斜式30°轴流泵站新技术的设计与应用

斜30°轴流泵站新技术的设计与应用

1项目概述1.1问题的提出六十年头以来，我国在江河湖泊的地区兴建了数千座大中型泵站，但多以立式轴流泵为主,泵站的流量大，扬程低，装置效率偏低。

产生装置效率偏低的缘由有两点:轴流泵的高效区比较窄水头损失（轴流泵站装置的水头损失，一般要达到l～2m水头）解决扬程泵站的装置效率问题从以下机、泵、管、传、池五个方面进行考虑：提高电机效率研制新的水力模型削减传动损失削减管路损失选择合适的流道，适当增加沉没深度，削减流速

接受这些措施使泵站的效率从40％提到50％左右，但距离60％以上效率的目标仍有很大的差距。1.2立式泵站装置存在的缺陷工程建设方面低扬程泵站大多是建在江河边，出海口等三角洲地区。基础处理的难度特殊大，特殊是地基承载力和开挖深度问题,须要做基础处理。工程管理方面泵站出现故障时，检修困难斜式轴流泵站2主要探讨内容

2.1项目探讨的对象及目的探讨的对象：对斜式30°泵站的结构型式及技术问题进行研究探究探讨的目的：①找寻提凹凸扬程地区泵站装置效率的泵站结构型式；②引用国内外泵站方面的先进施工阅历和新技术、新设备；③使工程具备投资少、机组运用平稳、平安牢靠、机组安装、检修、维护便利的优点。探讨的主要内容⑴确定水泵的主要参数⑵选择配套主电机的主要电气参数⑶探讨水泵与电机的结构形式—斜式30°⑷探讨制作电机与水泵联接的联轴器装置（关键）⑸探讨水中轴承轴总成的结构型式、油封水封、瓦面材料及润滑方式的设计方案⑹探讨流道的主要尺寸，设计合理的流道单线图⑺探讨设计泵站的基础处置及主体工程方案⑻探讨斜式轴流泵站机组监控系统的技术方案，探讨励磁装置及遥控灭磁检测的技术开发⑼探讨机组试运行的技术工作⑽探讨开展泵站现场测试方案3主要技术指标3.1斜30°轴流泵站的基本的要求(1)平面剖面布置合理，占地少,开挖浅，减除地下水处理或钢板桩围墙。(2)进出水流道收缩扩散断面变更匀整，水流平顺稳定，流速变更匀整,使水泵叶轮中心沉没深度小。(3)斜30°水泵汽蚀性能好，泵过水流量大，效率高，运行平稳，结构设计合理，安装检修便利。(4)斜30°电机设计合理，起动力矩大，牵入同步平稳正常,效率高，组装一体，安装、检修便利。(5)适合斜30°水泵、电机的联轴器装置设计合理，能自动消退在平面，同心，摆度的安装误差。(6)水泵、电机配套的辅机少，安装简洁，能自动限制运行，平安牢靠。(7)所配套的辅机设备自动化程度高，能遥控开、停机，远方监视机组运行状况，能远方检测灭磁。(8)泵站的装置效率达到或高于国家有关标准的规定，过泵流量要求比同直径泵大5～8%，扬程范围在0～5m运行，气蚀性能好，振动小于0.12毫米，噪声小于75分贝。3.2基本技术参数（1）泵站的技术参数

迳口二泵站：1800XWB12.5-4.5型斜式30°的轴流泵机组叶轮直径D=1750mm泵的进出口直径为1800mm叶片安装角为O度比转速ns=1000转／分配用湘潭电机厂生产的TXZ800-24／2150同步电动机，装机容量4×800kW泵站设计流量4×12.5=50m3/s泵房机组特征水位：内河：最低运行水位0.6m设计水位0.7m最高运行水位1.2m最高水位1.2m外江：最低运行水位1.7m设计水位4.46m最高运行水位5.29m最高防洪水位5.46m特征扬程：(泵站的扬程损失均按0.6m估算)设计净扬程H设=3.76m平均净扬程H平均=2.55m最大净扬程H最大=4.69m最小净扬程H最小=0.5m（2）水泵的技术参数总扬程H平均=3.22

H设=4.33

H最大=5.17

流量13.812.6811.68效率889087.6轴功率N(千瓦)495598676配用功率(千瓦)800转速n(转／分)

250叶轮直径D(毫米)1750叶片安装角(度)01800XWB12.5-4.5型水泵工作性能曲线

1800XWB12.5-4.5型水泵工作性能曲线图

（3）同步电动机的技术参数TXZ800-24／2150

额定容量800kW额定电压10kV额定电流54.8A功率因数0.9（超前）频率50Hz相数3转速250r/min励磁电流152A励磁电压98.5V电机总重量15900kg

3.3成果的推广应用状况

已经建成及投入运行：17座在建的斜式30°轴流泵站：10座4.1主要特色(1)水流平稳，效率提高效率达到67%，提高效率12%，流量比设计提高15%，振动明显削减。(2)开挖量削减开挖深度削减1.8米，土方开挖削减14%，填方削减10%。(3)底部受力匀整(4)安装检修便利(5)清理污物便利4项目的主要特色和创新点

4.2创新点（1）改进了推力轴承箱的结构设计，确保运行平安牢靠水中轴承选用改进型的弹性金属塑料瓦（新型的FZB03复合塑料），优点是安装时不须要刮瓦，耐磨性能较好；设计出自动供油系统，双线制供油，能够定时、定量、定压力自动供油。（2）解决水中轴承的密封问题，维护便利在结构上设计成便利更换填料和调整松紧的密封装置，填料简洁更换；选用优质的NOK牌油封，确保密封性能的重点。（3）改进了机组连接，安装调试便利接受膜（薄）片联轴器进行水泵电机之间的连接，变形量范围较大，可以有效补偿由于安装和基础位移引起的协作误差。（4）改进接地方式，降低雷击电压损坏设备的机率泵站接地系统改为用基础管桩内构造钢筋连接为接地电极，管桩长而多，增大了接地块体和接地系统的面积，削减了接地电阻的阻值(实测电阻值在0.12—0.18欧)。遥控检查励磁装置的灭磁电阻，在机电排灌行业内是第一次试验调试成功运用，确保同步电动机启动平安。5研制过程

本项目探讨的方略：接受理论与实际相结合，工程技术问题与产品开发相结合的方法，走引进先进技术与推广运用相结合的道路。5.1项目的来源珠江三角洲地势低洼，水系纷繁，洪涝灾难始终是心腹之患。现阶段运用的排涝泵站以立式为主要形式，泵站装置效率一般在45%～50%，难以达到规定的低扬程泵站装置效率55%要求。为提凹凸扬程泵站效益，结合我省取得的卧式装置的成果，提出开展斜式泵站的建设。2001年课题组规划出兴建4个斜30°泵站的方案，首座站是迳口二站，2002年经省计委批准该工程立项，同年开工兴建。5.2分析现有立式泵站装置存在的问题

立式泵站装置存在的问题：效率提不高；开挖深度大（建站基础处理困难，工程造价飚升）5.3探讨确定适合运用的泵站装置的结构形式对比探讨：斜15°装置接受了齿轮箱变速，由于考虑不周，使得其优点没有得到发挥，缺点反而全部暴露。如浙江省盐关泵站和湖南省黄盖湖泵站，水泵与电机必需接受齿轮变速联接，噪音高达105分贝，常常须要维护，降低了装置效率，用户反映差；猫背形式仍摆脱不了水流转弯多、开挖量大的环境；卧式装置的缺点重要是通风、散热、噪音等问题则特殊突出。综合分析日本荷兰等国家泵站的结构，依据珠江三角洲的特点，确定接受斜式布置形式。适合接受的斜式泵站有斜式45°和斜式30°两种，从以下3个方面进行比较：⑴开挖深度：以于水泵直径为1800mm为例，规范要求2倍以上的开挖深度，即立式布置须要3600mm以上；斜式45°为2550mm；而斜式30°只有1800mm，削减开挖深度接近1m；⑵进出水流道：立式泵的进水流道要进行立体变形收缩，水流方向要转90°才能进入叶轮，损失比较大；斜式45°也是立体变形收缩，水流方向要转45°就能进入叶轮，略微简洁，损失削减一些；斜式30°立体变形收缩很小，水流方向只要转30°进入叶轮，拐弯角度更小，水流比较平稳，水力损失也就更少一些；⑶结构形式：斜式30°的水泵电机之间的连接，可以干脆接受膜（薄）片联轴器，变形量范围较大，安装调试便利，可以有效补偿由于安装和基础位移引起的协作误差。

经对比分析，选用斜式30°5.4斜30°水泵技术问题的探讨与磋商对设备进行公开招标，原上海水泵厂（KSB）中标。(1)水泵结构要求接受斜式30°的中开剖分形式。(2)要求整泵中开面剖分线安装在一条直线上，便利安装止水和拆卸。(3)要求水中轴承总成座设计为带圆弧形（半园型球面）支座，可在平行大轴方向微动，自动调整安装精度的不足。(4)要求水中轴承的油封选用国际名牌（NOK）产品，两道封油，一道封水。(5)推力轴承箱填料和密封的结构设计。(6)解决水泵轴与电机轴的联接型式-膜(薄)片联轴器(7)进水流道及出水导流进水流道选择肘型，设导向板30°的水流导向(8)选用较优良的水力模型选用1000比转速的水力模型。第一批生产4台1.8m直径，比转速Ns＝1000的水泵，配套4台24极高压电机，总装机3200kW。（9）关于轴承的间隙问题轴瓦磨损严峻的主要缘由是间隙过小，当然过大也不行，确定了用稀油轴瓦间隙为：0.20～0.28mm；用干油（油脂）的间隙为：0.48～0.56mm。6.1厂房基础基础事实上是没有顶板和纵横内墙的箱形基础。由于没有顶部和中间隔墙，箱形基础刚度大打折扣。整体刚度主要靠两侧墙来提高，沿墙周边与底板的联接，要设置附加的加强钢筋，保证钢筋牢靠锚固，侧墙的高度和厚度，要适当增加。为削减开裂，侧墙沿高度每隔30毫米应设置纵向构造钢筋。6.2底板不设变形缝 底板不宜分缝。为削减不匀整沉降，可在底板下接受桩基础，支沉在基岩上；调整泵房的荷载分布，使底板的形心尽量与建筑物长期竖向荷载的合力点重合。为削减温度应力，厂房上部可设温度缝或用刚度较小的结构形式。6.3提高底板的防渗实力底板下应有100mm厚的垫层，混凝土的疼惜层不少于50mm。降低水灰比，减小水化热，同时降低混凝土的入仓温度，提高混凝土的浇筑质量，主要措施有：选用优质水泥和砂石材料，提高捣制的密实性，或在混凝土中掺入有塑化作用的减水剂。必要时还可在构件临土面设有机防水涂层。6关键技术及解决方案

6.4增加通风散热的实力对改善通风提出几项措施：进风窗的位置要尽量降低，面积要加大。一般进风口在进水方向，泵房只要在高出最高内水位处就可以设窗；出风口要尽量低，面积也要增大，必需接受强迫通风的方法，最有效是在电机出口处装风机，将热风干脆排出厂房。6.5斜式装置的另一缺点是噪声过大电机水泵同一层，发出的声音相互加强，实测达80多分贝，目前尚无好方法，只能从设备提高精度，搞好平衡，加强润滑等考虑。7斜式30°电机水泵结构及新技术的应用

7.1斜式30°电机、水泵的结构特点电动机的结构特点及绝缘处理电机内部结构为开敞式长机座,端盖式滚动轴承结构，在电机的传动轴伸端，设计有能够良好地定中心。电机轴伸端所接受的轴向止推滚珠轴承。

定子线圈绕组接受F级绝缘，线圈主绝缘接受多层半叠包粉云母带结构。定子绕组嵌线后，整个定子按工艺规定进行了真空压力无溶剂整浸VPI绝缘处理技术，泵房机组水泵的结构特点该泵的泵轴线与水平夹角成30°倾斜安装。固定部分为进水锥管段、叶轮外壳段、出水导叶圈段、出水弯管段组成水泵外壳体。转动部分由前锥头、叶轮、泵轴组成。水导轴承座由导叶圈支承，滚珠轴承及推力轴承座箱设在出水管段的填料槽外侧。水导轴承为巴氏合金瓦，油脂润滑。滚珠轴承和推力轴承均为进口的SKF型原装轴承，轴承箱内注稀油润滑。该泵效率高、扬程低、流量大、安装较立式泵简洁。7.2新技术新设备的应用7.2.1MP膜(薄)片联轴器的应用安装位置：安装在水泵轴端与电动机轴端之间，两轴端距离800mm的空位上。最大特点：它是一种全金属刚挠性联轴器，既能满足径向传递扭矩的刚性作用，又能补偿角向等位移的挠性作用。7.2.2半圆型(球面)水导轴承座的应用

水泵水导轴承接受金属轴瓦（后改为新型的FZB03复合塑料代替）加注干油（即润滑脂）的形式。半圆型(球面)水导轴瓦支座可绕垂直泵轴线的轴瓦座中心轴微量转动，这对轴承的磨合刮瓦和安装带来了极大的便利。轴瓦座在轴瓦两端分别装有两道橡胶油封封油，一道油封封水，以防止或削减干油的外出和水渗进油滑面。轴瓦的中间设有一道油槽，油槽经一油孔引出泵体外接管加油，由电动供油系统按时按量加油。7.2.3LZK-3A型可控硅励磁装置的应用

本站同步电动机的励磁装置选用LZK-3A型同步电动机可硅励磁装置。主电路接受无续流二极管的新型三相桥式半控整流电路及先进成熟的自冷式双面热管散热技术，取消了冷却风机，运用寿命长，运行噪声极低；装置以新颖 的励磁调整器为限制核心，可随意设定为闭环可调的恒功率因数、恒电流、恒电压或恒触发角度运行方式，且四种运行方式自动跟踪工作点，可实现无扰动切换；装置启动限制回路具有良好的异步驱动特性。装置具有完善牢靠的带励失步、失励失步疼惜系统。装置接受菜单按键设定、调整励磁参数和选择励磁方式。装置限制回路以可编程序限制器PLC为限制核心，线路简洁牢靠。

迳口电排二站的自动化系统取消常规的电气限制，完全参考“无人值班、少人值守”的要求进行规划设计，综合利用自动化限制、微机疼惜、图像监视和计算机网络、通信技术，建立先进的自动化监视和限制系统。7.2.4自动化监测限制系统的应用7.2.5泵站限流防雷装置的设计与应用

斜式轴流泵站的防雷、接地（即平安接地、疼惜接地、接零等）按规范要求接地电阻小于1欧，雷击放电电流尽量小一些为好，尤其是自动化系统的防雷、接地的要求更高。为此我们实行一些措施：①增大接地体的体积，削减接地电阻值。②接联全部的临水机的金属埋件与整体接地系统接通，大大地增加接地对水体的放电实力，平衡放电电位差值。③利用泵站厂房的底板、墩墙、柱梁、天顶平面的钢筋联成网系统，而且保证足够的导电截面，削减电阻值。④在厂房顶安装AR型限流避雷针（半导体材料），限制雷电的峰值放电电流,使雷击过电压时的电压峰值大大地降低。这些措施实施限制了雷击电流，增大了接地放电块体，削减了接地电阻，平衡和减低接地放电电压，有效地疼惜了机电、电子设备和自动化监控系统。8建设中的改进内容

顺德区乐从镇迳口二站工程,于2002年10月开工，2003年10月试车，200３年己投入排涝运行。泵站外貌泵站前池泵站出水口建设过程中所做的改进内容：⑴泵站接地系统的改进将传统的接地系统的接地电极改为用基础管桩内构造钢筋连接为接地电极，管桩长而多，只须要把各桩头钢筋连接起来，再连接钢板桩闸门槽埋件，形成较大的接地体。⑵无障碍迥转式清污机的选用①由于前面不设计栏污栅，流量较大，引河带来杂物较多，加上清污机的宽度较宽(6.8米)，是我区己装清污机最大的站之一，依据设计图选用刚度较大档次的清污机型，选用28A工字钢和28B槽钢档次；②选用隐藏型(专利)的电动机减速装置，配4千瓦电动机；③其它件依据该档次配选。从结构和型式来说，是目前顺德较先进、牢实、运行平安、牢靠的清污机。⑶自动供油系统本泵站的供油系统，选用先进的双线制供油原理，供油系统装有二台电动干油泵.干油过滤器（GGQ型）、给油器（SGQ-13）、压力操纵阀（YAF-10）、电磁换向阀（DF型）以及电控箱等组成，可按时按量自动加油。该供油系统可调整压力的凹凸，供油时间的长短，供油量的大小，灵敏便利。⑷水泵水中轴承的选用新建站的水中轴承选用改进型的弹性金属塑料瓦（FZB03型复合材料轴瓦），第一次在联安泵站应用一台，已经运行了七年了，效果很好，该瓦的优点是不须要刮瓦，耐磨性能较好。⑸泵外壳中开面在一条直线上，便利安装修理。⑹改进推力轴瓦箱的设计制造，要满足安装修理的便利，平安牢靠。⑺填料密封装置的改进，填料的改换较优质的材料。⑻选用国际名牌的密封圈⑼前后导水弹头的形态设计⑽遥控检测励磁装置的灭磁电阻9与国内同类泵站的性能比较

依据国内外查新：目前“尚未见有与本课题查新点相同的文献报道。”经过6年来，上千台时的运行，排水已达数亿立方米，主要性能在于：（1）安装检修便利：电机与水泵不在同一立面，不用挪动电机就能拆卸水泵，安装检修就变得特殊便利，特殊是运行过程出现故障要紧急抢修水泵，可以削减一半的工作量。（2）水流平稳，效率提高：斜式布置，水流可以干脆进入水泵叶轮，削减了拐弯，弯曲半径也增加，流速分布更加匀整，水流平稳。既提高了效率又改善运行稳定性，经现场测试，效率达到67%，提高效率12个百分点，流量也比设计提高15%，振动也明显削减。（3）开挖量削减：由于流道中心与叶轮轴线一样，开挖只要满足叶轮的沉没就可以，立式泵的底板一般在叶轮中心两倍直径以下，要挖得很深，以1.8米的泵为例，假如立式泵要挖至▽-5.8米，而斜式只需到▽-3.5米，土方开挖削减14%，填方削减10%，既削减造价，运行时又不易淤积。（4）基础应力变得更加匀整：电机和水泵是分开压在基础底板上的，不象立式那样集中压在一处，基础最大压应力由原来的82.5kPa削减到62.61kPa，压应力不匀整系数可从1.5削减到1.09，从而减轻了基础处理的难度，日后也不易发生不匀整沉陷。10斜30°轴流泵站探讨成果的说明10.1装置效率斜30°轴流泵站的装置效率明显高于立式轴流泵站的装置效率,已测的几个斜式30°轴流泵站的装置效率一般在60%～67.4%。10.2主要优点斜30°轴流泵站水泵与机电分别的产品，电机设计整体斜装，结构紧凑，消耗金属材料少；电机斜式起吊，降低了泵站地面建筑高度，起吊高度低，可以降低泵站厂房的高度，大大简化泵站的水工建筑结构。泵站开挖浅，削减工程量，削减造价，给施工带来很大的便利。10.3机组设计方案合理，安装修理管理便利水泵、电机分别单独安装，水泵不需求水平垂直同心摆度、简化了安装程序，电机整体运输启吊安装，电机与水泵联接接受薄片联轴器，能自动调整摆度和同心的误差，削减间接传动的损失。机组修理时只需加油，不需拆装，水泵只须要拆两个盖和外壳即可大修，安装检修、维护管理极为便利。10.4进出水流道设计斜30°泵站进水流道接受肘型的原理进行设计，用立体收缩的设放，转变半径的增大，在出口流道增加设计30°导流装置，使进、出水流道水流平顺损失小，机组运行平稳，装置效率高，实测泵站装置效达到67%，超过了部颁标准。10.5水中轴承总成的结构设计水中轴承总成的结构设计合理、先进，引进国外技术方案，结合斜30°的具体状况，接受半圆形（球面）的支座型式，可以自动消退安装精度误差，使水泵轴瓦面接触好，磨损小，接受改性型（新型的FZB03复合塑料）弹性金属塑料瓦，瓦面材料本身磨擦系数小，耐磨性好，运用寿命长。选用名牌优质密封圈，密封性好，防水性好。选用脂润滑，即使进水，也保持较好的润滑性能，增加了平安运行的牢靠性。10.6自动供油及其辅机系统的设计自动供油装置及其辅机系统的设计先进、牢靠，自动供油装置、排水系统都可以闭环自动限制,同时也可以与上位机联系限制,清污机系统与主机开机联动,也受上位机限制。系统运行牢靠。10.7其它方面的新技术其它方面的新技术还有:MP薄(膜)片弹性联轴器引进应用；改进推力轴瓦箱的设计制造；填料密封装置的改进；水中轴承的密封问题,是水泵平安运行的关键，选用的NOK牌油封圈,增加了密封牢靠性；遥控检查励磁装置的灭磁电阻,增加了自动化集成限制的牢靠保证；泵站限流防雷装置系统的设计与应用（带AP限流避雷针）等技术的应用，使成果更臻完善。

11现场测试

现以顺德市乐从镇迳口二站为例，对斜式30°轴流泵站进行现场测试，其测试结果如下：测试结果表明：四台机组性能均衡，抽水流量均大于8.1m3/s，测试严格依据《泵站现场测试规程》(SDl40-85)中的要求进行，各参数的测量及计算精度均达到规程中的C级精度标准要求，具有较高的测量精度，测量结果