青山水轮泵站的改造成效分析

　　1 目前水轮泵站存在的问题

　　水轮泵是一种以水轮机为原动机，直接带动水泵提水，把开发水力能源和利用所开发的能源于提水或加工等的全过程结合在一起的水力机械。其主要用途是提水灌溉农田，如果配上发电机或农副产品加工机械，在不灌溉的时候也可以进行发电和农副产品加工。其特点是水能利用率高，既不耗油又不耗电，灌溉成本低，可综合利用于发电及加工。根据有关资料，水轮泵的问世已有 100多年历史。我国水轮泵的研制始于 1938 年，上世纪 60 年代是水轮泵站大发展时期，60、70 年代我国兴建了大量的水轮泵站，为我国农田水利灌溉发挥了巨大作用。

　　由于水轮泵站不耗油和电，而且环保，对解决山区丘陵的灌溉，水轮泵站仍然发挥着不可小觑的作用。那么如何在确保工程安全和灌溉的前提下，新建或扩大装机容量，大力开展综合经营，努力提高经挤效益，充分发挥工程效益，是水轮泵站改造面临的重要问题。

　　2 改造前的青山水轮泵站

　　青山水轮泵站位于临澧县澧水中下游的新安镇，是一座以提水灌溉为主，兼顾发电、航运等综合利用的大型水利枢纽工程。枢纽工程座落澧水干流上，控制流域面积15 259 km2，多年平均流量475 m3/ s。其中，泵站枢纽建筑物有主坝、副坝、水轮泵站、电站、船闸等。青山水轮泵站是亚太地区最大的水轮泵站，安装有 35 台水轮泵，总功率11 500 kW。工程于 1966 年动工，到 1972 年主要工程基本建成，机组原生产厂为冷水滩机械厂。工程建设期间，实际完成工程总投资 1. 38 亿元。由于设备运行年代较长，设备磨损、老化严重，已到更新换代的阶段。

　　3 青山水轮泵站的改造

　　初步设计对青山水轮泵站的更新改造布置方案为在原水轮泵房下游约100 m处船闸右岸重建一装机 5 ×2 400 kW水轮泵站，将原泵房加固后仍保持其原有的挡水与过洪功能。

　　3. 1 泵站机组总设计方案

　　根据已运行电站、泵站情况，结合目前新结构、新材料、新工艺的应用情况，确定选用的水轮机是 GD008 － WZ－ 295 轴伸贯流式水轮机，水轮机作为原动机，通过增速器 HGX270 增速后将转速增速至水泵(发电机)需要的转速750 转/min，通过鼓型联轴器与水泵(发电机)连接。增速器采用的是一个输入端，两个输出端。增速器的 3 个轴处在同一平面上，两个输出端中，一个输出轴与水泵连接，另一个输出端与发电机联接，增速器的两个输出轴通过换挡机构分别实现水泵抽水和发电的功能。整套机组的总体布置型式是:由进水方向到出水方向分别是水轮机、增速器、水泵、发电机，各组关键设备在同一平面层上，即同层布置方案。这种方案适用于运行水头低、水轮机转速低的水轮机组。采用齿轮增速后，使水泵处于需要的转速上，同时为发电机采购提供降价的空间，选用小极数的发电机，可减少电站的设备投资。机组的水推力由水轮机承受，推力轴瓦、水导轴承瓦均采用巴氏合金，水轮机通过联轴器与增速器、水泵、发电机连接。在水泵主轴的出轴端设置飞轮和刹车装置，刹车装置在机组正常停机或意外甩负荷时投入使用，保证机组的安全运行。

　　3. 2 水轮泵机组结构设计

　　水轮泵机组结构型式取决于水轮机和水轮泵的结构型式以及它们之间的连接方式。水轮机一般为轴流式或贯流式水轮机，多采用轴流式水轮机;水泵可选用离心泵、轴流泵或混流泵，以离心泵为主。水轮机与水泵连接可同轴直连或采用增速机构连接。

　　3. 2. 1 青山水轮泵站基本参数1) 单泵设计流量:3. 10 m3/ s2) 扬程:设计净扬程 HP= 50 m设计总扬程 HzP= 60 m最低总扬程 Hzmin= 53. 1 m最高总扬程 Hzmax≥60 m3) 台数、泵型:泵站装机台数 5 台;泵型为中开式单级双吸离心泵。

　　3. 2. 2 水轮机选型根据青山水库基本参数及运行要求，首先确定了采用轴伸贯流式水轮机，与轴流定桨式机组相比，轴伸贯流式机组具有土建简单、维护方便、投资省的优点，特别针对8 m以下的水资源而言，优势更明显。轴伸贯流式机组主要是为开发低水头的水力资源、减少电站总体投资规模。

　　模型转轮选择的是原机电部天津电气传动设计研究所研制的轴伸贯流式转轮。共有 GZ006、GZ007、GZ008 三种转轮。就青山水轮泵站的水轮机而言，GZ006、GZ008都可以用，但综合考虑适用水头段，GZ008 转轮更适合。

　　GZ008 转轮具有过流量大、高效区宽阔、抗气蚀性能指标优良的特点。

　　根据青山水轮泵站的水文参数，以及多年设计制造轴伸贯流水轮机的经验，选用 GD008 － WZ － 295 轴伸贯流水轮机，水轮机参数为:转轮直径 2. 95 m额定转速 136. 4 r/min额定输出功率 2 502 kW设计点效率 89%3. 2. 3 水泵选型根据青山水轮泵站对水泵的性能参数要求，选型结果如下:

　　水泵型号及名称:900S －60单泵设计工况:设计流量:Qp =3. 10 m3/ s设计扬程:Hzp= 60 m设计点效率:ηp= 87%额定转速:n =750 r/min水泵与水轮机之间用齿轮增速箱联接，齿轮箱速比 i= 5. 5。

　　3. 2. 4 增速器增速箱安装在水轮机和水泵之间。水轮机与齿轮箱的输入方式采用鼓形齿联轴器，齿轮箱与水泵之间采用鼓形齿联轴器，增速器采用行星齿轮加一级锥齿轮，一个输入轴，两个互成直角的输出轴，且都位于同一中心平面，利用换档机构可以轻松将原动力分别传送到两根输出轴。运动和扭矩首先由水轮机传至齿式联轴器，然后经行星架、行星轮 － 太阳轮啮合副及行星轮 － 内齿轮啮合副，驱动中间轴，再通过换档机构驱动高速轴实现输出。齿轮箱与水泵之间采用鼓形齿联轴器，即可驱动循环冷却水泵工作。齿轮箱应保证在任何工况下，自动均载性能良好。

　　行星轮、太阳轮、锥齿轮、锥齿轴采用 20CrNi2MoA，渗碳淬火磨齿，精度不低于 GB/T10095 －2001 六级，表面硬度 58 ～62HＲC;内齿轮、浮动齿套、高速轴、低速轴采用42CrMo，调质处理;采用进口 SKF 或 FAG 轴承，箱体材料球铁或钢板焊接。

　　齿轮箱采用强制喷油润滑。润滑油系统由储油箱、冷却器、过滤器、润滑油泵、加热器、压力变送器、压差变送器、管道、阀门、油箱温度控制和相关测量仪表组成。工作时，油液由电泵从油箱吸出，经单向阀、过滤器、冷却器等被直接送到齿轮、轴承润滑点，润滑油管路组件的设计确保当管路系统工作在 0. 2 ～0. 4 MPa的名义压力和 50℃的最高油温条件下的时候向减速齿轮箱连续地供油。根据润滑点的要求，通过调节安全阀确定使用压力，当系统的压力超过调节压力时，安全阀将自动打开，部分油液流回油箱;正常工作时，油泵一台工作，一台备用;若设备耗油量由于某种原因需要增加或管路泄漏时，则系统压力将会下降，当下降到调定值时，通过压力控制调节，备用泵自动启动，与工作泵一起工作，直到压力正常时，备用泵自动停止;若油压继续下降到另一更低调定值时，则通过另一压力控制器发出事故警报，并停主机。

　　4 泵站改造后运行情况

　　青山水轮泵站已于 2010 年 6 月投入试运行，机组运行平稳，出水量达到设计要求，基本达到预期目标，相关设备的性能指标如运行平稳度、出水量等均满足了预期的性能指标要求。改造后的机组综合效率由原来的不到55%，提高到 75%。

　　5 结 论

　　青山水轮泵站的改造，总体而言是成功的。该水轮泵站是一种新型的水轮泵站，采用的水轮泵机组是水轮机、水泵、发电机、齿轮箱创新组合，具有抽水量大、发电量大、综合效率高的优点，对国内大量的水轮泵站改造有非常好的借鉴意义。

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