大禹渡枢纽二级泵站更新改造效果明显

大禹渡泵站工程位于山西省芮城县境内，是一处大型提黄灌溉工程，工程分6级17站布置，总装机90台，装机总容量40 760 kW。该工程自三门峡库区取水，于1970年建设，1974年10月建成受益，设计灌溉面积32万亩（2.13万hm2），设计提水流量14 m3/s，灌溉流量10 m3/s，总地形扬程346.44 m，运行30多年来为芮城县农业和农村经济发展作出了巨大贡献，是保障芮城县工农业可持续发展的关键工程。

大禹渡泵站工程分枢纽工程和灌区工程两部分，其中枢纽工程由一级站、沉沙池和二级站泵站组成。灌区工程由15座再提水泵站和干、支、斗、农四级固定渠道组成。其中灌区15座再提水泵站分别为北一干四级提水，北二干三级提水，西干两级提水，杜村五级提水，以及赵庄一级提水。渠道工程分别为干渠6条长53.7 km，支渠65条长208.2 km，斗渠254条长322 km。

大禹渡枢纽泵站包括枢纽一级站和枢纽二级站。枢纽一级站直接从黄河取水，设计取水流量14 m3/s，其中灌溉流量10 m3/s，地形扬程6.8～20.8 m。该站为缆车式泵车，由泵车、坡道、压力管道、牵引设备等组成，共装有7台泵车，每台泵车安装机组2台，其中6台泵车装有24sh—19A型水泵12台，配套JS 137—6型电机，1台泵车内装有500S—22型水泵2台，配套355M—6型电机。2台水泵用1条压力管道，共设7条?准800的压力管道。

枢纽二级站为高扬程泵站，地形扬程193.2 m，设计提水流量10 m3/s。原安装24台水泵，从2006年节水续建配套工程改造开始，陆续将16台10DK—9×2A型水泵改造成12台KSY1900—105×2型水泵，配套电机1 400 kW，目前枢纽二级站共安装机组20台 ，装机容量25 760 kW，其中建站时10DK—9×2A型老泵 8台套，已改造机组12台套。3台机组并联1条出水管道，共设6条压力管道输水，压力管道上设有水锤消除器。二级站压力出水池与灌区总干渠和南干渠相连。

二、存在主要问题及更新改造的必要性

１.安全运行无法保障

大禹渡枢纽一、二级站已运行30多年,所有机组运行时间均已超过8万h，电气设备绝缘下降, 故障频繁，每年由于电缆头短路“放炮”和接地越级跳闸不下10次，已严重危及设备和运行人员的人身安全,电机绝缘老化，转子断条，50%的电机已进厂大修，主水泵泵壳变薄,有穿透的危险。

２.装置效率低，耗能大

装置效率达不到部颁标准，且呈逐年加速下降趋势。根据中国灌溉排水发展中心水机现场检测站2008年现场检测结果，一级站#2老机组装置效率为36.6%，#8老机组装置效率为44.7%；二级站#2老机组装置效率为57.8%，#14老机组装置效率为66.5%。2008年枢纽一、二级站机组平均装置效率只有45%～50%，能源单耗为5.44～6kWh/（kt·m），远大于部颁标准的要求。

3.水泵出水量下降

由于受建站时技术条件和材质等的限制，水泵选型不尽理想，采用10DK—9×2A型清水离心泵，泵额定流量小0.25m3/s，导致装机台数多，叉管多，管路效率低。多年运行实践证明，该泵抗磨蚀性能差,泵体高低压串通严重，水泵出水量急剧下降。

４.配套设备技术性能差

二级站主电机由于受变电站容量的限制，选用绕线式电机，运行多年故障多，可靠性差。管路附件闸阀、逆止阀和水锤消除器等，磨损严重，泄漏大，维修难度大，检修费用高，并且逆止阀和闸阀止水工作面通直径收缩形成了颈缩，加大了局部损失。

5.空蚀、磨损严重

主水泵吸水口间隙空蚀和叶轮叶型空蚀都非常严重，泥沙和空蚀的联合作用，致使水泵运行1000 h后出水量下降25%～32%，必须更换叶轮和口环。

6.监控设施落后，缺少必要的泵站监测手段

农业灌溉泵站服务于弱质产业，维修资金短缺，管理技术落后，建成30多年来一直未改造，没有自动化监控设施和基本的通信和信息化手段，距离现代化管理有很大的距离。大禹渡枢纽泵站多，管理分散，造成各级泵站运行不协调，时常出现压闸运行和弃水现象，造成极大的浪费和安全隐患，经济运行无从谈起。

三、更新改造的技术措施

1.开发研制新型水泵，减少水泵数量

通过广泛的调研，了解到当时国内水泵市场上尚没有大禹渡枢纽二级泵站的合适泵型。因此，业主向国内泵行业领先的几个大厂发出了开发扬程200 m左右、流量0.5 m3/s以上、抗磨蚀性能好、效率不低于85%、 运行4000 h性能不下降的产品需求信号。最终经过3次大的改进，历时近3年试制成功。

开发新型水泵要注重效率和空蚀相互兼顾。水泵流量大效率较高，但抗空蚀能力就较差，要提高水泵的设计效率通常会带来水泵抗空蚀能力的下降，反之设计时提高其抗空蚀能力往往会以牺牲水泵设计效率为代价。

解决这一矛盾的思路是水泵设计时以提高效率为主要目标，通过以下措施提高抗空蚀能力：①泵体和过流部件选用不锈钢材质；②采用钢板焊接叶轮；③负吸程安装水泵；④采用双吸泵，降低进口流速；⑤对口环与叶轮的间隙空蚀可以增加镶套的办法来解决。在将以上抗空蚀措施发挥到最大的情况下，可大大提高水泵的设计效率。

泵体采用树脂沙铸造、蜡模铸造等光洁度较高的铸造方法，以及在泵体内部喷涂金属抗磨蚀涂层提高水泵内部光洁度，能同时提高水泵的效率和抗空蚀能力。

不锈钢叶轮和钢板焊接叶轮都具有很好的抗空蚀能力，不锈钢叶轮价格较高，钢板焊接叶轮技术已经非常成熟，具有价格相对较低、耐磨损、耐空蚀、效率高，表面光滑、流线型好、使用寿命长等特点，钢板焊接叶轮将会成为今后的主流。

经过中国灌溉排水发展中心泵站现场检测站2009年现场测试，效率达到85.26%。水泵的试制成功为泵站改造奠定了良好基础。

二级站改造完成后，将从原来的24台减少为18台。

2.采取综合措施降低能源单耗

对于年运行时间长达7个多月、地形扬程193.2 m的二级泵站，在技术改造中，降低能源单耗是一项关键指标。必须通过采取全面的综合措施，对所有影响泵站能源单耗的设备进行分析，找出问题的症结所在，合理改造。

（1）动力机选择

对于抽取黄河水介质的泵站，电机的选型除了要满足转速和功率相互配套以外，还应重点考虑电机效率：功率因数、功率备用系数和水泵工作条件系数等4个因素，最好能同时具备高效率和高功率因数，但两者出现矛盾时，首先考虑高效率。同时增加无功补偿提高功率因数。大禹渡二级泵站选用的电机为Y5004—4/1400kW（6kV），标定效率95.6%，标定功率因数0.89。功率备用系数选用1.05，考虑抽取黄河水，以及电机在负荷率为0.75～1.0时，电机效率基本为额定值，功率因数可以达到其额定值的0.95以上，因此，离心水泵工作条件系数（1.05～1.10）选取其较大值1.10。

（2）管道改造

适当增大管径、降低管内流速以减少沿程损失，以及减少叉管、增大弯头角度以减少局部损失，是提高管道效率的主要途径。

管道改造要同时考虑其改造费用以及改造后的运行费用，对于运行管理单位应侧重于其改造后的运行费。钢筒混凝土管道PCCP为工厂化生产，质量容易保证，内部光滑，兼具钢管和混凝土管的优点，能承受很高的内外荷载，又有许多其他管材不具备的优良特性，并且使用寿命长，因此主管道选择PCCP管道，管内流速控制在2m/s以下，选择1200mm管径。

（3）管道附属设备改造

管道附属设备的改造不仅要考虑其工作的可靠性，更要考虑其节能性。由于科技的发展，目前国内生产的液控缓闭止回阀已经完全能够代替原来的止回阀和水锤消除器，该阀门比一般的止回阀节能30%，突然停机时分为快关、慢关两个阶段，因此能很好地消除水锤。

（4）改“高射炮”式出流为淹没式虹吸出流

大禹渡二级泵站原设计为“高射炮”式出流，此次改造为淹没式出流，为防止停机时水体倒流，在出水管最顶端加装真空破坏阀，可以减少0.5m的无效扬程。

大禹渡二级泵站在改造中安装多功能电能表、流量计以及扬程测量仪表，实现泵站计算机综合自动化监控，开发了能够实时测量水泵效率、电机效率、管道效率的软件，开发了能够根据历史运行数据和给定的总流量选择开机组合，为运行人员提供决策支持的管理软件。建立起水泵叶轮口环等易损部件自然寿命运行周期内水泵效率与运行时间的关系曲线。通过两年资料积累，建立了水泵效率与运行时间的关系曲线，多曲线进行比较叠加，可以找出水泵效率明显开始下降的发生概率最大的转折点的运行时间（或者平均运行时间）。此转折点就是泵站节能运行的临界点、报警点和提醒点，低于此点即要进行检修更换。

通过此软件实现了装置效率和流量下限报警，提示检修，并实现了满足流量的情况下装置效率较高的机组进行组合运行，从而实现泵站的能源单耗最低。

四、更新改造的效果

1.泵站设备完好率大幅度提高

大禹渡二级泵站改造以来，设备的可靠性大幅度提高，电气及机械事故基本杜绝，目前设备完好率已由原来的70%提高到90%。

2.供水可靠性提高，提水量成倍增加

二级泵站改造后，流量增加，设备完好率提高，可靠性提高，泵站供水能力得以提升。加之灌区节水改造的实施和灌溉电价的下降，大禹渡灌溉提水量逐年增加，2010年尽管降雨量较往年全年增加三成，但提水量比2005年全年的2 000万m3增加1倍还多，达到4 500万m3。

3.装置效率提高，能源单耗下降

二级泵站能源单耗由改造前2005年的平均5.1kWh/（kt·m），下降到2009年的平均3.8kWh/（kt·m）。据中国灌溉排水发展中心水机现场检测站2008年现场检测，二级泵站#2水泵机组装置效率为72.6%，改造前的2005年检测只有57.8%。按截至目前的提水量4 500万m3计算，2010年实际已可节电1 130万kWh，计划提水6 000万m3，预计年可节电1 500万kWh。