1、夹马口泉杜泵站概况
夹马口节水改扩建灌区位于山西省最南部的运城市峨嵋台垣上,当地气候温和,光照充足,土地肥沃,适宜农作物生产,再加上当地昼夜温差大,尤其适宜优质苹果的种植,是山西省重要的粮棉和水果生产基地,又是严重缺水的地区之一。
为了改变农业生产条件,利用山西省新水源工程建设的良好机遇,在现夹马口引黄工程的基础上,在灌区中部的泉杜村兴建二级提水泵站,该泵站设计灌溉面积2.7万hm2,设计提水流量12.0m3/s,设计扬程155.6m.厂房内安装6台SLOW-78×2型泵,配Y1000-8型电机,和1台600DS-76×2型泵,配Y800-6型电机,大泵流量2.3m3/s,小泵流量1.3m3/s.该工程以黄河为水源,黄河含沙量之高,堪称世界之最。
泥沙的主要成份为高硬度的石英和长石占90以上,颗粒形状以尖角和棱形为主,泥沙的磨损导致水泵流量迅速减小,效率快速下降,能源单耗增大,汽蚀会提前发生,因而泥沙磨损和汽蚀会同时存在,互相促进,加速并加剧了水泵过流部件的破坏进程。泵内产生汽蚀,将会减少过流断面,增加摩阻损失,随之使水泵运行中产生很大噪音和强烈振动,水泵叶片损坏,严重时还会使水泵停止出水,影响泵站安全运行。为此最大限度地减轻泥沙对水泵性能的影响,减小汽蚀现象发生,提高水泵效率,确保机组安全,稳定,高效运行,是设计人员值得注意的问题。
2、泥沙对水泵的磨蚀
水中含沙量不同,造成水泵的机械损失,容积损失及水力损失也有所不同。由于含沙水流使水泵三种损失有所增加,局部效率下降,使水泵整体效率明显下降。并造成机组振动加剧,检修工作量加大,部件使用寿命缩短以致很快报废。
泥沙对水泵的磨蚀破坏最严重的部位常在叶轮的密封处,其次是叶轮的出口处,其余部位的磨蚀破坏相对较轻。据水泵运行情况观测,由于泥沙磨损,水泵运行2500h,泵效率降低25~30.如夹马口一级站,扬程71m,水泵为负吸程,由于大量泥沙抽入泵体,造成水泵严重磨损和汽蚀,在汛期水泵连续运行200h,叶片边缘出现很多汽蚀孔洞,叶片磨短50~100mm,口环内径由410mm磨大至425mm,间隙泄漏水量达0.18m3/s,效率严重下降,抽水量愈来愈小,叶轮和口环报废,非汛期叶轮寿命仅有500h左右。单泵设计流量为0.95m3/s,全年平均出水量为0.807m3/s,比设计降低15.又如陕西东雷二级泵站,泵设计流量2.2m3/s,设计扬程225m,由于水流含沙量较大,该泵站运行100h左右,密封间隙处出现长5~8mm,宽约2mm顺水流方向均匀密布的沟槽,运行500~600h间隙增大至8~15mm,口环随即报废,叶轮出口损坏程度略好于密封间隙处,运行200~300h,叶片出口磨损3~5mm,磨深4~6mm,运行800h,叶片磨损10mm以上。
针对含沙水流对水泵的磨蚀,多年来设计院和各管理单位积极采用多种防治措施。不仅从源头修建沉沙设施对泥沙进行处理,减少大颗粒泥沙进入水泵,而且也从泵体和叶轮的材质上进行改进,如泵体和叶轮采用耐磨材质,或对叶轮喷涂防护层等,使水泵抗磨蚀问题得到大大缓解。
3、泉杜站水泵抗磨蚀问题的改进
根据沿黄泵站过流部件磨蚀原因分析,要改善水泵适应含沙浑水性能,延长水泵使用寿命,确保机组安全,稳定,高效运行,主要采取以下多种措施。
3.1降低水源含沙量为解决夹马口,小樊,尊村三站水源脱流问题,兴建浪店水源工程,由于建设资金没有完全到位,于2000年底停缓建。停建时已建成了"吴王-夹马口"8.0km输水渠,输水流量42.9m3/s.扩建灌区和原灌区需渠首吴王水源站提水流量为30.5m3/s,该输水渠相当于夹马口一级站前的沉沙条渠。通过8.0km输水渠落淤沉沙,减沙防沙效果十分明显。据实测,当黄河水含沙量25kg/m3时,到夹马口一级站含沙量为5.0kg/m3左右,且大部分为悬移质,而沉积在8.0km输水渠中的泥沙采用泥浆泵抽排到黄河。泉杜泵站位于一级站干渠桩号23 300处,到泵站引水口泥沙含量为2~3.0kg/m3.
3.2选择低转速水泵,减小水泵工作压力泥沙的磨损与水泵的转速和压力(或扬程)有密切关系。
水泵过流部件在相同材质和相同输送介质时,磨蚀量与水流速度的3次方成正比。泵内相对流速愈小,水泵抗磨蚀性能就愈好。在实际工程中,含沙水流对低扬程泵站过流部件的磨损远低于高扬程泵站。当水泵转速低于1000r/min,其泥沙磨损程度大大降低。对泉杜高扬程泵站,降低泵内水流速度的措施是选用多级叶轮减小单级叶轮扬程。在流量和扬程确定的条件下,采用两级叶轮的相对速度约为一级叶轮的1/2,承受的压力减少一倍,则其磨损量约为一级叶轮磨损量的12.如大禹渡二级站,地形扬程193.2m,水泵改造时选用KSY1900~105×2两级中开离心泵,运行1年后测试,泵效率为85.2,能源单耗降低1.16kW.h/(kt.m),过流部件叶轮,口环磨蚀较小,但水泵转速偏高(1485r/min)。则水泵采用两级叶轮结构。
3.3选用耐磨材质
清水泵多为铸铁铸造而成,在含沙水流中使用磨蚀严重。采用抗磨蚀性能优良的材料作泵体材质,使用寿命可延长一倍以上。如尊村二级站水泵改造时,将普通铸铁32SH-19型泵更换成同型号球墨铸铁水泵,运行两年后叶轮,口环基本无磨损痕迹。经测试,泵效率比改造前提高25,能源单耗降低了2.3kW.h/(kt.m),单机出水量由1.0m3/s增大到1.6m3/s.水泵过流部件抗磨蚀能力,可通过两种途径提高部件的抗磨蚀性能,一是采用抗磨蚀性能好的材料制作叶轮和口环等。如陕西东雷二级站叶轮采用硬度较大的不锈钢(ZG2Cr13)材料,运行1800h后水泵叶片仍均磨短105mm,叶轮直径磨小12mm,叶轮前后盖板多处穿孔,出水量减小,效率下降5.0.不锈钢叶轮使用寿命较铸铁延长一倍,但不锈钢叶轮价格为16万元,比铸铁叶轮高出数倍。二是在过流部件表面敷设抗磨蚀性能良好的涂层,该技术在沿黄泵站管理维护中得到普遍应用。
由于钢材机械性能优于铸铁,其硬度和韧性能较好地抵抗泥沙磨蚀,且易于加工和焊接维修,表面光洁度好,造价低廉,其性价比较优。近年来,在沿黄一带的甘肃景泰川,陕西东雷泵站广泛采用了优质钢板热压成型焊接叶轮,使用寿命比原铸铁或合金铸铁材质的叶轮延长了1.5~2.0倍,取得了理想的效果。
经分析,泉杜泵站泵体材料选择耐磨性能良好的铸钢制作,并便于焊接维护,叶轮采用钢板热压成型焊接结构。
3.4水泵结构改进
为减小含沙水流对水泵的磨蚀,应采用低转速水泵,依据上述分析,泉杜二级站离心泵应采用两级结构;叶轮为单级扬程较小,各水泵生产厂商均有普遍使用的水力模型;泵体采用抗磨蚀性能优良的铸钢,叶轮采用钢板热压成型焊接结构。
多年来,沿黄泵站离心水泵没有使用双吸多级结构泵。
上世纪70年代沈阳水泵厂试制东雷黄河1号泵,黄河2号泵和2002年湖南天一科技公司给大禹渡二级站研制的KSY1900-105×2离心泵,均为单吸双级结构,两种泵结构相似,两级叶轮之间用连通管连接,两级叶轮背靠背对称布置,叶轮之间用隔离密封环密封。由于含沙水流的冲磨,两级间隔离密封间隙因磨损增大速度较快,级间的泄漏量也随之增大,存在着两级间叶轮抽送流量大小不等,即高低压间互相串水,使水泵轴向推力的平衡条件遭到破坏,造成推力轴承易损坏。如东雷二级站单机功率8000KW,一般轴承使用寿命仅200~300h.要消除不平衡轴向水推力,确保推力轴承平衡运行的办法是减小级间泄漏量,使各级叶轮工作在平衡状态,则应采用双吸结构,其优点是级间密封间隙两端的水头差很小,级间泄漏量极小,同级叶轮对称布置,流量,扬程相同,级间密封泄漏量和叶轮密封泄漏量相同,不会引起轴向水推力失衡。
双吸多级离心泵,国际上发达国家采用较多,国内2005年仅在陕西东雷二级站试制1台,还无成熟经验。多次与高等院校,水泵生产商研讨,针对泉杜二级站抽水流量,扬程等具体情况,结合东雷泵站研发基础,决定采用卧式双吸两级离心水泵,两级间无导叶,直接连接。水泵轴长4.58m,宽3.0m.单泵设计流量2.3m3/s,扬程155.0m,转速750r/min.
3.5合理确定水泵安装高程水泵安装高程
合理与否直接影响水泵安全,稳定运行和厂房土建投资。若水泵安装高程使叶轮在前池水面以下时,较长时间停泵而使泥沙沉积在叶轮底部和口环底部,当水泵运行时,叶轮在泥沙中高速运转,磨损十分严重。此情况可在停机时关闭进水闸门得到解决,但增大厂房土建工程投资。
为了使水泵稳定正常运行,减小水泵汽蚀现象发生,需要尽量降低水泵安装高程。由多年运行表明,水泵汽蚀性能的好坏直接影响水泵磨损程度,而严重磨损又引起汽蚀现象的加大,此种破坏是清水汽蚀破坏程度10倍以上。因此,解决泉杜泵站水泵磨蚀问题的措施之一是降低水泵安装高程,改善水泵的汽蚀性能。水泵安装高程确定时,考虑到黄河水含沙量较大,为减轻含沙水流对水泵磨蚀性能影响而形成汽蚀,确保水泵稳定可靠运行,将水泵安装成负吸程,即水泵叶轮顶部低于进水池最低水位0.5m,进水池最低水位406.248m,水泵安装高程404.40m.
4结论
泉杜二级站水泵采用双吸两级结构,泵体为铸钢,叶轮为钢板热压成型焊接,水泵为负吸程安装,自2008年12月开机运行情况良好,流量,扬程,效率均达到设计要求,有力地促进了在含沙水流中高扬程,大流量水泵的研发和制造业的发展,为沿黄泵站更新改造水泵研发制造打下良好基础。泵站在今后管理运行中,加强运行人员培训,提高业务素质,确保两吸水管进水条件相同(防杂草堵塞等),停机时应关闭前池闸门,防止下次开机泥沙淤积吸水管和泵体,更好地为当地农业生产服务。 |