引江濟淮工程蜀山泵站大容量泵站機組方案優化設計

宋有權

(安徽省引江濟淮集團有限公司,合肥 230601)

0 引言

引江濟淮工程溝通長江、淮河兩大水系,是跨流域、跨省份的重大戰略性水資源配備和綜合利用工程。工程任務以城鄉供水和發展航運為主,綜合灌溉補水、排澇和改善巢湖及淮河水生態環境,是國務院確定的全國172項節水供水重大水利工程之一,也是潤澤安徽、惠及河南的重大貢獻基礎設施和重要民生工程。工程供水范圍涉及皖豫2省55個縣(市、區)總面積7.06萬km2,供水人口5 117萬。設計引江流量300 m3/s,入淮流量280 m3/s。多年平均引江水量2030年為34.27億m3,2040年為43億m3。

引江濟淮工程,工程等級為Ⅰ等,規模為大(1)型。主體工程輸水總長723 km,引江濟淮一期工程設計總投資949.15億元。

1 項目方案

引江濟淮工程安徽段自南向北分為引江濟巢、江淮溝通、江水北送三大段,樞紐建筑物工程包括樅陽引江樞紐、廬江節制樞紐、鳳凰頸引江樞紐、兆河節制樞紐、白山節制樞紐、派河口泵站樞紐、蜀山泵站樞紐以及東淝閘樞紐共八大樞紐工程及江水北送段的4座梯級泵站。安徽段共設置梯級泵站8級12座泵站,總裝機64臺套175 870 kW。其中,淮河以南3級4座泵站,提水揚程23.72 m,總裝機120 200 kW?；春右员背麂呛诱就庠傩陆?級8座泵站,揚程22.76 m,總裝機55 640 kW。工程采用軸流泵、混流泵、臥式混流泵等多種泵型,配備大型同步電機、變頻電機和異步電機。蜀山泵站樞紐工程位于江淮溝通段,是引江濟淮工程第三級提水泵站樞紐,是江水入淮和發展江淮航運的重要樞紐工程。蜀山泵站配備8臺3480HLQ43.5-12.7水泵,配套TLKS750048/5800的電機,單機功率7 500 kW,單機流量42.5 m3/s,總裝機容量60 000 kW,總流量340 m3/s(含船閘消耗50 m3/s),是亞洲最大的混流泵站,見圖1。根據本項目空水冷卻、轉速低的實際情況,在前期招標方案編制、聯絡會等環節中,均與電機配套廠進行了有效溝通協調,把以往大型項目上吸取的經驗,成功落實到最終方案上,保證了項目建成后電機的運行維護便利性和有效使用率。

圖1 引江濟淮蜀山項目泵站

2 方案優化

2.1 選用優秀水力模型

在測試TJ11-HL-06模型的基礎上,基于蜀山泵站的特點,要求水泵廠家采取優化措施,提升水泵裝置性能,并對模型性能提出了額定時高效、寬經濟運行范圍、汽蝕性能良好等要求。方案評審階段,最終確認兩個方面的具體實施路徑:一是對泵段結構進行適當優化,如彎管頂部適當上移,葉輪室進口尺寸、導葉體出口尺寸等適當改變,為流道優化提供便利條件;二是對進、出水流道進行進一步優化,水泵裝置效率顯著提升約2%。通過上述措施,使得模型的綜合性能指標達到國內領先水平。

2.2 采用立式靜平衡方案,并采用新型葉輪動作試驗方式

葉輪靜平衡品質是關乎水泵平穩運行的重要指標之一,控制平衡精度尤為重要。常規的葉輪靜平衡試驗裝置為臥式,但大型水泵葉輪重量大、體積大,不宜采用臥式平衡裝置(操作難度大、測試誤差大)。為此,本項目開發并采用了立式靜平衡試驗裝置,工藝裝置結構簡潔、試驗操作方便且測試精度高,為平衡精度提供了有力保障。

葉輪作為水泵核心部件,內調節機構的性能決定了水泵是否能在良好工況下穩定、高效運行。在前期方案評審階段,要求水泵廠家對內調節機構的靈敏度、調節精度、調節范圍,進行準確的動作測試。為此,水泵廠家開發了新型葉輪動作測試裝置,對龐大的水泵葉輪部件進行動作測試,適應了不同調節力的葉輪在廠內動作測試的需求,并提高了工作效率,保證設備生產進度。與傳統技術相比,新型葉輪動作測試裝置具有兩大優點,一是采用液壓油缸驅動,外接液壓站,油缸驅動力的可調范圍大,適合大型水泵葉輪不同調節力的需求,尤其對于大型水泵,具有適用范圍廣,使用效率高,操作方便的特點;二是實現了葉輪在設計角度內的動作測試,通過檢查各個葉片角度的一致性,進而驗證葉輪操作桿行程與葉片角度是否滿足設計要求。

2.3 伸縮節采用新型角封結構

立式水泵進水底座與轉輪室之間需設置伸縮節,伸縮節的密封性能曾經因為結構上的因素,出現漏水現象,給泵房環境造成污染,給泵站管理帶來麻煩。為此,在項目方案評審時,要求廠家改進結構,徹底消除漏水對泵房環境的負面影響。水泵廠家在泵組設計時創新了密封形式,采用新型角封型式,該新型結構具有密封可靠、結構簡潔、制造難度低、質量易控制、裝拆便利等多重優點。

2.4 葉輪室采用新型熱模壓成型焊接工藝制作

項目前期方案評審階段,要求水泵廠家提升葉輪室成型質量。為此,水泵廠家開發并采用了新型熱模壓成型焊接工藝。該新工藝有效克服了傳統工藝的局限性,具有葉輪室壁厚均勻度高、致密性好、尺寸和形位精度優以及良好感官質量等優點。材料利用率也大幅得到提高,新工藝的推廣也利于“雙碳”目標的實現。

2.5 電機整體布局方面

本項目電機單機功率為7 500 kW,機組運行時,每臺電機產生的熱量超過300 kW,若仍采用傳統的半管道式通風,將會出現明顯的“熱島效應”,導致電機溫升偏高。因此在項目前期總體規劃和招標文件編制時,明確了電機采用空水冷卻方案?？账鋮s方案與半管道式冷卻方案相比,具有幾個方面的優勢:一是機組產生的熱量將會通過空水(空氣與水)冷卻器熱交換帶走,有效避免了“熱島效應”;二是機組運行時參與熱交換的空氣為密閉自循環,由電機旋轉提供循環動力,不需要上下兩端強迫進風,因此上機架不再外露出電機層,有效提高了泵站現場的“感官質量”。此種電機整體布局在大型水輪發電機上使用廣泛,有著泵房簡潔、非技術性的運行維護便利性好的優點,見圖2。

圖2 電機整體布局

2.6 噪聲控制方面

作為一期工程的旗艦項目,蜀山泵站電機轉子極數48 P,運行轉速125 r/min,屬于大容量、低轉速泵站電機。原理上,此型號的電機由于齒諧波負面影響較大,極易出現電磁嘯叫聲,直接影響電機的使用壽命以及現場運行維護人員的生理健康。鑒于此,在項目技術聯絡會、方案評審會等環節,根據電機配套廠的開發能力和工藝能力,最終確認電機鐵心摒棄傳統直槽方案而采用斜槽方案,見圖3。從而將電機的噪聲降低至80 dB以下,顯著優于國家標準要求的85 dB限制。從設計上根本性的保障了電機的使用壽命和運行維護人員的身心健康。

圖3 電機斜槽結構

3 結論

目前,蜀山泵站8臺泵組均順利完成了制造廠內的型式試驗及出廠試驗,也完成了現場安裝調試和試運行。數據表明,泵組的性能顯著優于招標要求和相關標準,如定轉子溫升均小于50 K(國家標準為80 K/85 K)、軸承溫度均小于40 ℃(國家標準為55 ℃/75 ℃)、電機噪聲77 dB(國家標準為85 dB)、振動0.5 mm/s(國家標準為2.3 mm/s)等。

蜀山泵站的建成,確保了向淮河中游地區補水,具有長江淮河航運、農業用水灌溉、生態環境保護等多項民生保障及優良的社會經濟效益。