20ZLB-70模型和HB55模型在平均揚程和設(shè)計揚程時主要參數(shù)對比表，從中可以看出，HB55模型比20ZLB-70模型在同一葉片角度時不僅流量大而且效率也高，在-2°和-4°時表現(xiàn)尤其明顯。根據(jù)模型試驗研究報告，20ZLB-70模型最高效率68.18%，對應(yīng)的葉片角度為-4°，揚程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°，揚程6.26 m，原型流量75.8 m3/s。

（3）水泵葉片更換。按照對比試驗優(yōu)選的模型葉片設(shè)計實型泵葉片，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)動中心直徑為5700 m（球徑6580 mm），設(shè)計轉(zhuǎn)速為75 r/min，水泵設(shè)計凈揚程4.78 m，單機設(shè)計流量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行了以下優(yōu)化。

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

表2 2個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、可焊性更好等特點。

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)動數(shù)控機床加工，并用激光測量儀檢測型面坐標(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。對輪轂體的外表面進行機加工處理，除銹處理，表面的缺陷進行焊補，輪轂體過流部分保證與試驗用的模型泵相似。輪轂體外球面與葉片內(nèi)球面間隙均勻，最大正角度時非球面部分間隙控制在1～2 mm，保證葉片轉(zhuǎn)動靈活，在整個調(diào)節(jié)角度范圍內(nèi)不產(chǎn)生干涉、卡阻現(xiàn)象。并對輪轂體做靜平衡試驗（參加葉輪靜平衡試驗的主要部件有葉片、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，延長其使用壽命。

（7）其他。機械密封動靜環(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，重新制作流道進水口處攔污柵，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)對比

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

表3 主電機更新前后技術(shù)參數(shù)表

4.2 水泵刮板式油缸油壓試驗及葉片動作試驗

油壓試驗是檢驗葉片軸密封、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#泵油缸試驗狀態(tài)為無負載工況、高壓腔2.5 MPa，葉片負角度轉(zhuǎn)向時內(nèi)泄漏27 L/min，葉片正角度向轉(zhuǎn)動時泄漏為23 L/min，外泄漏1～3 L/min。葉輪體裝配完成后葉片轉(zhuǎn)動試驗正常，未產(chǎn)生干涉、卡阻現(xiàn)象。

4.3 試運行情況

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

表4 水泵試運行記錄

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

4.4 近幾年機組運行情況

根據(jù)2013～2017年運行情況，1＃機組累計運行9481臺時，2＃機組累計運行6014.3臺時，累計抽水量38.54億m3，平均流量69.09 m3/s，揚程為3.50 m～4.82 m，平均揚程4.29 m，效率達62%～74%，比改造前提高10%以上，具體特征值見表5。

表5 2013～2017年機組運行特征值

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)過多年的運行，電機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，利用難得的改造機會，對電機定轉(zhuǎn)子線圈進行現(xiàn)場更換，徹底解決絕緣老化問題，優(yōu)化水泵的設(shè)計揚程，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)，并對轉(zhuǎn)葉油缸進行改造和優(yōu)化，同時也對水泵其它部件進行改造和優(yōu)化。經(jīng)過更新改造，主機組運行平穩(wěn)，葉片調(diào)節(jié)可靠，未發(fā)現(xiàn)葉輪頭滲漏油，故皂河站主機組的更新改造是成功的，達到預(yù)期效果。