黃河高揚程大型泵站水泵設計選型中存在的技術難題及解決方案

肖 靜

(山西小浪底引黃水務有限公司，山西 太原 030032)

1 工程背景

本工程位于山西省南部的運城市境內，工程總體走勢為東南～西北向，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程庫區向山西省涑水河流域調水的大型引調水工程。工程南靠黃河，北到涑水河流域與臨汾市接壤，東面和晉城市相連，工程地跨運城市中東部大部分縣市。工程建設目的是解決運城鹽湖區、聞喜、絳縣、夏縣、垣曲五縣(區)農業灌溉、工業及城鎮生活、生態用水問題。工程引水干線建筑物主要包括輸水隧洞、進水塔、地下泵站、板澗河調蓄水庫和末端呂莊水庫出水池。工程設計流量20 m3/s，年引水量2.47億m3，農業灌溉面積63.58萬畝。本工程等別為Ⅱ等，地下泵站為1級建筑物。地下泵站布置6臺水泵機組，總裝機容量94500 kW。

2 技術難點

2.1 高揚程

本工程引水干線取水口位于垣曲縣境內黃河干流上的小浪底水庫庫區左岸，板澗河入黃口上游黃河左岸600 m處，由于受地形條件所限，采用一級泵站提水，泵站設計揚程236 m，最高揚程達266 m。目前，無論是臥式泵還是立式泵，黃河流域如此高揚程的泵站國內尚無可借鑒的實例，立式泵國外雖然已有成功運行的實例，但其所抽送的水體的泥沙含量與黃河無法相比。

2.2 取水水位變幅大

工程最低取水水位230 m，設計取水水位265 m，最高取水水位275 m，水位變幅大，高達45 m。不同時期不同水位，水泵的揚程不同，如何在如此大的水位變幅下保證水泵處于高效率運行，這就主要考慮水泵工作點、性能參數的確定以及生產加工制造水平。而水泵的效率提高，有利于降低泵站能耗，降低提水成本，更有利于發揮工程效益。從目前掌握的技術資料看，國內生產企業還無類似高揚程多級泵生產制造業績，只有國外幾個知名廠家有生產制造能力，而相應設備采購成本就較國內廠家高，如何選擇適合本工程的水泵類型必須綜合考慮。

2.3 泥沙含量高

泥沙問題是黃河上修建泵站不可避免的問題，也是必須重視的難點問題。泥沙對水泵磨損后產生的不良后果是多方面的，不僅會破壞水泵的過流部件，導致零部件或葉輪頻繁修復或更換，而且對水泵性能也將產生很不利的影響。如使水泵過流部件造成磨損與汽蝕聯合破壞，增加部件破壞速度。尤其是葉片和口環磨損后導致間隙泄漏水量增加，使水泵過水流量減小，水泵運行在非最優工況區，水泵效率嚴重下降，振動擺度增大，給水泵安全運行帶來嚴重威脅。

在黃河上修建高揚程大型泵站泥沙問題更為明顯，其葉輪受汽蝕和泥沙磨損的情況尤為嚴重，增加了泵站運行和維護的成本[2]。本工程自黃河干流上的小浪底水庫取水同樣存在泥沙問題，根據小浪底水庫的泥沙資料，水泵設計過機泥沙含量將超過5 kg/m3，汛期泥沙含量可達18 kg。而我省萬家寨引黃工程汛期泥沙含量5 kg/m3，但是其設計揚程僅140 m，而本工程水泵最高運行揚程266 m，如此高揚程、高泥沙含量，如何提高水泵的設計、生產加工制造工藝，減少水泵泥沙磨損，保證水泵運行效率、延長設備使用壽命、方便設備后期的運行維護等都需重點考慮。

3 解決方案

3.1 技術論證

自工程2011年立項，2012年初步設計報告批復，就邀請國內水利行業的專家進行技術咨詢，并且與國內外知名的奧地利安德里茨、德國福伊特、日本日立、哈爾濱電機廠、上海電機廠、湘潭電機廠以及東方電機廠等水泵生產廠家，針對本工程的工程情況、邊界條件以及技術難點，多方進行交流、討論、咨詢，共召開專家咨詢會、廠家技術交流以及招標文件審查會十五次，國內外類似項目考察五次，先后考察了萬家寨引黃工程、牛欄江滇池補水工程、西藏羊措雍湖電站、國外的KopsⅠ、KopsⅡ泵站等，交流了解類似工程的建設、運營經驗，為本工程泵站設計提供技術支撐。

最終，經過歷時三年的技術論證，本工程地下泵站完成了水泵設備選型，從設備成本、水泵效率以及使用壽命等方面綜合考慮，確定選用立式單吸雙級蝸殼式離心泵，6臺水泵機組選用同種泵型，單機設計流量5 m3/s，轉速600 r/min，設計揚程236 m，這樣單級揚程就降為118 m，擬采用國際招標的方式確定水泵生產制造廠家。

3.2 效率考核

為解決工程取水水位變幅大的問題，計算出不同水位下的揚程，并根據小浪底水庫水位變化情況，即根據不同時段、不同水位出現的頻率，確定不同揚程下水泵效率的權重因子，在水泵效率確定中引入加權平均效率。加權平均效率按下式計算：

表1 小浪底水泵效率計算加權系數ωj分布

針對所確定的水泵效率加權系數，小浪底引黃工程原型水泵設計要求：在設計工況(即設計揚程、設計流量、額定轉速)下的效率保證值不低于91%；最優點工況點的效率保證值不低于91.5%，水泵設計工況點應接近最優工況點。在泵站設計的水位和揚程工作范圍內水泵效率曲線變化應平緩，均處于高效區。水泵加權平均效率保證值不低于90%。

水泵效率的確定根據研究階段與國內外設備廠家的交流情況以及本工程的實際綜合確定。并且在水泵設備招標中采用效率獎勵機制，鼓勵設備廠家盡可能提高水泵效率，效率曲線平滑無駝峰無拐點，最終效率考核不僅考核設計工況點效率，同時最低揚程到最高揚程對應效率點加權平均后的效率(即加權平均效率)同樣作為效率考核點，這樣就可以保證水泵能適應水位的變化，在水位變化范圍內都能處于高效運行，降低泵站運行成本，提高泵站運行期的效益。

3.3 提高生產標準

泥沙含量高是修建提黃泵站一直在攻克的難題。泥沙磨損的問題，給泵站安全、高效運行帶來極大的隱患，特別是黃河流域以內以黃河為水源的高揚程大型泵站，運行一段時間之后水泵的磨損嚴重、過流量減小、效率嚴重下降、檢修維護成本提高，泵站的能源消耗增大，經常面臨泵站更新改造。針對這一難題，本工程在水泵設計中提高設計標準，以提高水泵運行效率，延長使用壽命。

(1)提高關鍵部件加工標準

水泵葉輪及級間導葉采用鍛焊結構，級間導葉為可拆式結構，以滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復。葉輪上、下蓋板鍛造成型，數控加工并拋光成需要的尺寸。葉片可模壓成型，也可采用整體鍛造。葉輪及級間導葉材質采用馬氏體不銹鋼(其性能不低于0Cr13Ni4Mo(碳含量≤0.05%))。馬氏體不銹鋼具有抗空蝕、抗泥沙磨損并具有良好焊接性能。蝸殼采用鋼板焊接或鑄造結構。如采用鋼板焊接結構，其材料采用耐泥沙磨損、可常溫焊接的、可焊性好的低合金壓力容器鋼板(性能不低于Q345R)制造；如采用鑄造結構，其材料性能不低于ZG20SiMn，厚度應滿足設計壓力加上5 mm最小允許磨損厚度。其他關鍵部件的材質、加工工藝也均采用高標準設計。

(2)過流部件抗磨涂層設計

對于水泵流道及過流部件均考慮抗磨涂層設計，其中葉輪、密封環、導葉等采用HVOF硬涂層，進水管及進水彎管、泵殼、座環、底環、蝸殼、蝸殼延伸管、蝸殼出水側擴散管等其他部件過流面采用軟涂層。最終設備廠家葉輪選用鈷鉻為基體的碳化鎢顆粒做HOVF全噴涂，全噴涂較部分噴涂有益于降低磨損率的增加。

(3)模型渾水試驗

本工程要求設備廠家選用高精度試驗臺進行水泵模型試驗，模型水泵為雙級泵，通流部件與原型水泵全流道幾何相似，模型泵入口直徑Dm應不小于250 mm，Re≥4×106，比能E≥100 J/kg。同時還考慮抽送黃河水的特點，還保留選用中國國內獨立實驗室進行模型渾水試驗的權利以及經費考慮。

通過提高水泵部件的材料、加工標準，提高水泵的抗磨性能，延長高泥沙運行條件下設備的使用壽命。

4 結語

根據本工程地下泵站水泵設計選型情況，目前國內水泵生產廠家無類似黃河上高揚程大流量立式多級離心泵的生產經驗，因此，本工程根據技術論證的情況決定采用國際招標，邀請更多掌握水泵先進生產工藝的設備廠家參與。最終通過國際招標的形式選定由奧地利制造商完成本工程地下泵站水泵的生產。

針對本工程所設計泵站存在揚程高、取水水位變幅大、泥沙含量高以及國內無類似可借鑒工程經驗等技術難點，通過進行技術咨詢、廠家交流、項目考察等技術論證，最終采取提高效率考核指標并增加水泵加權平均效率考核點、提高水泵關鍵部件生產加工標準等方案進行解決，最終完成水泵選型設計。為黃河上建設高揚程大型泵站創造了條件，進而為國內類似水利水電工程提供可復制的經驗。