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【摘要】随着南水北调工程的建设和全国大中型泵站的更新改造，水泵机组单机容量和尺寸在不断增大，大型泵站的安全运行问题也引起了各方面的重视。本文列举了大型轴流泵机组故障率较高的部件，重点分析了电机和叶片产生故障的原因，给出了设计、运行及维修建议。
【关键词】轴流泵；泵站；安全运行
The safe operation of large axial flow pump station review
Deng Gui-hua1,Li Dong-zhou2,Sun Dan-dan3
（1.Xuzhou Water Resources Institute of Architectural Design Xuzhou Jiangsu 221000;
2.Xinyi Water Conservancy Bureau Xinyi Jiangsu 221400;
3.Xuzhou Water Resources Institute of Architectural Design Xuzhou Jiangsu 221000）
【Abstract】With the water diversion project construction and renovation of the national medium-sized pumping stations, water pump unit capacity and size continues to increase, the safe operation of large pumping stations caused the problem in all aspects of attention. This article lists the high failure rate of large axial flow pump unit components, focusing on analysis of the motor and blade causes a fault, given the design, operation and maintenance recommendations.
【Key words】Axial flow pump;Pumping station;Safe operation
1. 前言
南水北调东线工程规划建设的泵站需要数百台设计扬程在9m 以下的大型水泵，这些低扬程泵站几乎均可以采用轴流泵机组。随着水泵机组单机容量和尺寸的不断增大，其安全稳定运行问题也日益突出。因此，对轴流泵安全运行进行研究具有重要意义。
大型轴流泵机组结构复杂，零部件多。大部分零部件出现问题不会影响水泵的运行，但是关键部件的故障却会导致机组无法正常运行，甚至出现安全事故。因此，对水泵机组重要部件的安全检查及维护十分必要。典型的大型轴流泵机组主要包括电机和水泵两大部分。电机部分主要包括：上机架、下机架、定子和转子；水泵部分主要包括：叶轮、导叶体、泵轴以及调节机构。
相关调查统计结果表明［1］，水泵机组故障次数较高的部件包括电机、推力瓦、水泵导轴承、叶片以及叶片调节机构。其中以电机绝缘老化和叶片汽蚀故障率最高。
2. 电机绝缘老化
大型轴流泵站多采用大型同步电机，但在长期运行过程中由于电、热、机械力以及其它环境因素的影响，使得由于电机绝缘老化而引起的安全运行问题不时发生，如江都一站、四站以及谏壁站等都出现过电机绝缘击穿故障。随着单机容量的逐渐增加，绝缘系统及材料的等级也有所提高。但由于泵站上电机工作环境较差，站房潮湿、通风不畅，因此要定期对电机绝缘进行相关检查和检测［2～5］。
2.1 外观检查。外观检查是检查电机绝缘是否老化最基本、最直观的方法。采用肉眼看、手按可以发现绝缘严重发胖、流胶、龟裂、剥落失去弹性等绝缘层的表面损伤现象；如果绝缘内部分层和脱壳，可根据小木锤敲击的声音进行判断。
2.2 试验检测。泵站电机电气老化鉴定试验主要有以下几个项目：介质损失角测量、整相绕组第二电流急增点测量、整相绕组交直流耐压、整相绕组局部放电量试验、整相绕组电容增加率试验。要加强对泵站机组日常的运行管理，做好定期电气预防性试验，根据检查和试验结果，及时掌握电机的绝缘状况，准确评估绝缘的老化程度，按照相关规程要求，确定电机投入运行或进行更新改造。此外，还可以安装在线绝缘监测系统，以便及时发现电机绝缘内部存在的缺陷［6］。
3. 叶片汽蚀
叶片是轴流泵的核心部件，叶片汽蚀直接影响着水泵的性能与安全运行。汽蚀主要分为叶面汽蚀、间隙汽蚀和涡带汽蚀。叶面汽蚀中叶片正面汽蚀发生在大流量低扬程工况，背面汽蚀发生在小流量高扬程工况；间隙汽蚀在各工况下均存在，但程度随扬程的增加而增大；涡带汽蚀是由于叶轮进口水流流态不好，产生了漩涡和涡带，大量的气体周期性地带入水泵内，使得叶片低压区产生周期性的叶面汽蚀。
水泵在运行过程中如果产生汽蚀，不仅会影响水流的正常流态，产生噪声及振动，损害过流部件，同时会使得泵的流量、扬程及效率显著下降，水泵使用寿命缩短。要尽量避免或减轻水泵发生汽蚀，可以从以下几方面进行考虑：水泵选型、叶片材料、水泵安装高程、调节水泵工况点、改善进水条件以及提高汽蚀区压强。
3.1 水泵选型。在设计泵站时，要综合考虑泵机组和泵站的投资、运行费用等综合性的技术经济指标。站房的开挖深度与水泵的安装高程密切相关，应该在确保装置汽蚀余量大于水泵允许汽蚀余量的前提下，尽量减小泵房的开挖深度，因此水泵的选型至关重要。水泵的选型首先应该满足泵站设计流量、设计扬程及不同时期供排水的要求，在平均扬程时，水泵应在高效区运行；在整个运行范围内，水泵应能安全、稳定运行。此外，所选择的水泵要具有良好的水力性能以及抗汽蚀性能。
3.2 叶片。首先要提高叶片加工精度。其次，在泵站运行过程中，若水泵叶片已发生汽蚀，但汽蚀不严重，可以对叶片进行修补，同时在易发生汽蚀的部位涂一层环氧树脂，可以提高叶轮表面的抗汽蚀性能，减轻叶轮表面被汽蚀破坏的程度。若叶片已经有穿孔或者部分叶片缺损，就必须更换叶片。目前大型新建泵站或更新改造泵站基本选用化学性能稳定，抗汽蚀能力强的不锈钢叶片。
3.3 水泵安装高度。水泵安装高程是整个泵站各部分高程确定的基准，水泵安装得过低会增大泵房土建投资和施工的难度；过高不能保证装置的汽蚀余量大于水泵的允许汽蚀余量，引起水泵叶片汽蚀、流量和效率的大幅度降低，严重时甚至不能正常工作。因此必须正确确定水泵安装高程。
水泵安装高程由下式确定［7］：
轮低+Hs （1）
其中 Hs Hα+KΔhmin-hv-h1
式中： 轮 水泵叶轮安装高程； 低进口最低运行水位； Hs 水泵允许净吸程； Hα大气压力水头； Δhmin必须汽蚀余量； hv一定温度下水的饱和蒸汽压力水头； h1进水损失。K取1.1～1.3。
3.4 调节水泵工况点。在水泵运行过程中，可采用调节水泵工作点的方法减轻汽蚀。主要方法包括：变角调节、变径调节、变速调节、变压调节和节流调剂。在轴流泵在运行过程中可采用变角调节、降速调节，使水泵工作点在允许汽蚀余量范围内，从而减轻汽蚀现象的危害。
3.5 改善进水条件。进水条件的好差直接关系到泵机组是否能稳定高效运行，除了进水流道的设计要使得叶轮进口水流流态尽可能的平稳、均匀外，在日常泵站的运行过程中还要关注一些辅助设施的运行状况。
拦污栅是保证水泵机组安全稳定运行不可缺少的辅助设施，主要是用来拦截水草、生活垃圾以及其他杂物进入水泵。但是随着拦污栅前杂物的堆积，对水流的阻水作用会逐渐增大。南水北调东线工程梯级泵站来流污物量适中时，清污设备较好与较差的泵站拦污栅水位差分别为 0.5～1.0 m 和 1.5～2.0 m，江苏皂河泵站拦污栅前后最大水位差曾高达2.85m。
若不能及时对拦污栅处的杂物进行清除，则拦污栅前后较大的水位差会使得水泵叶轮淹没深度降低、水泵有效汽蚀余量减小，而水泵由于偏离设计工况，必需汽蚀余量增加，这很有可能会导致水泵产生汽蚀。此外，水位差还会造成机组流量减小、扬程和轴功率上升、效率下降以及机组振动等问题。这不但增加了泵站的运行成本，同时会对泵站的安全运行造成很大的威胁［8］［9］。因此必须要根据泵站的实际情况，选择合适的清污方式及时清理拦污栅处的杂物，以确保泵站的安全稳定运行。
3.6 提高汽蚀区压强。在泵站运行过程中，水泵发生汽蚀主要是因为叶轮进口压力低压水泵允许汽蚀余量。若在水泵进口，注入少量水或空气，即可提高叶轮进口压力，降低汽蚀区的真空度。此外，还可以直接将出水流道中的高压水引入水泵的进口的方法取得相同的效果，但这种方法会使水泵出水量减小，水泵效率降低。江都三站，通过在轴流泵叶片进水侧发生汽蚀的部位，采取钻斜孔的方法，提高了汽蚀区的压强，降低了叶面汽蚀程度。
4. 加强泵站运行管理
泵站是否能安全稳定运行，除了各项设备装置正常运行外，人是关键因素。泵站运行人员对泵站情况的熟悉程度、专业技术水平以及对泵站运行、维修、调度及安全等规章制度的执行程度都关系到泵站的安全运行。因此必须加强泵站的运行管理，强化人员素质［10］。此外应定期对泵站相关人员进行业务培训和考核，鼓励技术和管理创新，培养一批专业技能扎实、责任心强的技术人员。
5. 小结
泵站安全运行是一个复杂的综合性问题，除机械、电气、水力外，设备安装、泵站人员专业素养以及泵站管理体制等都与泵站的安全运行息息相关。任何方面出现问题都有可能导致泵站不能正常运行，甚至出现安全事故。其中故障率最高的是电机绝缘老化以及叶片汽蚀。电机要定期检查和检测，做好保养和修复工作。导致叶片汽蚀的原因较多，除设计和加工原因外，在泵站的日常运行过程中采取适当的措施可以减轻或避免汽蚀的发生。
参考文献
［1］ 姜伟， 曹海红， 仇宝云等. 大型水泵机组故障特点与原因分析［J］. 流体机械， 2009, 37（6）: 39～43.
［2］ 孙振华， 薛井俊， 张鹏. 大型泵站同步电机老化试验探讨［J］. 农村水利， 2009, 23: 29～30.
［3］ 王强、王开谟. 同步电机绝缘老化修复技术研究［J］. 中国农村水利水电， 2006,1: 107～108.
［4］ 朱林海，谢利宗. 泵站电动机绝缘老化原因分析与鉴别［J］. 湖南水利水电， 2003.1: 47～48.
［5］ 刘利贤. 排灌泵站电机绝缘老化原因探讨与鉴别［J］. 科技信息（科学教研）， 2008,17: 209～210.
［6］ 孙振华， 滕海波， 汤建忠. 南水北调江都四站同步电机老化鉴定试验探讨［J］. 中国农村水利水电. 2010, 9: 117～119.
［7］ 严登丰. 泵站工程［M］. 北京：中国水利水电出版社， 2005.
［8］ 王斐， 黄海田. 大型泵站清污设备的应用状况及其改进［J］. 水利电力机械， 2007, 29（12）: 130～136.
［9］ 高朝辉， 仇宝云， 问泽杭. 泵站拦污栅及其清污研究进展［J］. 排灌机械， 2006, 24（2）: 10～15.
［10］ 刘海军， 霍春荣. 浅谈泵站安全运行管理［J］. 水利发展研究， 2009.12: 57～59.
［文章编号］1006-7619（2011）07-26-778
［作者简介］ 邓桂华（1977.07-），男，工作单位：江苏省徐州市水利建筑设计研究院。
【关键词】轴流泵；泵站；安全运行
The safe operation of large axial flow pump station review
Deng Gui-hua1,Li Dong-zhou2,Sun Dan-dan3
（1.Xuzhou Water Resources Institute of Architectural Design Xuzhou Jiangsu 221000;
2.Xinyi Water Conservancy Bureau Xinyi Jiangsu 221400;
3.Xuzhou Water Resources Institute of Architectural Design Xuzhou Jiangsu 221000）
【Abstract】With the water diversion project construction and renovation of the national medium-sized pumping stations, water pump unit capacity and size continues to increase, the safe operation of large pumping stations caused the problem in all aspects of attention. This article lists the high failure rate of large axial flow pump unit components, focusing on analysis of the motor and blade causes a fault, given the design, operation and maintenance recommendations.
【Key words】Axial flow pump;Pumping station;Safe operation
1. 前言
南水北调东线工程规划建设的泵站需要数百台设计扬程在9m 以下的大型水泵，这些低扬程泵站几乎均可以采用轴流泵机组。随着水泵机组单机容量和尺寸的不断增大，其安全稳定运行问题也日益突出。因此，对轴流泵安全运行进行研究具有重要意义。
大型轴流泵机组结构复杂，零部件多。大部分零部件出现问题不会影响水泵的运行，但是关键部件的故障却会导致机组无法正常运行，甚至出现安全事故。因此，对水泵机组重要部件的安全检查及维护十分必要。典型的大型轴流泵机组主要包括电机和水泵两大部分。电机部分主要包括：上机架、下机架、定子和转子；水泵部分主要包括：叶轮、导叶体、泵轴以及调节机构。
相关调查统计结果表明［1］，水泵机组故障次数较高的部件包括电机、推力瓦、水泵导轴承、叶片以及叶片调节机构。其中以电机绝缘老化和叶片汽蚀故障率最高。
2. 电机绝缘老化
大型轴流泵站多采用大型同步电机，但在长期运行过程中由于电、热、机械力以及其它环境因素的影响，使得由于电机绝缘老化而引起的安全运行问题不时发生，如江都一站、四站以及谏壁站等都出现过电机绝缘击穿故障。随着单机容量的逐渐增加，绝缘系统及材料的等级也有所提高。但由于泵站上电机工作环境较差，站房潮湿、通风不畅，因此要定期对电机绝缘进行相关检查和检测［2～5］。
2.1 外观检查。外观检查是检查电机绝缘是否老化最基本、最直观的方法。采用肉眼看、手按可以发现绝缘严重发胖、流胶、龟裂、剥落失去弹性等绝缘层的表面损伤现象；如果绝缘内部分层和脱壳，可根据小木锤敲击的声音进行判断。
2.2 试验检测。泵站电机电气老化鉴定试验主要有以下几个项目：介质损失角测量、整相绕组第二电流急增点测量、整相绕组交直流耐压、整相绕组局部放电量试验、整相绕组电容增加率试验。要加强对泵站机组日常的运行管理，做好定期电气预防性试验，根据检查和试验结果，及时掌握电机的绝缘状况，准确评估绝缘的老化程度，按照相关规程要求，确定电机投入运行或进行更新改造。此外，还可以安装在线绝缘监测系统，以便及时发现电机绝缘内部存在的缺陷［6］。
3. 叶片汽蚀
叶片是轴流泵的核心部件，叶片汽蚀直接影响着水泵的性能与安全运行。汽蚀主要分为叶面汽蚀、间隙汽蚀和涡带汽蚀。叶面汽蚀中叶片正面汽蚀发生在大流量低扬程工况，背面汽蚀发生在小流量高扬程工况；间隙汽蚀在各工况下均存在，但程度随扬程的增加而增大；涡带汽蚀是由于叶轮进口水流流态不好，产生了漩涡和涡带，大量的气体周期性地带入水泵内，使得叶片低压区产生周期性的叶面汽蚀。
水泵在运行过程中如果产生汽蚀，不仅会影响水流的正常流态，产生噪声及振动，损害过流部件，同时会使得泵的流量、扬程及效率显著下降，水泵使用寿命缩短。要尽量避免或减轻水泵发生汽蚀，可以从以下几方面进行考虑：水泵选型、叶片材料、水泵安装高程、调节水泵工况点、改善进水条件以及提高汽蚀区压强。
3.1 水泵选型。在设计泵站时，要综合考虑泵机组和泵站的投资、运行费用等综合性的技术经济指标。站房的开挖深度与水泵的安装高程密切相关，应该在确保装置汽蚀余量大于水泵允许汽蚀余量的前提下，尽量减小泵房的开挖深度，因此水泵的选型至关重要。水泵的选型首先应该满足泵站设计流量、设计扬程及不同时期供排水的要求，在平均扬程时，水泵应在高效区运行；在整个运行范围内，水泵应能安全、稳定运行。此外，所选择的水泵要具有良好的水力性能以及抗汽蚀性能。
3.2 叶片。首先要提高叶片加工精度。其次，在泵站运行过程中，若水泵叶片已发生汽蚀，但汽蚀不严重，可以对叶片进行修补，同时在易发生汽蚀的部位涂一层环氧树脂，可以提高叶轮表面的抗汽蚀性能，减轻叶轮表面被汽蚀破坏的程度。若叶片已经有穿孔或者部分叶片缺损，就必须更换叶片。目前大型新建泵站或更新改造泵站基本选用化学性能稳定，抗汽蚀能力强的不锈钢叶片。
3.3 水泵安装高度。水泵安装高程是整个泵站各部分高程确定的基准，水泵安装得过低会增大泵房土建投资和施工的难度；过高不能保证装置的汽蚀余量大于水泵的允许汽蚀余量，引起水泵叶片汽蚀、流量和效率的大幅度降低，严重时甚至不能正常工作。因此必须正确确定水泵安装高程。
水泵安装高程由下式确定［7］：
轮低+Hs （1）
其中 Hs Hα+KΔhmin-hv-h1
式中： 轮 水泵叶轮安装高程； 低进口最低运行水位； Hs 水泵允许净吸程； Hα大气压力水头； Δhmin必须汽蚀余量； hv一定温度下水的饱和蒸汽压力水头； h1进水损失。K取1.1～1.3。
3.4 调节水泵工况点。在水泵运行过程中，可采用调节水泵工作点的方法减轻汽蚀。主要方法包括：变角调节、变径调节、变速调节、变压调节和节流调剂。在轴流泵在运行过程中可采用变角调节、降速调节，使水泵工作点在允许汽蚀余量范围内，从而减轻汽蚀现象的危害。
3.5 改善进水条件。进水条件的好差直接关系到泵机组是否能稳定高效运行，除了进水流道的设计要使得叶轮进口水流流态尽可能的平稳、均匀外，在日常泵站的运行过程中还要关注一些辅助设施的运行状况。
拦污栅是保证水泵机组安全稳定运行不可缺少的辅助设施，主要是用来拦截水草、生活垃圾以及其他杂物进入水泵。但是随着拦污栅前杂物的堆积，对水流的阻水作用会逐渐增大。南水北调东线工程梯级泵站来流污物量适中时，清污设备较好与较差的泵站拦污栅水位差分别为 0.5～1.0 m 和 1.5～2.0 m，江苏皂河泵站拦污栅前后最大水位差曾高达2.85m。
若不能及时对拦污栅处的杂物进行清除，则拦污栅前后较大的水位差会使得水泵叶轮淹没深度降低、水泵有效汽蚀余量减小，而水泵由于偏离设计工况，必需汽蚀余量增加，这很有可能会导致水泵产生汽蚀。此外，水位差还会造成机组流量减小、扬程和轴功率上升、效率下降以及机组振动等问题。这不但增加了泵站的运行成本，同时会对泵站的安全运行造成很大的威胁［8］［9］。因此必须要根据泵站的实际情况，选择合适的清污方式及时清理拦污栅处的杂物，以确保泵站的安全稳定运行。
3.6 提高汽蚀区压强。在泵站运行过程中，水泵发生汽蚀主要是因为叶轮进口压力低压水泵允许汽蚀余量。若在水泵进口，注入少量水或空气，即可提高叶轮进口压力，降低汽蚀区的真空度。此外，还可以直接将出水流道中的高压水引入水泵的进口的方法取得相同的效果，但这种方法会使水泵出水量减小，水泵效率降低。江都三站，通过在轴流泵叶片进水侧发生汽蚀的部位，采取钻斜孔的方法，提高了汽蚀区的压强，降低了叶面汽蚀程度。
4. 加强泵站运行管理
泵站是否能安全稳定运行，除了各项设备装置正常运行外，人是关键因素。泵站运行人员对泵站情况的熟悉程度、专业技术水平以及对泵站运行、维修、调度及安全等规章制度的执行程度都关系到泵站的安全运行。因此必须加强泵站的运行管理，强化人员素质［10］。此外应定期对泵站相关人员进行业务培训和考核，鼓励技术和管理创新，培养一批专业技能扎实、责任心强的技术人员。
5. 小结
泵站安全运行是一个复杂的综合性问题，除机械、电气、水力外，设备安装、泵站人员专业素养以及泵站管理体制等都与泵站的安全运行息息相关。任何方面出现问题都有可能导致泵站不能正常运行，甚至出现安全事故。其中故障率最高的是电机绝缘老化以及叶片汽蚀。电机要定期检查和检测，做好保养和修复工作。导致叶片汽蚀的原因较多，除设计和加工原因外，在泵站的日常运行过程中采取适当的措施可以减轻或避免汽蚀的发生。
参考文献
［1］ 姜伟， 曹海红， 仇宝云等. 大型水泵机组故障特点与原因分析［J］. 流体机械， 2009, 37（6）: 39～43.
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［7］ 严登丰. 泵站工程［M］. 北京：中国水利水电出版社， 2005.
［8］ 王斐， 黄海田. 大型泵站清污设备的应用状况及其改进［J］. 水利电力机械， 2007, 29（12）: 130～136.
［9］ 高朝辉， 仇宝云， 问泽杭. 泵站拦污栅及其清污研究进展［J］. 排灌机械， 2006, 24（2）: 10～15.
［10］ 刘海军， 霍春荣. 浅谈泵站安全运行管理［J］. 水利发展研究， 2009.12: 57～59.
［文章编号］1006-7619（2011）07-26-778
［作者简介］ 邓桂华（1977.07-），男，工作单位：江苏省徐州市水利建筑设计研究院。