关于刘老涧泵站机组效率偏低及主水泵汽蚀严重的主要原因分析及解决措施

吕 坤

一、工程概况

江苏省刘老涧抽水站位于宿迁市境内中运河上，直接抽引泗阳站送来的江水、淮水，沿中运河北调，是南水北调东线第五梯级站，淮水北调第二梯级站。刘老涧抽水站于1995年1月20日正式开工，于1996年5月31日全部工程竣工，工程总投资4969万元。该站总装机容量为8800kW，设计流量为150m3/s，设计扬程3.5m，在丰水季节可反向发电。该站采用簸箕式进水流道，虹吸式出水流道，出水管与站身分段式结构。该站设计水位组合：抽水工况上游19.5m,下游16.0m。

二、工程现状

刘老涧泵站装有4台套井筒分段式全调节轴流泵及大型立式同步电动机，设计总流量 150 m3/s。水泵3100ZLQ38-4.2，叶轮直径 3.1m，单泵设计流量37.5m3/s，设计扬程4.2m，转速150r/min，配套电机型号TL2200-40/3250，容量为2200kW。泵站运行已20年，年运行时间较长，由于原设计时下游拦污栅位于站前，而捞草机为耙斗式捞草机，致使站前水草聚集多，造成拦污栅严重堵塞，栅前栅后水位差很大，运行时水泵叶轮中心淹没深度小，进水侧运行水位出现极端情况时进水流道进口淹深都不满足规范要求，造成机组运行振动大，水泵汽蚀严重，运行效率下降，机组运行故障频发，大大缩短了机组的使用寿命，影响工程效益的正常发挥。

三、主要缺陷

1.水泵叶片、叶轮室、导叶等过流部件汽蚀严重

由于长期磨损、叶片汽蚀以及叶型变化，致使叶轮失去平衡，加之机组长期在非设计工况下运行，致使运行中机组振动加剧，加速了轴颈及轴承的磨损。叶片、叶轮室、导叶损坏严重，已难以继续安全运行。

2.水泵出水流量不足、装置效率下降

该站主水泵自1996年投入运行以来，虽经数次大修，但主要部件叶轮、叶轮室、导叶体、大轴等均未更换过，只是对叶片、叶轮室汽蚀损坏部分进行焊条补焊。水泵各部件损坏严重，水泵性能达不到设计要求，流量减少，功率上升，装置效率严重下降。这几年随着机组部件损坏加剧，水泵效率越来越低，2016年实测平均效率只有54%，已远远达不到原设计工程效益，远低于《泵站技术管理规程》中规定的要求。

四、机组效率偏低及主水泵汽蚀严重的主要原因分析

1.每年抗旱翻水时泵站下游水位多低于设计水位

每年的5、6月份大用水时，下游水位更无法保证，长期低于泵站设计最低水位。刘老涧泵站原设计叶轮中心安装高程为13.0m，而据历史资料分析，刘老涧站近15年下游最低运行水位为14.73m，下游最低平均运行水位为15.19m，下游运行平均水位为15.72m，叶轮中心淹没深度最小仅为1.73m，平均淹没深度也只有2.72m，叶轮中心淹没深度小是造成机组运行稳定性差的主要原因。同时，由于刘老涧站原设计时下游侧拦污栅紧靠进水流道进口，采用移动耙斗式捞草机，投入运行以来，由于来流污物多、清污效率低或清污不及时等原因，拦污栅前后水位差能达到0.6m以上，进一步降低了水泵进口水位，带来水泵叶轮中心的淹没深度更小，严重时叶轮中心淹没只有1m左右，进水流道进口淹没深度也不到0.5m，不满足《泵站设计规范》的要求，导致机组运行振动加剧，汽蚀严重，大大影响了泵站的安全稳定运行。而且原设计时进水流道内中隔墩一直延伸到拦污栅，拦污栅紧贴在流道中隔墩上，导致同一台机组进水流道中隔墩两侧水位不一致，改变了水泵的进水条件，给机组安全稳定运行带来不利影响。

2.水泵结构存在先天性缺陷

原水泵主轴下端插入转子体内用柱销连接，主轴与转子体通过4个横销连接，用来传递扭矩和承受横向剪切，检测结果发现连接横销全部脱落、断裂，叶轮头与主轴之间间隙达到5mm。叶轮外壳为沿叶轮中心水平剖分的上下分瓣结构，上下叶轮外壳在剖分处仅用止口作径向定位，轴向不连接，叶轮外壳（下）固定在下座上，叶轮外壳（上）与导叶体下端连接。检测结果发现叶轮外壳下哈夫与下座紧固螺栓松脱并产生断裂、错位，位移达5mm。

3.大轴轴颈及橡胶轴承磨损严重

水泵轴填料函处表面锈蚀，轴颈磨损不均匀，最大深度达到4mm，橡胶轴承处轴颈锈蚀、磨损严重，磨损最大深度达5mm，水导轴承与导叶体配合安装螺栓全部脱离，水导轴承内固定轴瓦的螺栓松动脱落，轴承底座损坏，橡胶轴承止口呈现凸台，止口磨损最大深度为5mm。

4.主要零部件的锈蚀磨损严重

除叶片、叶轮室、导叶体严重锈蚀、磨蚀外，大部分水泵部件如导水锥、导水圈、压盖、导轴承体等均已严重锈蚀、缺损。

五、应采取的措施

1.新建清污设施，降低过栅损失

南水北调东线一期刘老涧泵站工程下游抽水运行的最低水位是以最低通航水位16.0m确定的，考虑河道及下游拦污栅损失，下游运行最低水位为15.8m，刘老涧站叶轮中心安装高程13.0m，叶轮中心淹没深度2.8m，基本能满足要求。原泵站设计时下游侧拦污栅紧靠进水流道进口，采用移动耙斗式捞草机，投入运行以来，由于来流污物多、清污效率低或清污不及时等原因，拦污栅前后水位差能达到0.6m以上，降低了水泵进口水位，减小了叶轮中心淹没深度，带来机组运行振动大，叶轮室汽蚀严重等问题，应将拦污栅移至下游距站前120m处，并采用回转式清污机。

2.降低水泵的nD值，改善水泵的汽蚀性能

原泵站设计时水泵叶轮直径为3.1m，转速为150r/min，水泵 nD值为465，水泵叶轮外缘线速度大，水泵汽蚀严重，应选用新的流量系数大的水力模型，在保持叶轮直径不变的情况下，将水泵转速降至136.4r/min，水泵nD值降为423，改善了水泵的汽蚀性能。

3.优化水泵结构设计，优选材质

通过分析刘老涧站主机组大修统计记录，刘老涧站存在的主要问题是水泵汽蚀严重，运行时振动、摆度大。应将叶轮室的材质由铸钢改为铸不锈钢，减少叶轮室汽蚀的发生，水导轴承材质采用进口材料，减小磨损；还可增加机组在线监测系统，一旦水导轴承处出现问题，及时发出报警信号，采取有效措施；增加水泵中座混凝土基础，提高水泵基础运行稳定性