王福軍：守護農田水利的心臟

王方

“只有到泵站里去，我才感到踏實，只有為泵站解決了問題，我才有成就感。”中國農業大學教授王福軍說道。大型灌溉排水泵站在農業灌溉提水、防洪排澇體系中占有重要地位，王福軍帶領團隊奔走祖國大山水源，只為守護它們。

他領銜的“大型灌溉排水泵站更新改造關鍵技術及應用”項目，通過十多年聯合攻關，取得了一系列創新成果，榮獲2017年度國家科學技術進步獎二等獎。

水利是農業的命脈

水只會從高處往低處流，要想讓地表水往更高處、更遠處流動，灌溉農田，還得靠泵站。人的血液能夠在周身流動，其與心臟的關系大抵如此。“1934年，毛澤東主席高瞻遠矚，指出‘水利是農業的命脈。”王福軍說，現代農業中，泵站則是水利的心臟。

大型灌溉排水泵站是指設計流量大于50立方米/秒或裝機功率大于10000千瓦的灌溉排水泵站，它擔負著農田灌溉與排澇任務，是保證糧食安全和生態安全的重要農業基礎設施。

王福軍介紹，我國泵站類型和規模均居世界之首，大型灌溉排水泵站有效灌溉面積1.92億畝，占全國總有效灌溉面積20.1%；有效排澇面積1.37億畝，占全國總排澇面積42.9%；年耗電約320億千瓦·時。

生產占全國總產量1/4的糧食，保護著1.5億群眾的生命財產安全，然而，大型灌溉排水泵站普遍存在裝置效率低、運行穩定性差、供水保證率不足的問題，面臨著艱巨的更新改造任務。

“目前我國大型灌溉排水泵站的布局是20世紀70～80年代確定的，運行到現在出現了老化和性能下降的情況，還受到了河湖水位變幅大、水中泥沙含量高等客觀因素及泵站技術體系不健全等主觀因素限制。”王福軍及其團隊調研了全國百余處（座）大型灌溉排水泵站，敏銳地指出了共性問題所在。

在美國、荷蘭、中國等世界多數國家，灌溉排水泵站均是農業領域最為耗能的設施裝備。

王福軍以一座小型泵站為例算了一筆賬：一臺泵功率7500千瓦，全天24小時運轉將耗電近20萬度，按照一座泵站裝8臺泵、一度電1元算，一天的電費就得160萬元。許多大型泵站用電更多。

“大型灌溉排水泵站必須要提高運行穩定性和節能降耗，這也是我們更新改造關鍵技術研究的主要目標。”王福軍說。

項目組自2006年開始，在國家科技支撐計劃和國家自然科學基金重點項目等支持下，依托水利部“全國大型灌溉排水泵站更新改造項目（2010～2015）”，采用理論分析、數值模擬、模型試驗與現場測試相結合的方法，系統開展了大型灌溉排水泵站更新改造關鍵技術研究，取得了一系列創新性成果。

為泵站換“心臟”

山西尊村灌區的一座泵站于2009年進行機組更新，安裝了4臺某知名水泵公司設計制造的大型雙吸離心泵，投入運行后不到一個月，因壓力脈動大而導致振動突出，葉片出現裂紋，于是泵站就此“罷工”。2012年，尊村引黃灌溉管理局采用王福軍團隊的技術為泵站換“心臟”。

王福軍形象地描述，泵站壓力脈動大，如同人的心臟跳動快，會帶來穩定性差、噪聲大、磨損、泄露等一系列問題。尊村泵站實現了安全穩定運行，新換的泵正是項目組研制出的超低壓力脈動高效雙吸離心泵。

項目組首次發現離心泵葉片載荷分布對壓力脈動有顯著影響，在此基礎上形成了定量化的離心泵“交替加載技術”，設計了交替加載式雙吸離心泵。葉輪呈“V交錯構形”，與傳統葉輪明顯不同。傳統葉輪存在的螺旋流動現象在交替加載式葉輪內基本消失。

水的流動會形成渦，如果我們仔細觀察，會發現橋墩尾部有動態渦街。大型灌溉排水泵站也是如此，前池與進水池存在不同尺度渦街以及表面渦、附壁渦等。這是導致機組運行穩定性差的主要原因之一。

項目組基于瞬態渦街計算模型，提出了以變高度導流墩和X型消渦板為結構特征的泵站控渦技術。其中，設置于前池并與最低水位平齊的八字型導流墩用于消除大尺度回流渦；其后順水逐漸降低的川字型導流墩用于對八字墩尾部瞬態渦街進行二次整流；末端的X型消渦板用于消除附底渦和附壁渦。

廣東永湖泵站，其前池存在大尺度旋渦及附壁渦。王福軍團隊為之新增設八字墩和川字墩。改造后，泵站回流系數達到0.166，優于國內外現有技術所能達到的0.218；水泵振動烈度由5.96毫米/秒下降至2.37毫米/秒，泵站運行穩定性大幅度提高。

王福軍介紹，大型灌溉排水泵站一般采用蝶閥或球閥進行工況調節，由于依賴液控或電控等外部動力源，在停泵時不可避免地存在一些問題：若提早關閉，形成直接水錘；若延遲關閉，又有倒流喘振。

項目組實現了擺脫外部動力源的束縛，只靠水壓能量進行啟閉控制。依據“泵站自適應多段式控制模式”，創制了由閥前后水流壓差驅動的自平衡式水力控制腔，用于驅動大小兩個獨立閥板。如此，新控制閥讓泵站直接水錘發生概率和倒流喘振發生概率由傳統的40%左右直接降為0。

項目組集成創新了渾水條件下泵站流道“流態匹配技術”，制訂了泵站高效穩定運行技術規范，解決了泵站偏離設計工況運行問題。該項成果有力支撐了我國大型灌溉排水泵站更新改造技術標準體系，幾乎應用到了全國近五年改造的所有大型灌溉排水泵站，裝置效率平均提高13.4%。

重拾健康的泵站

與國內外同類技術對比，王福軍團隊“大型灌溉排水泵站更新改造關鍵技術及應用”中4項關鍵技術的指標參數均是占優的，或者是填補該領域國內外空白的。

以泵為例，項目組所研制的比轉速125的交替載加載式雙吸離心泵水力模型，經第三方測試，最優效率達90.6%，壓力脈動只有6.56%。而目前國外同類產品的最優效率為89.0%，壓力脈動約為11.56%。

王福軍團隊成果已在129處（座）大型灌溉排水泵站得到應用，占列入水利部“全國大型灌溉排水泵站更新改造規劃（2010～2015）”并已完成更新改造的大型泵站總量的67%，覆蓋黃河流域80%以上的大型灌溉泵站。

國內大型水泵制造廠采用交替加載技術制造的大型離心泵已達8400臺，在山西尊村泵站等大規模應用。控渦技術已在全國80多座泵站得到應用。新控制閥在甘肅西岔泵站、福建鴨姆潭左泵站等泵站得到應用。安徽眾興泵站應用流態匹配技術，泵站裝置效率由原來的61.8%提高至79.4%，能源單耗下降至3.91千瓦·時/千噸·米……

在該項目整體技術大規模應用之前，我國大型灌溉排水泵站裝置效率平均只有40%，水泵壓力脈動高達33%，灌溉/排水保證率不足60%。換泵、控渦、換閥，實現最佳匹配，圍繞“心臟”的一系列改造讓大型灌溉排水泵站獲得了新生機。

如今，大型泵站能源單耗平均降低1.1千瓦·時/千噸·米，壓力脈動平均下降到9.1%，灌溉保證率提高9.4%。根據應用證明統計，近三年內為國家節電5.03億千瓦·時，增產糧食11.87億公斤，取得了顯著的社會和經濟效益。

“中國農業大學、中國灌溉排水發展中心、中國水利水電科學研究院、株洲南方閥門股份有限公司、上海連成（集團）有限公司等，我們是一個團隊，分工明確、優勢互補、聯合攻關，共同建立了項目主要成果。”王福軍說。

項目成果覆蓋我國灌溉排水面積1.67億畝，提高了這些區域的灌溉保證率及綜合供水能力，保障了糧食生產和人畜飲水需求，提高了排澇能力和排澇標準。這是科學家們心中最愿意看到的場景。