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1、南水北调工程泵站技术成果交流材料南水北调泵站机组设计选型研究仇宝云 冯晓莉扬州大学能源与动力工程学院（2010年5月28日）南水北调东线工程在江苏省扬州境内长江取水，沿京杭大运河及其平行河道送水北上至山东、河北和天津，解决生产和生活用水，促进生态良性发展。工程从长江调水到黄河南岸规划设抽水泵站30处、13个梯级，总扬程65 m，设计总抽水能力10 200 m3/s，总装机容量1 017.7 MW，沿线经过洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖等调蓄湖泊。我国已开发出系列高性能的轴流泵水力模型及少数混流泵水力模型，其水力性能达到国际先进水平。但许多泵站机组结构形式还不尽合理，影响正常使用；泵机组关键部件
2、可靠性差，故障频繁发生，设备完好率低，维修费用高。南水北调东线工程是国家大型重点工程，应根据工程特点和要求，在正确规划前提下，合理选用水泵装置及配套动力机的结构型式，提高设备供水可靠性，节省运行与管理费用，充分发挥工程效益。一、工程对泵系统的要求本工程水泵系统选用总体原则是，在满足抽水能力和起动、停机断流、工况调节的前提下，应具有较高的安全可靠性和运行效率，不污染水体，不影响环境。工程投资量大，影响面广，供水可靠性直接影响受水区工农业生产和人民生活的用水。根据规划，泵站机组平均年运行时间5 0006 000 h，维护保养时间短。如果某一级泵站抽水流量不能保证，将影响其他梯级泵站乃至整个调水工程
3、的正常运行。因此，机组结构型式选择应首先考虑可靠性，要求关键易磨易损部件故障少、寿命长。其次，泵机组应具有较好的安装性和维修性。机组结构应便于安装操作和质量控制，有利于延长无故障工作时间和大修周期，便于维护检查和修理。对发生的故障，要求能很快查明原因并予排除，检修拆卸部件少、费用少，方便、简单，能在最短时间内恢复完好状态。根据需要选择泵机组的调节功能。目前我国水泵水力模型效率已经达到或接近发达国家的先进水平，再有明显提高不大可能，实现泵站高效运行的主要措施就是优化调度和变工况经济运行，泵站应根据自身特点选用机组调节功能。水质污染一直是东线工程一大难题，国家采取了先治污后调水的策略。对于工程本身
4、，就是要在输水过程中不污染水质，泵站建设和运行不给周边环境造成不良影响。这就给机组选择提出了环保要求。二、泵站梯级与扬程确定（一）泵站梯级优化设置泵站梯级数影响工程投资。泵站相距远，高差大，扬程高，梯级少，则泵站建设投资少，但泵站出水侧的河道堤岸需要相应加高，河道工程投资增加。相反，泵站距离近，扬程低、梯级多，可以减小河堤高度，但泵站数量增加，泵站建设和管理费用增加。因此，应以工程调水成本（包括泵站运行年动力费用、泵站年管理费用以及泵站、设备、河道工程投资年折旧费用）最低为原则，优化确定泵站梯级设置。（二）结合实际情况确定泵站梯级及地点泵站梯级设置及地点确定还需考虑现有泵站、河道和水文地质、交
5、通等情况。根据规划，南水北调东线工程设置13个梯级泵站，设泵站30处。三、影响泵站机组设备可靠性因素分析我国大型低扬程水泵机组在结构型式上还存在不少问题。有些结构设计对运行受力、安装检修和环境影响考虑较少，可靠性差，故障发生频繁，检修费用高。常见故障如下：（一）水泵导轴承失效巴氏合金油润滑导轴承承载力大，但结构复杂，安装难度大，特别是水密封结构不可靠，大量含泥沙的河水进入导轴承，造成轴承和轴颈严重磨损剥落，间隙增大，叶片碰壳。水泵非金属水润滑导轴承承载能力低，用于卧式和斜式泵时，工作荷载大，易产生偏磨和损坏。立式泵非金属导轴承虽然工作荷载小，但密封结构失效时，河水中的泥沙进入轴承间隙，经轴颈的
6、挤压嵌入非金属轴承材料，磨损轴颈，被磨毛糙的轴颈反过来加速轴承的磨损和轴颈面层剥落，叶片间隙增大，造成叶片碰壳。（二）立式机组电动机推力轴承烧损部分立式机组在高于设计扬程下运行容易发生电动机推力轴承烧瓦事故。安装质量差，推力瓦面高差大，瓦面受力不均是诱发因素，根本原因是轴承选型、结构设计问题。（三）叶片调节机构故障大泵机械式叶片全调节机构设置在电动机顶部，调节小电动机固定安装，这种结构容易发生漏油、滚动轴承损坏等故障，可靠性差。液压式调节机构调节力大、机械磨损件少、可靠性高，但需要复杂的油、汽辅助设备系统，油压装置占地面积大，受油器安装难度大，接力器密封要求高。主要故障形式：操作油管连接部位漏
7、油，配压阀和接力器密封失效，最终使压力无法保持，叶片角度无法调节。（四）设备维修性由于泵机组结构设计考虑不全面，造成安装与检修困难，机组部件不能按正常程序安装，安装质量不能保证。机组结构维修性差，关键易磨易损部件发生故障时，检修往往需要拆卸大部分或几乎所有部件，工作量与机组大修相差无几。通过研究，水润滑导轴承维修性优于油润滑导轴承。对于油润滑导轴承的维修性，立式水泵好于灯泡贯流泵。金属弯管式机组和半井筒式机组维修性相当。卧式机组的拆装工作量大，但安装要素调整时间少，所以总的维修时间少于相同大小的立式机组。选择合理的机组结构和检修方法，采用状态维修方式，建立合理的维修制度，可提高大型水泵机组维修
8、性。四、影响泵站机组设备经济性因素分析影响泵站机组设备经济性的影响因素包括：泵站使用寿命期内土建费用、设备费用、运行费用以及维护检修费用。泵站设备费用主要包括水泵、电动机、传动机构和工况调节机构费用等。如2800ZGQ-2.5泵机组设备费用为：高速电机50万元/台；低速电机150万元/台；齿轮箱100万元/套，每套齿轮箱运行寿命为10年，电机与水泵使用寿命期内，需更换一次齿轮箱。变频装置费用为1200元/kW；叶片调节机构费用为80万元/套。泵站运行费用与水泵系统效率特性、工况调节功能及变工况优化运行有关。水泵系统效率hxt可以定义为泵装置效率hz、传动效率hdr、电动机效率hmot和变频装置
9、效率hbp四者的乘积，即 （1）泵站水泵系统年运行费用F可表示为 （2）式中：Q 为单机流量，m3/s；Hz 为泵装置扬程，m；Qz为泵站总抽水流量，m3/s；n为泵站开机台数，台；p为电价，元/（kWh）；t1、t2为时间积分下、上限，h；t为时间积分变量，与泵站年运行扬程时间密度分布有关，dt=f(Hz)dHz。对于梯级泵站系统，设水源水位z0、调水目的地水位和流量分别为z1、Q1，泵站系统有效功率P有效为 （3）梯级泵站系统总效率可表达为 （4）式中：i 表示第i梯级泵站系统；m 为梯级泵站级数；PBi为第i梯级泵站系统站外变电所向泵站的输出功率，kW。目前大型泵站的土建费用约为4142
10、万元/(m3/s)。维护检修费用主要是根据省水利厅维修养护费用的计划，如江都三站近几年平均年维修养护费用为70万元。五、泵站机组设备关键部件设计选用（一）泵站机组设备设计选型原则在满足技术和使用要求的前提下，泵站应选择可靠性好、经济性高、维护管理方便的机组设备。（1）可靠性原则。选择的机组设备应满足可靠性要求。（2）经济性原则。选择合理的机组形式与工况调节方式，使得机组设备投资与运行、管理费用最低。（3）维护管理方便原则。机组具有较好的起停机特性，便于运行管理操作。（二）水泵型式与性能选择1. 机组容量与单站台数泵站机组大小的确定涉及多方面因素。泵站设计流量一定，机组大小取决于机组台数。机组太
11、大，台数过少，站房基础开挖深，运行保证率低。另一方面，机组过大，安装检修和运输困难，有些关键部件技术性能不过关，容易发生故障。相反，泵站装机台数过多，运行管理不便，站房太长，占地面积大，前池和出水池开挖长度大，增加土建投资。综合考虑制造、安装、管理、技术条件成熟和造价等因素，选用叶轮直径D =2.23.3 m左右，配套功率P =1.03.0 MW左右，单站台数48台较为合适。考虑到本工程的重要性和机组年运行时间长的特点，应考虑设置备用机组。2. 轴流泵与混流泵轴流泵和混流泵特性有较大差异。轴流泵起动扬程高、功率大，约为设计值的23倍，高扬程区QH曲线存在“马鞍”形，运行易振动。用闸门或快速闸门
12、断流时，如果起动、停机配合不好，容易造成闭阀运行、动力机过载或机组倒转飞逸，影响机组和泵站安全。而混流泵QP曲线比较平缓，机组起动和停机断流比较容易，高效区宽于轴流泵。在扬程、过流面积、流速相同的情况下，导叶混流式叶轮产生的轴向力小于轴流式叶轮，可以减小电动机推力轴承荷载。因此，同等情况下应优先选用混流式叶轮。具体采用何种泵型及其工况调节方式，在定性分析的基础上，还需综合考虑泵站运行扬程变化、年运行时间、变工况优化运行费用、土建及设备投资等因素，通过定量计算分析确定。（三）水泵配套电机功率备用系数选择电机功率备用系数常规选择方法，都以水泵功率大小作为选择电动机功率备用系数的唯一依据，功率备用系
13、数在1.052.0之间，机组功率大的取小值、功率小的取大值。但是该方法未对其影响因素进行分析和研究，理论依据不足。从设计制造、施工安装和运行条件等方面研究影响水泵运行轴功率特性及造成配套电机过载的主要因素（包括：原模型换算误差、水泵特性误差、管路特性误差、拦污清污设备、进流漩涡、电网压降、泵站扬程变化等）及其概率特征，建立基于可靠度的水泵配套电机功率备用系数理论。南水北调工程三种水泵扬程和两种清污条件的源头泵站和非源头泵站电机功率备用系数计算结果如表1所示。与可靠度法（取Pr=0.99）结果相比，简易法将所有因素对泵轴功率的最大正向影响（使轴功率增大）相加，过载系数N偏大8.612.8个百分点
14、，简易法将所有因素按照平方和开根计算，过载系数N偏小3.26.0个百分点。表1 简易法与可靠度法计算的泵机组过载系数比较水泵扬程/m4（30ZWQ-30）7（ZL30-7）9.5（40CJ95）清污设备较差较好较差较好较差较好（简易法）0.5610.3220.2800.2360.2200.199（简易法）0.3730.1480.1290.0960.0950.0810.4330.2020.1820.1380.1340.11312.8%12.0%9.8%9.8%8.6%8.6%6.0%5.4%5.3%4.2%3.9%3.2%南水北调东线梯级泵站大都采用H10 m时，可以按K=1.051.10选用电
15、机。先进的清污设备可使拦污栅水位落差减小至0.5 m以下，K值减小0.020.23以上，扬程越低效果越显著。（四）机组轴线形式选择机组轴线形式有立式、斜式和卧式三种，对比如表2。立式机组站房高度大；斜式和卧式机组站房高度较小，但宽度增加。立式水泵来流由水平方向转为垂直方向，经过水泵再由垂直方向转为水平方向（平直管出流）或再斜向下转为水平出流（屈膝管出流），或转为斜向上再向下，最后水平出流（虹吸管出流），水流方向变化大；斜式水泵流道水流方向变化较小；卧式水泵采用平面S形流道、猫背式流道或做成贯流泵，水流方向变化小，特别是贯流泵，水流方向基本不变，流道转弯少，水力损失小，但进人孔、通风孔对流动阻力
16、影响较大，设计时应予注意。斜式和卧式机组因空间布置需要，采用体积小的高速同步电动机、齿轮箱间接传动，叶片调节机构设置困难，安装检修操作空间小，安装质量难以控制，结构受力条件差，电动机位置低，环境湿度大，对绝缘不利。特别是贯流泵，电动机对密封要求高，内壁结露很难解决，安装检修和运行维护困难。水泵导轴承荷载大，易偏磨，非金属轴承寿命短。表2 机组轴线形式对比轴线形式流道水力损失工况可调性导轴承荷载安装检修电动机环境立式斜式卧式（贯流式）较大较小较小最小好不好不好较差小较大大大容易较难较难困难好较好较差最差采用相同叶轮，斜式和卧式水泵因流道转弯少、水力损失小，装置效率较立式高2%左右。但不便设置叶片
17、调节机构，对于扬程变化频繁的泵站，斜式和卧式装置效率大部分时间还低于设置调节机构的立式装置。本工程泵站机组年均运行时数长，可靠性要求高，运行费用大，从这两方面考虑，斜式和卧式机组均不适合。与斜式和卧式机组相比，采用同步电动机直联传动的立式机组安装基础和结构受力条件好。虽然电动机体积较大，电动机造价和土建投资稍高，但可以省去减速机构，便于设置调节机构。电动机位置高，通风散热条件好，水泵周围操作空间大。站房结构与机组结构设计合理、配套，机组运行维护、工况调节和安装检修方便，具有较好的可靠性、经济性、安装性、维修性和环保性。立式机组节省的机组维修费用、灵活的工况调节节省的运行费用及因设备完好率的提高
18、而产生的经济效益和社会效益远远超过增加的工程投资。因此，立式直联机组是本工程较为适宜的方案。（五）机组传动方式选择直接传动的传动效率为100%。电机轴和水泵轴直接用联轴器相连，其承载能力大，运行稳定性好，安装维护方便，可靠性高。但由于水泵转速低，电机直径大，机组重量重，要求行车起吊重量大，电机设备费用高。齿轮传动的传动效率约为96%98%。相比直联传动，齿轮传动的承载能力小。增设齿轮箱的支撑，增加了机组安装空间，机组轴线较长。水泵和电机通过齿轮连接，轴系的安装维护麻烦，安装技术要求较高。齿轮传动增加了齿轮箱，可能的故障点增多，可靠性低于直联传动。电机可选择标准电机，电机尺寸减小、重量轻、造价降
19、低，厂房起吊重量减小，但增加了齿轮箱的设备投资，而且在泵站使用寿命期内，齿轮箱需更换一次，考虑到一台高速小电机加两台齿轮箱，与一台低速大电机相比，单台机组造价高于直联方式。因此，机组传动方式的选择，需要针对泵站的运行要求和条件，结合机组可靠性、经济性等要求合理选择。（六）进、出水流道及断流方式选择大型泵站采用三种断流方式。混流泵不易过载，为节省工程量，减小出水流道水力损失，适应出水池水位变化，宜采用平直管出水流道、快速闸门断流。轴流泵小流量时功率很大，在机组起动和停机时，若快速闸门启闭配合不好，电机易过载，因此，最好采用虹吸出水流道、真空破坏阀断流，还可以保证停机断流可靠。贯流泵宜采用平直管出
20、水流道、快速闸门加小拍门断流方式。（七）机组工况调节方式选择在满足泵站机组起停机特性、安装维护性、可靠性、调节流量等要求的基础上，机组工况调节方式的选择需要从泵站使用寿命期内变工况优化运行费用和设备投资两个方面，进行定量综合经济分析比较确定。六、基于优化运行的机组方案定量选择（一）选型方法在保证流量、扬程及可靠性等使用要求的前提下，根据泵站特征扬程，分析年运行扬程时间分布规律，计算泵站多种机组方案、设置不同工况调节方式实施变工况优化运行的水泵系统年运行费用，考虑泵机组设备费用，以泵站使用寿命期内总费用最少为目标，比较选择出最优的水泵机组及其工况调节方式。（二）泵装置工况调节方式与传动方式选择对
21、南水北调东线已建的蔺家坝泵站和淮阴三站，考虑水泵及流道形式不变， 对采用不同传动方式及工况调节方式（实现优化运行）计算分析。各种方案年需费用如表34。表3 蔺家坝泵站不同工况调节方式年总费用比较 总费用：万元直联传动、半调节直联传动、变频变速直联传动、变角齿轮传动、半调节齿轮传动、变角16220.00413369.024*16236.50817072.75817099.110表4 淮阴三站不同工况调节方式年总费用比较 总费用：万元半调节变频变速（ne时变频器参与运行）变频变速（ne时变频器退出运行）变角调节33249.33030474.65230087.486*33534.452两座泵站的最佳
22、工况调节方式均为变频变速调节，这是由于这两座泵站扬程较低、扬程相对变幅较大。淮阴三站实际采用的工况调节方式与确定的最优调节方式一致，而蔺家坝站实际采用的是齿轮箱减速变角调节方式，该调节方式年均所需费用较最优的变频变速调节方式多186.5万元。（三）待建泵站泵机组选择南水北调东线待建的金湖站，要求同时具有调水和排涝功能，设计排涝扬程较调水扬程低1.9 m，两者相差较大，泵站年调水运行时间长达5000 h以上，需要选择合适泵机组及其工况调节方式，以保证泵站在调水工况实现变工况优化高效运行，在排涝工况安全稳定运行。根据可行性分析，泵站需要选择扬程适应性较宽的泵型，并按排涝工况选择配套电机。筛选出3种
23、可行泵型，进行应用不同工况调节方式优化运行计算分析，结果如表57。表5 泵站工况调节方案年需总费用比较（泵型）工况调节方案总费用F/万元方案一（额定转速、设计角度）39997.650方案二（变频变速调节）37585.240方案三（全调节、双速电机）37014.425方案四（半调节、双速电机）36718.872*方案五（变频变速调节、双速电机）36795.718注：配套电机功率2200kW。表6 泵站工况调节方案年需总费用比较（泵型）电机配套功率N/kW工况调节方案总费用F/万元2700方案一（设计角度、额定转速）36210.870方案二（变角调节）36555.293方案三（变频变速调节）372
24、13.1721600方案四（设计角度、额定转速）35737.802方案五（变角调节）36079.879方案六（变频变速调节）36350.1561800方案七（设计角度、额定转速）35795.322*方案八（变角调节）36140.986方案九（变频变速调节）36549.465表7 泵站工况调节方案年需总费用比较（泵型）电机配套功率N/kW工况调节方案总费用F3万元1800方案一（2、额定转速）35822.009方案二（变角调节）35583.191方案三（2、变频变速调节）36497.221方案四（4、额定转速）35182.903*方案五（4、变频变速调节）36039.6932550方案六（2、额
25、定转速）36079.752方案七（变角调节）35905.351方案八（2变频变速调节）37377.330方案九（4、额定转速）35505.092方案十（4变频变速调节）36856.081对于泵型，方案四（半调节、双速电机）总费用最少。对于泵型，方案四（半调节，电机配套功率1600 kW）总费用最低。但是，为了防止在排涝工况时电机过载，方案四需要停机调小叶片角度，操作过程较为繁琐且耗费较大。而方案七在排涝工况时电机功率能够满足要求，且调水工况时泵站总费用较低。对于泵型，方案四（水泵在4、额定转速运行，电机配套功率1800kW）总费用最少。泵型最优工况调节方案总费用分别较泵型和泵型最优工况调节方案
26、节约费用5.89%和1.72%。因此，从经济性看，金湖站采用泵型，配套电机功率1800 kW时，并在叶片角4、额定转速运行时，泵站总费用最省。而且在排涝时，泵装置效率达75%左右。考虑到提高泵站抽水流量的可调性，减小排涝时的机组起动功率，泵站可以设置叶片全调节功能。泵站设置叶片调节机构后，进出水流道的长度将增加，导致泵装置效率降低约0.2%0.5%，泵站运行费用将略有增加，但仍小于变频变速调节方式总费用。变频变速调节方式的可靠性、起停机特性和操作性优于变角调节方式。因此，金湖站宜选用泵型，直联传动、变角调节方式，配套电机功率1800 kW。叶片调节机构宜设置在灯泡体内、电机外侧。七、结论南水北
27、调东线工程是国家重点工程，投资大，影响面广，泵站年运行时间长，运行费用大，上下梯级泵站相互影响。为提高供水保证率，节省运行维修费用，要求泵机组具有较好的可靠耐久性、经济适用性和安装维修性，并保证不污染水质和环境。经过研究分析，得到如下结论：（1）梯级泵站在规划时，梯级数、上下梯级间的间距及各级扬程应适当，并应结合现有实际情况综合确定，以保证泵站与河道工程投资及运行费用最省。（2）选用叶轮直径D =2.23.3 m，配套功率P =1.03.0 MW左右，单站台数48台较为合适，并且1台备用。（3）优先选用立式机组，直联传动。竖井式贯流泵机组结构简单，便于安装检修和运行维护，对于扬程4.5 m以下的泵站可以考虑采用。（4）由于混流泵功率曲线比较平缓，机组起动和停机断流比较容易，高效区宽，同等情况下应优先采用混流式叶轮，并采用平直管出水流道、快速闸门断流；如果采用轴流式叶轮，应采用虹吸出水流道、真空破坏阀断流方式。（5）南水北调东线工程梯级泵站扬程大都在10 m以下，水泵配套电机应采用较大的功率备用系数，扬程越低，功率备用系数越大。（6）在保证流量、扬程及可靠性使用要求的前提下，应根据泵站特征扬程及运行时数，计算比较泵站选用多种可行方案时设置不同工况调节方式实施变工况优化运行的设备与运行总费用，定量优化选择水泵机组及其工况调节方式。- 17 -