固海揚水梯級泵站增流改造技術研究與應用

摘 要：固海揚水工程是寧夏建設最早、規模最大的公益性生態扶貧揚黃灌溉工程，也是寧夏中南部重要的水資源保障的大型揚水工程，為寧夏中部干旱帶脫貧攻堅和經濟社會發展提供著堅實的水資源保障。固海揚水工程梯級泵站增流改造技術的研究與應用，以固海揚水工程系統泉眼山泵站至黑水溝泵站1—5梯級泵站增流改造為對象，通過固海3—5梯級泵站增流葉輪研制及運行試驗、泵站增流綜合技術研究及應用、固海1—5梯級泵站輸水系統干渠及其建筑物病害治理及增流等關鍵技術研究及應用，實現固海1—5梯級泵站工程挖潛改造，為大型梯級泵站工程增流改造技術研究和生產應用提供典型借鑒。

關鍵詞：梯級泵站;水泵抗磨蝕;增流改造;水工建筑物;降糙防護

中圖分類號：TV675 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0172-04

Abstract： The Guhai Pumping Irrigation Project is the earliest and largest public welfare ecological poverty alleviation and Yellow River Irrigation Project built in Ningxia. It is also an important large-scale water raising project for water resources protection in central and southern Ningxia. It provides a solid foundation for poverty alleviation and economic and social development in the arid zone of central Ningxia. Water resources protection. For the research and application of flow-increasing transformation technology for cascade pumping stations in Guhai Pumping Project， this paper takes the flow-increasing transformation of cascade pumping stations 1—5 from Quanyanshan Pumping Station to Heishuigou Pumping Station in Guhai Pumping Project System as the object; through the development and operation test of flow increasing impellers in Guhai 3—5 cascade pumping stations， research and application of comprehensive flow increasing technology for pumping stations， research and application of key technologies such as disease management and flow increasing of main canals and buildings in the water conveyance system of Guhai 1—5 cascade pumping stations， it has realized the potential tapping and transformation of the Guhai 1—5 cascade pumping station project， providing a typical reference for the research and production application of flow increasing transformation technology for large-scale cascade pumping station projects.

Keywords： cascade pumping stations; anti-corrosion of water pumps; flow-increasing transformation; hydraulic structures; roughness reduction protection

固海揚水工程是寧夏建設最早、規模最大的公益性生態扶貧揚黃灌溉工程，也是寧夏中部干旱帶西海固地區脫貧攻堅和鄉村振興中無可替代的重要水資源支撐性基礎骨干水網工程。工程運行40多年來，為當地經濟社會發展提供著堅實的水安全保障，為灌區群眾的脫貧致富、農業經濟發展、生態環境的改善以及維護民族團結、促進社會發展作出了巨大的貢獻，被譽為寧夏中部干旱帶的“生命水脈”和“民生工程”。

1 研究概況

固海揚水工程系統由1978年建成的同心揚水工程、1986年建成的固海揚水工程、1993年建成的世行擴灌揚水工程、2003年建成的固海擴灌揚水工程4個工程系統組成。固海揚水工程經過不同時期的改擴建和工程系統間的優化改造，形成了較為完善的多梯級泵站群，目前固海揚水工程投運泵站29座和水庫1座、變電所22座，設計總流量41.2 m3/s，安裝主機組201臺（套），總裝機容量20.38萬kW。固海系統總揚程382.47 m，凈揚程342.74 m;固海擴灌系統總揚程476.8 m，凈揚程427.73 m。固海揚水工程有干渠、支干渠39條，總長468 km，各類水工建筑物1 462座，干渠直開斗口419座，年均引水量4.5億m3。灌區涉及吳忠市、中衛市、固原市的3市6縣（區）2場共16個鄉鎮，受水區灌溉面積達170.64萬畝（1畝約等于667 m2，下同） ，屬國家大型電力提灌工程，是寧夏中部干旱帶脫貧攻堅的生命工程。

為加快寧夏中南部干旱地區脫貧攻堅，充分發揮固海揚水工程骨干水網在中部干旱帶脫貧攻堅主戰場的基礎性支撐作用，有效解決中部干旱帶貧困片區西線的中衛市中寧縣喊叫水鄉、海原縣西安鄉、沿線生態移民等水利脫貧攻堅重點地區的水源問題，緩解固海揚水灌區和灌區周邊貧困片區供水壓力，自2017年開始以寧夏固海揚水工程1—5梯級泵站增流改造為對象，開展固海揚水工程增流改造關鍵技術研究與應用的試驗。在固海揚水工程系統泉眼山泵站至黑水溝泵站1—5梯級泵站及其輸水系統現有水泵機組、輸水渠道的基礎上，采用“1級泉眼山泵站、2級古城泵站運行方式由‘5+2’改為‘6+1’來增加3.8 m3/s流量，3級長山頭泵站、4級大柳木泵站、5級黑水溝泵站通過改進現有離心泵葉輪來增加3.8 m3/s流量”的增流改造方案。開展固海3—5梯級泵站增流葉輪研制及運行試驗、泵站工程增流綜合技術研究及應用、渠系輸水系統建筑物防滲降糙試驗研究、1—5梯級泵站輸水系統干渠及其建筑物病害治理及增流等關鍵技術研究及應用。2020年實施固海系統1—5梯級泵站系統挖潛改造，最大限度地發揮固海揚水工程的效益，為解決中衛市三縣五鄉的水資源短缺問題，有效推進區域水資源優化配置，提高該區域抗旱減災能力。

2 梯級泵站工程增流改造關鍵技術研究

2.1 梯級泵站增流綜合技術研究及應用

2.1.1 基于葉輪改造的梯級泵站增流改造可行性研究

機組增流是泵站增流改造的關鍵，為了增加固海1—5梯級泵站總體的設計流量，從改造葉輪，提高水泵的揚程和效率等方面來增加單泵的過機流量，但是改造葉輪受到泵殼尺寸、電機功率和水泵汽蝕、葉片強度等方面的限制，需要在考慮泵站安全、穩定、可靠等基礎上，針對每座泵站的每個型號水泵機組，合理分配增加流量，從而達到泵站增流改造的目的。因此，通過對每臺水泵機組進行全面的內部流動計算，并結合泵站現狀運行情況，在滿足泵殼尺寸、電動機功率和水泵汽蝕、葉片強度要求的基礎上，研制并應用新型水泵葉輪，深度挖掘每臺水泵的可能增加流量，并進一步分析泵站工程系統增加流量的潛力。研究重點是改造水泵葉輪增加泵站工程流量的可行性，突出泵站工程潛力的綜合性、系統性技術研究。

2.1.2 增流改造后泵站機組抗汽蝕及磨蝕的研究

針對黃河上游多泥沙水源的揚水泵站工程運行環境，泵站機組抗汽蝕、抗磨蝕能力的提升是保證泵站高效運行的關鍵，水泵機組流量增加后，泵站的裝置汽蝕余量減小，水泵的必須汽蝕余量增加，從而會導致水泵機組的汽蝕性能急劇下降，同時流量增加后，機組的磨損也將加劇。因此增流改造后，如何提高機組的抗汽蝕和抗磨蝕性能是保證機組安全穩定運行的關鍵。通過研究對比改造前后，機組的汽蝕性能、葉片的汽蝕發生位置、汽蝕隨運行時間的發展、機組磨蝕的位置和強度的變化等，研究增流改造后汽蝕和磨蝕對于機組影響，分析是否對機組的安全穩定運行具有影響。同時，采用碳化鎢涂層技術對葉片表面及口環進行噴涂，研究碳化鎢涂層對機組汽蝕和磨蝕的影響，進一步保證機組的安全穩定運行，提高機組的運行穩定性，延長機組設備壽命。

2.1.3 基于葉輪改造的高揚程梯級泵站增流改造方案的確定

梯級泵站工程系統增流改造是一項系統的工程，涉及泵站運行和渠道工程運行兩大骨干工程的增流改造。在固海3—5梯級泵站機組增流葉輪研制及運行試驗的基礎上，結合基于葉輪改造的梯級泵站增流改造可行性研究、增流改造后機組抗汽蝕及磨蝕的研究成果，全面分析3—5梯級泵站每一臺運行試驗水泵的增流改造效果，在保證每臺機組安全、穩定、高效的基礎上，給出每種型號水泵機組葉輪增流改造的最終方案，從而達到整個泵站工程系統增流改造的效果。形成高揚程梯級泵站增流綜合技術1項，完成《高揚程梯級泵站增流綜合技術研究報告》，編制1—5梯級泵站增流改造技術方案，為大型梯級泵站工程增流改造關鍵技術研究和生產應用提供技術支撐。

2.2 固海3—5梯級泵站增流葉輪研制及運行試驗

2.2.1 固海3—5梯級泵站增流葉輪研制

針對固海揚水工程3—5梯級級泵站現有的雙吸離心泵，采用雙吸離心泵葉片交替加載技術，考慮水泵揚程、泵殼尺寸、水泵汽蝕性能、電機功率及葉片強度等各種因素，以及以黃河高含沙水質條件為前提的泵站運行環境，對固海3—5梯級泵站的4種型號雙吸離心泵葉輪進行增流改進設計和制造加工，從而提高各泵站水泵機組的運行流量和效率、運行穩定性等，使水泵的增加流量達到要求，實現各泵站整體增流目標，同時又保證水泵機組在增流的前提下，泵站工程能夠安全、穩定、可靠和高效地運行。

2.2.2 固海3—5梯級泵站研制增流葉輪運行試驗

從固海3—5梯級泵站中每種型號各選擇2臺水泵機組安裝研制的增流葉輪，通過4座泵站8臺機組進行試運行現場試驗測試，分析每臺試驗機組的葉輪增流改造后的實際增流效果，以及電動機的實際運行功率、機組振動、水泵軸瓦溫升、電動機溫升等情況，為進一步的固海揚水系統的整體增流改造提供理論和實際運行數據的支撐。研制了4種新型高效、高穩定性的雙吸離心泵葉輪，形成基于葉片交替加載的雙吸離心泵葉輪增流改進設計方法1套，申請2～3項雙吸離心泵新型葉輪的實用新型專利，形成了固海揚水泵站工程特有知識產權。

2.3 固海1—5梯級泵站輸水干渠及其建筑物病害治理及增流技術研究及應用

2.3.1 水工建筑物防滲降糙試驗研究

輸水干渠水工建筑物防滲降糙是渠道工程治理改造的重點內容，對目前國內處先進的輸水渠道及其建筑物防滲降糙新技術、新材料及其施工工藝進行篩選，選擇1～2種適合于西北高寒冷氣候、高濕陷性黃土地區渠道及其建筑物防滲降糙的新技術、新材料及其施工工藝，在固海1—5梯級泵站輸水干渠及其建筑的典型渠段進行施工試驗，并觀測和分析其防滲、降糙效果及渠道流速等，確定1種適合于高寒冷氣候、高濕陷性黃土地區渠道及其建筑物防滲降糙的新技術、新材料及其施工工藝。經過2年多時間在5座泵站5級干渠試運行表明，泵站建筑物防滲降糙效果明顯，有效提高了固海1—5梯級泵站輸水干渠及其建筑物的輸水能力，滿足泵站增流改造的輸水流量要求，為泵站機組增流提供了渠道輸水保障條件。

2.3.2 輸水干渠及其建筑物病害治理及增流技術研究與應用

在建筑物防滲降糙試驗研究的基礎上，根據固海1—5梯級泵站輸水干渠及其建筑物病害及過流表面糙率等狀況，計算分析1—5梯級泵站現有輸水干渠及其建筑物病害通過治理和降低過流表面糙率后，核算典型過流斷面能否滿足固海增流改造后的輸水流量要求，編制《固海1—5泵站輸水干渠及其建筑物病害治理及增流改造方案》，形成高揚程梯級泵站輸水干渠及其建筑物病害治理及增流改造技術1項。按泵站工程增流技術要求完成了SCL防滲膜和SK刮涂聚脲糙率測量對比試驗，降糙處理1座渡槽、翻建1座渡槽、應用新型渡槽伸縮縫高分子材料填縫技術、加高2座渠涵和加高24 km渠道等工程，有效提升了渠道工程安全狀況和輸水能力。

3 梯級泵站工程增流改造研究應用的主要成果及創新性

3.1 研制新型高效、高穩定性的雙吸離心泵葉輪，滿足固海增流改造的要求

在固海長山頭、大柳木和黑水溝3座泵站水泵機組泵殼的基礎上，采用基于雙吸離心泵葉片交替加載技術，充分發掘泵站的增流潛力，開發了4種型號（KQSN1200-M14、KQSN800-M10、1200S32和DFSS800-14的葉輪的改進型）高效、高穩定性的雙吸離心泵葉輪。通過對3座泵站試驗機組2年多的試運行和現場測試表明，新型葉輪能夠滿足固海系統增流3.8 m3/s的改造需求。同時水泵軸瓦溫度、電動機額定/運行電流、電動機鐵芯溫度、電動機軸瓦溫度和機組振動最大徑向位移等參數均滿足實際運行需求，機組運行穩定，成功申報實用專利3項。

3.2 形成了葉片交替加載的雙吸離心泵葉輪增流改進設計方法

以雙吸離心泵葉片交替加載技術為基礎，結合固海3—5梯級泵站機組的實際情況，提出了基于葉片交替加載技術雙吸離心泵葉輪增流改進設計方法。通過葉片載荷的交替加載、改進葉片進口和型線的設計，提高雙吸離心泵的效率、汽蝕性能和壓力脈動。雙吸離心泵葉輪在3—5梯級泵站的實踐表明，葉片交替加載的雙吸離心泵葉輪增流改進設計方法有效解決了泵站增流的問題，同時水泵軸瓦溫度、電動機鐵芯溫度、電動機軸瓦溫度和機組振動均滿足要求，機組運行安全穩定。

3.3 形成了高揚程梯級泵站增流綜合技術

以雙吸離心泵葉片“交替加載”與V型交錯技術對泵站葉輪進行改進設計，提高水泵揚程，從而提高泵站實際運行流量是泵站增流綜合技術的應用。相對于傳統的變頻和水泵重新選型和改造，該技術具有投資少、周期短等特點。該技術主要利用雙吸離心泵葉片“交替加載”與V型交錯技術來設計新的葉輪，新葉輪具有效率高、空化性能好、壓力脈動低等特點，在不改動泵站機組蝸殼的條件下，提高機組效率、揚程，從而達到泵站機組有效增流的目的。

3.4 形成了高揚程梯級泵站輸水干渠及其建筑物病害治理及增流改造技術

寒冷地區的泵站建筑物的防滲問題和建筑物病害問題較為嚴重，在對目前國內先進的輸水渠道及其建筑物防滲降糙新技術、新材料及其施工工藝進行篩選的基礎上，針對寧夏中部干旱帶的氣候環境特點選擇了適合于高寒冷氣候、高濕陷性黃土地區渠道及其建筑物防滲降糙的新技術、新材料及其施工工藝;并在固海1—5梯級泵站輸水干渠及其建筑的典型渠段進行施工試驗，觀測和分析其防滲、降糙效果及渠道流速等，形成了1種適合于高寒冷氣候、高濕陷性黃土地區渠道及其建筑物防滲降糙的新技術和施工工藝。經過4年多時間的運行表明，泵站建筑物防滲降糙效果明顯，能夠滿足泵站增流的運行;在建筑物防滲降糙試驗研究的基礎上，根據固海1—5梯級泵站輸水干渠及其建筑物病害及過流表面糙率等狀況，計算分析1—5梯級泵站現有輸水干渠及其建筑物病害通過治理和降低過流表面糙率后，典型過流斷面滿足增流改造后的輸水流量要求，同時編制完成地方標準DB64/T 1777—2021《灌區輸水建筑物降糙防護技術導則》，對灌區輸水建筑物降糙防護具有規范性的技術指導作用。

4 結束語

固海揚水工程梯級增流改造關鍵技術研究與應用，通過泵站增流新型的葉輪研制及應用、輸水干渠及其建筑物病害治理及增流技術研究及應用、多梯級泵站群優化調度和泵站機組優化配置等關鍵技術的系統性布局和綜合性應用，實現固海系統1—5梯級泵站增加流量3.8 m3/s、年增加供水量4 600萬m3，形成西北干旱地區高揚程梯級泵站增流改造示范項目——固海1—5梯級泵站及其輸水系統增流改造工程。固海1—5梯級泵站系統增流改造提水達流量23.8 m3/s，裝機功率64 770 kW，新增灌溉面積37萬畝，改善灌溉面積14.2萬畝，工程增流改造與新建泵站或更換新水泵機組來增加流量的增流改造方案相比，增流改造工程可節約直接投資3 400萬元以上。泵站增流改造工程結合灌區已建調蓄水庫，可以最大限度發揮揚水工程效益，有效解決寧夏中部干旱帶喊叫水片區、海原西安灌區、生態移民等中部干旱帶貧困片區脫貧攻堅的供水問題，同時緩解固海灌區用水緊張局面，有力提升了區域抗旱減災能力。梯級泵站增流改造涉及相關泵站及渠道工程增流關鍵技術研究，是系統性、綜合性、實踐性很強的工作，通過幾年的現場試驗和運行考核，泵站增流改造關鍵技術成熟，梯級泵站運行安全可靠，泵站工程系統調控功能和工程效益都得到有效提升。寧夏固海揚水工程“6+1”增流改造工程關鍵技術應用，成功入選水利部2022年年度成熟適用水利科技及成果重點推廣清單目錄，為大型梯級泵站工程增流改造技術研究和生產應用提供了典型借鑒。

參考文獻：

[1] 溫鴻浦，吳榮，李端明，等.雙吸離心泵葉輪交替加載技術在固海泵站增流改造中的應用[J].中國農村水利水電，2019（9）：153-156.

[2] 李端明，張印，肖若富，等.大型灌排泵站改造應用研究[J].中國農村水利水，2020（3）：160-165.

[3] 陶東，張印，田志存.水泵抗磨蝕技術在揚黃泵站的研究應用[J].中國水能及電氣化，2020（7）：38-41.

[4] 陶東，吳榮.泉眼山泵站“6+1”運行調整工程關鍵技術研究及應用[J].中國水利，2020（14）：46-49.

[5] 吳榮，陶東.寧夏固海揚水大型泵站更新改造建設實踐與思考[J].中國水利，2020（19）：75-76.

[6] 陶東，李娜，肖若富，等.多級提水泵站優化調度研究[J].中國農村水利水電，2020（5）：123-127.

[7] 郭振莉，陶東，馬文波，等.SK刮涂聚脲防護技術在寧夏固海灌區典型渡槽防護降糙增流中的應用[J].中國建筑防水，2021（1）：33-36.

[8] 陶東，趙波，郭振莉，等.灌區輸水建筑物降糙防護技術與地方標準[J].寧夏農林科技，2022，63（7）：41-44.

第一作者簡介：羅滿良（1974-），男，高級工程師。研究方向為水利工程建設與管理。

*通信作者：陶東（1966-），男，正高級工程師。研究方向為水利工程建設與管理。