高揚程、大流量抽水泵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

佟德利，潘菊芳，謝永蘭，鄧志勇

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710065）

高揚程、大流量抽水泵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

佟德利1，潘菊芳1，謝永蘭2，鄧志勇2

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710065）

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，政府對于水利工程建設(shè)方面的力度也在不斷加強，對大容量、高揚程的水泵的需求也就越來越多；本文簡要介紹了高揚程、大容量抽水泵國內(nèi)外應(yīng)用情況及技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀，并對后續(xù)技術(shù)發(fā)展尤其是大型水泵關(guān)鍵技術(shù)進行了前景展望，并提出了一些建議。

大容量；高揚程；水泵；技術(shù)現(xiàn)狀

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，政府對于水利工程建設(shè)方面的力度也在不斷加強，越來越多的大型泵站投入設(shè)計、施工、運行中，而作為關(guān)系到泵站安全運行的關(guān)鍵設(shè)備——水泵的選擇就變得尤為重要，因為它不僅影響國家的經(jīng)濟發(fā)展，還直接影響人民的生命和財產(chǎn)安全。

總結(jié)近年來建設(shè)的大型泵站特點，對高揚程、大流量水泵的市場需求日趨增加；為了保證其設(shè)計選型的合理性、投運后的運行穩(wěn)定性，我們有必要對其技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行研究。

1 水泵的分類及工作原理

1.1 水泵的分類

水泵有很多種分類方式，按結(jié)構(gòu)和作用原理來分，可分為葉片式泵、容積式泵和其他類型泵；其中葉片式泵中的離心泵、混流泵、軸流泵等，由于結(jié)構(gòu)簡單、造價低、體積小、重量輕安裝檢修方便等特點應(yīng)用較為廣泛。

1.2 水泵的工作原理

本文僅對離心泵、軸流泵和混流泵的工作原理做簡要介紹。

1.2.1 離心泵

根據(jù)近年來技術(shù)發(fā)展，離心泵可分為常規(guī)和蓄能式兩種。

（1）常規(guī)離心泵。

啟泵前，現(xiàn)將泵和進水管灌滿水，水泵運轉(zhuǎn)后，在葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，葉輪流道里的水被甩向四周壓入蝸殼，在葉輪入口形成真空，將吸水口的水吸入，吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼、出水管排出；由于離心泵是利用葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將水提到高處，故稱之為離心泵。

離心泵有多級單吸、單級單吸、單級雙吸，布置型式有立式、臥式；具有結(jié)構(gòu)簡單，輸液無脈動，流量調(diào)節(jié)簡單等優(yōu)點，適用的流量和揚程范圍也比較大，目前國內(nèi)常規(guī)離心泵最大揚程可達1800m，最大流量可達27600m3/h。

（2）蓄能式離心泵。

另外近年來一些大型水輪發(fā)電機組制造廠商將抽水蓄能電站可逆機組設(shè)計原理應(yīng)用于水泵的設(shè)計和開發(fā)中（下稱蓄能泵，亦屬于離心泵），可逆機組的設(shè)計中水輪機需兼顧水泵和水輪機兩種工況、發(fā)電電動機需兼顧發(fā)電機和電動機兩種工況，而水泵機組僅需考慮水泵和電動機工況，從理論上是可行的；但水泵在結(jié)構(gòu)、水力性能和抗泥沙磨損上與水泵水輪機差異較大，需進一步深入研究。

1.2.2 軸流泵

軸流泵主要是利用葉輪的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力提水，葉輪上部的泵殼上裝有固定導(dǎo)葉，用以消除液體的旋轉(zhuǎn)運動，使之變?yōu)檩S向運動，并把旋轉(zhuǎn)運動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ堋?/p>

軸流泵通常是單級式，少數(shù)制成雙級式，布置型式有立式、臥式；可適用的流量范圍很大，為180～360000m3/h；揚程一般在20m以下；軸流泵的葉片可分為固定式和可調(diào)式兩張，可調(diào)式葉片可保證水泵在不同工況下均能高效運行，軸流泵主要適用于低揚程、大流量的場合。

1.2.3 混流泵

混流泵，又稱斜流泵，是利用葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和推力聯(lián)合作用工作，水體以與軸成一定角度流出葉輪，經(jīng)蝸殼、出水管排出。

混流泵可分為單級和多級，布置型式有立式、臥式，混流泵的使用性能介乎于離心泵和軸流泵之間，它和離心泵相比，揚程低一些，而流量大一些；它與軸流泵比較，揚程高一些，但流量又小一些。

2 大容量、高揚程水泵技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 國外已建大型泵站情況

根據(jù)目前已了解的資料，國外對單泵容量200MW左右的水泵而言已有設(shè)計、制造經(jīng)驗，如德國瓦爾德克Ⅱ電站（三機式蓄能機組：水泵+發(fā)電電動機+水輪機）水泵揚程H=343m，N=234MW，澳大利亞威文霍電站水泵揚程H=120m，N=240MW等均已投運數(shù)十年；國外大型泵站參數(shù)見表1。

2.2 國內(nèi)已建大型泵站情況

目前部分國內(nèi)大型泵站相關(guān)參數(shù)見表2，從表中可看出：對于高揚程、大流量的泵站，水泵多選用離心泵。

目前國內(nèi)制造的單機容量最大的泵就是哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司為牛欄江干河泵站制造的蓄能泵，單機容量為22MW，該泵站裝有4臺泵組，自2013年9月投運以來，各項指標滿足設(shè)計、相關(guān)規(guī)程規(guī)范要求；該泵站的成功投運意味著我國大型離心泵的設(shè)計、制造技術(shù)具有世界領(lǐng)先水平，有利于促進我國水泵行業(yè)的技術(shù)發(fā)展。

國內(nèi)水泵制造廠制造的傳統(tǒng)離心泵，容量均小于20MW；由于大型水輪發(fā)電機組制造廠與水泵制造廠相比具有一定技術(shù)優(yōu)勢：①大型水輪發(fā)電機組制造廠均有自己的實驗臺，能獨立進行水力開發(fā)；②水泵的效率均高于水泵廠開發(fā)的模型水泵；③在注重效率的同時，更關(guān)注水泵的運行穩(wěn)定性；④采用的制造標準一般為水電行業(yè)標準，高于水泵行業(yè)標準；所以國內(nèi)大型水輪發(fā)電機組制造廠可制造容量較大的蓄能泵：現(xiàn)有的技術(shù)條件下，可設(shè)計制造單機容量為300MW，最高揚程小于550m的水泵。

結(jié)合可逆機組制造業(yè)績，對于不同揚程的水泵單機容量，水輪發(fā)電機組制造廠建議如下：對于揚程不高于100m，水泵單機容量不宜超過150MW，對于揚程不高于200m，水泵單機容量不宜超過250MW，對于揚程300～550m的水泵，單機容量不宜超過300MW。

表1 部分國外大流量、高揚程水泵參數(shù)Tab.1 Parameters of some foreign high-flow，high-lift pumps

表2 部分國內(nèi)大流量、高揚程水泵參數(shù)Tab.2 Parameters of some domestic high-flow，high-lift pumps

2.3 國內(nèi)外水泵技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀[8][9]

國外在大型水泵機組研究方面與泵站建設(shè)同步，經(jīng)過不斷的更新與發(fā)展，在水力性能指標、設(shè)計制造、自動化控制等方面的技術(shù)水平均處于領(lǐng)先地位；在水泵的相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，如CFD計算技術(shù)、汽蝕機理、多相流研究等方面取得很多成果。

雖然國內(nèi)在水泵行業(yè)起步較晚，整體技術(shù)水平相對落后，尤其是高精尖的大型離心泵產(chǎn)品，無論是在產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計以及加工方面都遠遠落后于國外先進廠商；目前隨著各種新材料的開發(fā)和應(yīng)用、CFD、CAD等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及一批水輪機制造廠商進入水泵行業(yè)，我國水泵行業(yè)的整體技術(shù)水平正在穩(wěn)步提高。

2.3.1 CFD、PIV等先進技術(shù)在水泵中的應(yīng)用現(xiàn)狀

從20世紀80年代開始，CFD開始應(yīng)用于水泵領(lǐng)域；發(fā)展至今，CFD已成為水泵設(shè)計與分析的必要手段和工具，有些水泵制造商甚至自行開發(fā)出滿足個性化需求的CFD軟件；并且CFD已不僅僅局限于流場計算，其通過與CAD的高度集成，正在形成滿足工業(yè)應(yīng)用的水泵反問題設(shè)計方法；隨著一些新計算模型的采用，CFD分析方法也日趨多樣化；另外，快速發(fā)展的水泵內(nèi)部流場測量技術(shù)如PIV為準確評價 CFD計算精度提供了幫助。

2.3.2 水泵氣蝕機理研究現(xiàn)狀

氣蝕屬于流體力學(xué)中相變+兩相流的范疇，對其機理并沒有被完全了解，而水泵氣蝕性能對水泵性能影響較大，故對氣蝕機理的研究是未來水泵行業(yè)的研究方向。

目前普遍認為影響液體壓力和飽和蒸汽壓力的因素都會影響汽蝕的發(fā)生，如泵進口的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括葉片入口邊寬度、葉片進口邊的位置、葉輪吸入口的形狀和前蓋板形狀等；泵的操作條件包括泵的流量、揚程及轉(zhuǎn)速等；泵的安裝條件包括泵的吸水管管路水力損失及安裝高程等。相對應(yīng)的也提出了一些提高水泵抗氣蝕性能的措施，如改進泵進口的結(jié)構(gòu)參數(shù)：為防止輪轂處汽蝕初生，將葉片進口邊做成凹向；使用特殊的葉片加厚規(guī)律以擴大無汽蝕區(qū)域的過流能力；以橢圓葉片進口邊減低此處壓力降等；優(yōu)化水泵操作條件：在工藝條件允許的情況下，改變泵的流量、揚程、轉(zhuǎn)速及介質(zhì)的操作溫度等操作參數(shù)；合理設(shè)計吸入管路及調(diào)整安裝高度；提高過流部件材料的抗汽蝕能力等；通過實踐這些措施也有效地改善了水泵的抗汽蝕性能。

2.3.3 泵的振動及噪聲的研究現(xiàn)狀

水泵運行中產(chǎn)生的振動對水泵壽命影響較大，水泵的振動原因非常復(fù)雜，但大致可以分為水力振動和機械振動。水力振動主要是由泵內(nèi)或管路系統(tǒng)中水的流動不正常引起的，產(chǎn)生水力振動的原因主要有水力沖擊、壓力脈動及汽蝕引起的；機械振動是由于各種機械原因而引起的振動，如回轉(zhuǎn)部件不平衡引起的振動、中心不正引起的振動等；其中如何防止水力共振是研究的重點，過去十余年中，國外從兩個方向?qū)Υ碎_展探討與研究：一個方向為頻率測算，計算水泵的共振頻率；另一個方向為以基于有限元法的軟件直接計算泵的共振頻率，由于目前還須對泵的螺栓、地基的剛性條件做出一些假設(shè)，因而計算結(jié)果尚有改進余地。

泵閥與旋轉(zhuǎn)機械噪聲主要包括流動誘導(dǎo)噪聲和空泡噪聲等，近些年來對其噪聲的研究越來越受到重視，如何降低旋轉(zhuǎn)機械的噪聲已經(jīng)成為旋轉(zhuǎn)機械領(lǐng)域重要的課題之一。對于泵閥和旋轉(zhuǎn)機械的噪聲問題，目前比較有效的研究方法主要還是通過數(shù)值方法來近似求解：基于CFD與噪聲軟件的混合求解技術(shù)，即先利用CFD軟件對泵閥與旋轉(zhuǎn)機械的工作過程進行瞬態(tài)流場計算，然后采用相關(guān)的聲類比方法將CFD計算獲得的流場信息轉(zhuǎn)換為聲源，最后進行聲場求解計算，獲得聲源特性和聲場分布情況。

2.3.4 國內(nèi)大型離心泵研發(fā)實例

下面以上文提到的干河泵站中大型離心泵的設(shè)計和模型試驗情況來實例說明國內(nèi)高揚程、大流量離心泵的研發(fā)現(xiàn)狀。

（1）前期研發(fā)階段[5]。

干河泵站的立軸離心泵揚程高、功率大，是我國目前軸功率最大的離心水泵，國際上并沒有可供借鑒的類似水泵；為了選擇合適的水泵，前期開展了高揚程大流量水泵的特性及調(diào)節(jié)方式研究，研究采用了CFD結(jié)合模型試驗的方法，開發(fā)出了適合干河泵站的A1054離心泵，該水泵的模型特性曲線如圖1所示。

根據(jù)水泵的模型試驗成果及相關(guān)計算分析：A1054模型最優(yōu)效率為91.57%，綜合性能已達國際領(lǐng)先水平，考慮水泵性能、機組設(shè)備投資等因素，確定干河泵站水泵額定轉(zhuǎn)速為600r/min。

圖1 A1054離心泵模型特性曲線圖（D2m=0.61m，nm=800r/min）Fig.1 The model characteristic curve of A1054 Centrifugal pump （D2m=0.61m，nm=800r/min）

（2）水泵設(shè)計階段[10]。

在前期科研成果A1054模型的基礎(chǔ)上，哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司在獲得水泵制造合同后對水泵進行了設(shè)計優(yōu)化，最終獲得了用于泵站的A1077水泵模型，并對該模型進行了模型試驗，試驗項目如下：效率試驗、空化性能試驗、壓力脈動試驗、零流量試驗、四象限及飛逸特性試驗等，試驗獲得的四象限曲線見圖2。

最終的模型試驗結(jié)果表明：水泵各項性能保證值均達到合同要求，綜合性能已達國際較高水平。

圖2 四象限試驗曲線（n11-Q11）Fig.2 Four quadrant test curve（n11-Q11）

干河泵站大型中低比轉(zhuǎn)速離心泵的開發(fā)標志著我國大型離心泵的研發(fā)已具有世界領(lǐng)先水平，對提高我國水泵行業(yè)的技術(shù)水平具有重要意義。

3 前景展望

通過對水泵關(guān)鍵技術(shù)點的梳理，對大型水泵后續(xù)技術(shù)發(fā)展從以下幾個方面進行展望：

3.1 高效節(jié)能型水泵水力模型研制

建議集中力量通過自主創(chuàng)新研制代表我國世紀水平的優(yōu)秀水泵水力模型，特別是高效區(qū)寬廣、汽蝕性能好的水力模型。新的水力模型開發(fā)應(yīng)注重引進三維計算流體動力學(xué)理論和技術(shù)，對水泵葉輪等過流部件的流場進行分析，建立水泵水力損失模型及性能預(yù)測方法，形成高效節(jié)能水泵的設(shè)計分析方法及相應(yīng)軟件，其次，進行產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合。

3.2 大型泵站節(jié)能綜合技術(shù)研究

建議建立大型泵站工作效能綜合評價方法，提出根據(jù)供水要求合理選擇水泵的方法，提出電動機變頻運行與水泵變角運行、葉片角度調(diào)整綜合控制策略，建立與管路特性曲線匹配的水泵工作點優(yōu)化方法，通過綜合節(jié)能技術(shù)實現(xiàn)泵站裝置效率的提高，應(yīng)利用三維數(shù)值模擬和實驗方法研究不同形式供水管路的需要揚程曲線的準確計算方法，以及多臺機組并聯(lián)時的水泵特性曲線計算方法，建立不同供水條件下水泵工作點的精準預(yù)測方法，從根本上避免大馬拉小車的情況，使水泵和電機都工作在其最高效率區(qū)。

3.3 大型泵站水壓力脈動及機組運行穩(wěn)定性研究

應(yīng)該深入開展泵站進水池流態(tài)對機組水壓力脈動的影響研究，典型泵型水壓力脈動分布特征與頻譜特性的研究，水壓力脈動與機組振動和噪聲的關(guān)系研究，機組振動與泵站廠房穩(wěn)定性間的關(guān)系研究水壓力脈動與結(jié)構(gòu)振動對機組疲勞壽命影響的研究，提出改善水壓力脈動的方法和措施，為大型水泵安全穩(wěn)定運行提供參考。

3.4 大型泵站抗汽蝕與抗磨蝕技術(shù)研究

汽蝕和磨蝕問題是目前大型泵站普遍存在的問題，也是水泵向高速、大容量發(fā)展的主要障礙，建議通過采用測量流場數(shù)值模擬及理論分析相結(jié)合的手段看，深入研究我國多泥沙條件下水泵的內(nèi)部流動機制研究水泵發(fā)生汽蝕的物理學(xué)和電化學(xué)機理，建立水泵汽蝕的流體動力學(xué)條件，此外，研究如何通過泵站流道與泵段耦合，以及水泵運行工作點的變化來影響或控制氣泡初生、發(fā)展與潰滅的過程，分析汽蝕與其他非穩(wěn)態(tài)運行特性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，探討汽蝕與磨損破壞的關(guān)系，從水泵水力設(shè)計材料、結(jié)構(gòu)、安裝和運行等方面，提出抵抗汽蝕和磨蝕，提高機組工作壽命的途徑。

3.5 大型泵站狀態(tài)監(jiān)測與智能控制研究

開展泵站主要水動力學(xué)指標如水質(zhì)、流量、壓力、壓力脈動、水位、揚程、損失及結(jié)構(gòu)動力學(xué)指標如轉(zhuǎn)速、功率、振動、噪聲、電機參數(shù)實時同步測試技術(shù)和設(shè)備研究研制泵站運行狀態(tài)的智能型專家診斷系統(tǒng)。

3.6 長距離輸水泵站水力瞬變與過渡過程特性研究

針對我國高揚程、長距離帶有復(fù)雜管路系統(tǒng)的供水泵站越來越多的情況，如何保證機組在啟動、停機和事故斷電工況下的安全不發(fā)生水錘就成為需要優(yōu)先解決的重要問題，應(yīng)該盡快建立高揚程長距離輸水泵站水力瞬變過程的分析系統(tǒng)，提出便于工程實施的可靠水錘防護系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容包括長距離輸水系統(tǒng)水力元件計算模型長距離輸水系統(tǒng)水力損失的三維計算方法，空氣閥在水錘防護過程中的動力學(xué)特性，以及復(fù)雜管網(wǎng)條件下的泵站過渡過程計算方法與經(jīng)濟實用的水錘防護措施等。

3.7 梯級泵站與多機組并聯(lián)時的優(yōu)化調(diào)度研究

針對灌溉泵站系統(tǒng)中梯級泵站與多機組并聯(lián)運行日益普及的情況，統(tǒng)籌考慮級間和機組間的流量、揚程、水泵工作點等因素對運行成本和調(diào)水效果的影響，提出適用于梯級泵站和多機組并聯(lián)運行的站內(nèi)、站群聯(lián)合運行調(diào)度模型。有效實現(xiàn)站間流量平衡與水位控制，豐富泵站工程的調(diào)控理論，通過泵站群的聯(lián)合優(yōu)化運行，節(jié)省供水成本，提高供水效率。

4 結(jié)束語

隨著水泵設(shè)計制造技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的不斷提高，水泵的制造和生產(chǎn)正沿著大型化、大容量化、高揚程化、高速化、系列化、通用化、標準化的方向發(fā)展；泵站的自動化控制水平也越來越高。

雖然國內(nèi)水泵制造技術(shù)上與發(fā)達國家相比有一定的差距，但是近年來隨著大型水輪發(fā)電機組制造廠家陸續(xù)進入水泵市場，設(shè)計、制造出的高揚程、大流量的蓄能泵也已成功投運，為后續(xù)高揚程、大流量水泵的技術(shù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

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2017-05-12

2017-07-15

佟德利（1970—），男，遼寧人，高級工程師，主要研究方向：水電站與抽水蓄能電站工程建設(shè)管理、主機設(shè)備設(shè)計制造、運維檢修管理。E-mail：pshtdl@sina.com

潘菊芳（1985—），女，浙江人，水電工程造價員，工程師，主要研究方向：抽水蓄能生產(chǎn)運行、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃管理。E-mail：jufang-pan@sgxy.sgcc.com.cn

謝永蘭（1978—），女，湖北人，注冊咨詢師，高級工程師，主要研究方向：水力機械設(shè)計。0732@nwh.cn

鄧志勇（1976—），男，四川人，高級工程師，主要研究方向：水力機械設(shè)計。E-mail：150249634 @qq.com

Technology Status and Development Prospects of High-lift and High fl ow Pumps

TONG Deli1，PAN Jufang1，XIE Yonglan2，DENG Zhiyong2
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761 China ；2.North-west Engineering Co.，Ltd，Xi’an 710065 China）

With the development of economic construction，the government has also strengthened the construction of water conservancy projects，and the demand for high flow and high lift pumps is increasing.This paper briefly introduces the application status at home and abroad，technology research status of the highlift and high-flow pumps，and it also looks ahead the subsequent technology development，especially，large-scale pumps key technology，and some suggestions are made.

high-capacity;high lift;water pump;technical status

TK71

A學(xué)科代碼：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.007

國網(wǎng)新源控股有限公司科技項目（52570015007J）。