黃河高揚(yáng)程大型泵站水泵設(shè)計(jì)選型中存在的技術(shù)難題及解決方案

肖 靜

(山西小浪底引黃水務(wù)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(yùn)城市境內(nèi)，工程總體走勢(shì)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(qū)向山西省涑水河流域調(diào)水的大型引調(diào)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(yùn)城市中東部大部分縣市。工程建設(shè)目的是解決運(yùn)城鹽湖區(qū)、聞喜、絳縣、夏縣、垣曲五縣(區(qū))農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)及城鎮(zhèn)生活、生態(tài)用水問題。工程引水干線建筑物主要包括輸水隧洞、進(jìn)水塔、地下泵站、板澗河調(diào)蓄水庫和末端呂莊水庫出水池。工程設(shè)計(jì)流量20 m3/s，年引水量2.47億m3，農(nóng)業(yè)灌溉面積63.58萬畝。本工程等別為Ⅱ等，地下泵站為1級(jí)建筑物。地下泵站布置6臺(tái)水泵機(jī)組，總裝機(jī)容量94500 kW。

2 技術(shù)難點(diǎn)

2.1 高揚(yáng)程

本工程引水干線取水口位于垣曲縣境內(nèi)黃河干流上的小浪底水庫庫區(qū)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(jí)泵站提水，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程236 m，最高揚(yáng)程達(dá)266 m。目前，無論是臥式泵還是立式泵，黃河流域如此高揚(yáng)程的泵站國內(nèi)尚無可借鑒的實(shí)例，立式泵國外雖然已有成功運(yùn)行的實(shí)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(shè)計(jì)取水水位265 m，最高取水水位275 m，水位變幅大，高達(dá)45 m。不同時(shí)期不同水位，水泵的揚(yáng)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(yùn)行，這就主要考慮水泵工作點(diǎn)、性能參數(shù)的確定以及生產(chǎn)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(fā)揮工程效益。從目前掌握的技術(shù)資料看，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)還無類似高揚(yáng)程多級(jí)泵生產(chǎn)制造業(yè)績，只有國外幾個(gè)知名廠家有生產(chǎn)制造能力，而相應(yīng)設(shè)備采購成本就較國內(nèi)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(diǎn)問題。泥沙對(duì)水泵磨損后產(chǎn)生的不良后果是多方面的，不僅會(huì)破壞水泵的過流部件，導(dǎo)致零部件或葉輪頻繁修復(fù)或更換，而且對(duì)水泵性能也將產(chǎn)生很不利的影響。如使水泵過流部件造成磨損與汽蝕聯(lián)合破壞，增加部件破壞速度。尤其是葉片和口環(huán)磨損后導(dǎo)致間隙泄漏水量增加，使水泵過水流量減小，水泵運(yùn)行在非最優(yōu)工況區(qū)，水泵效率嚴(yán)重下降，振動(dòng)擺度增大，給水泵安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。

在黃河上修建高揚(yáng)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(yán)重，增加了泵站運(yùn)行和維護(hù)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(jù)小浪底水庫的泥沙資料，水泵設(shè)計(jì)過機(jī)泥沙含量將超過5 kg/m3，汛期泥沙含量可達(dá)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(shè)計(jì)揚(yáng)程僅140 m，而本工程水泵最高運(yùn)行揚(yáng)程266 m，如此高揚(yáng)程、高泥沙含量，如何提高水泵的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工制造工藝，減少水泵泥沙磨損，保證水泵運(yùn)行效率、延長設(shè)備使用壽命、方便設(shè)備后期的運(yùn)行維護(hù)等都需重點(diǎn)考慮。

3 解決方案

3.1 技術(shù)論證

自工程2011年立項(xiàng)，2012年初步設(shè)計(jì)報(bào)告批復(fù)，就邀請(qǐng)國內(nèi)水利行業(yè)的專家進(jìn)行技術(shù)咨詢，并且與國內(nèi)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(jī)廠、上海電機(jī)廠、湘潭電機(jī)廠以及東方電機(jī)廠等水泵生產(chǎn)廠家，針對(duì)本工程的工程情況、邊界條件以及技術(shù)難點(diǎn)，多方進(jìn)行交流、討論、咨詢，共召開專家咨詢會(huì)、廠家技術(shù)交流以及招標(biāo)文件審查會(huì)十五次，國內(nèi)外類似項(xiàng)目考察五次，先后考察了萬家寨引黃工程、牛欄江滇池補(bǔ)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(shè)、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，為本工程泵站設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

最終，經(jīng)過歷時(shí)三年的技術(shù)論證，本工程地下泵站完成了水泵設(shè)備選型，從設(shè)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(jí)蝸殼式離心泵，6臺(tái)水泵機(jī)組選用同種泵型，單機(jī)設(shè)計(jì)流量5 m3/s，轉(zhuǎn)速600 r/min，設(shè)計(jì)揚(yáng)程236 m，這樣單級(jí)揚(yáng)程就降為118 m，擬采用國際招標(biāo)的方式確定水泵生產(chǎn)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(jì)算出不同水位下的揚(yáng)程，并根據(jù)小浪底水庫水位變化情況，即根據(jù)不同時(shí)段、不同水位出現(xiàn)的頻率，確定不同揚(yáng)程下水泵效率的權(quán)重因子，在水泵效率確定中引入加權(quán)平均效率。加權(quán)平均效率按下式計(jì)算：

表1 小浪底水泵效率計(jì)算加權(quán)系數(shù)ωj分布

針對(duì)所確定的水泵效率加權(quán)系數(shù)，小浪底引黃工程原型水泵設(shè)計(jì)要求：在設(shè)計(jì)工況(即設(shè)計(jì)揚(yáng)程、設(shè)計(jì)流量、額定轉(zhuǎn)速)下的效率保證值不低于91%；最優(yōu)點(diǎn)工況點(diǎn)的效率保證值不低于91.5%，水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)應(yīng)接近最優(yōu)工況點(diǎn)。在泵站設(shè)計(jì)的水位和揚(yáng)程工作范圍內(nèi)水泵效率曲線變化應(yīng)平緩，均處于高效區(qū)。水泵加權(quán)平均效率保證值不低于90%。

水泵效率的確定根據(jù)研究階段與國內(nèi)外設(shè)備廠家的交流情況以及本工程的實(shí)際綜合確定。并且在水泵設(shè)備招標(biāo)中采用效率獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)設(shè)備廠家盡可能提高水泵效率，效率曲線平滑無駝峰無拐點(diǎn)，最終效率考核不僅考核設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率，同時(shí)最低揚(yáng)程到最高揚(yáng)程對(duì)應(yīng)效率點(diǎn)加權(quán)平均后的效率(即加權(quán)平均效率)同樣作為效率考核點(diǎn)，這樣就可以保證水泵能適應(yīng)水位的變化，在水位變化范圍內(nèi)都能處于高效運(yùn)行，降低泵站運(yùn)行成本，提高泵站運(yùn)行期的效益。

3.3 提高生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)

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(yùn)行帶來極大的隱患，特別是黃河流域以內(nèi)以黃河為水源的高揚(yáng)程大型泵站，運(yùn)行一段時(shí)間之后水泵的磨損嚴(yán)重、過流量減小、效率嚴(yán)重下降、檢修維護(hù)成本提高，泵站的能源消耗增大，經(jīng)常面臨泵站更新改造。針對(duì)這一難題，本工程在水泵設(shè)計(jì)中提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以提高水泵運(yùn)行效率，延長使用壽命。

(1)提高關(guān)鍵部件加工標(biāo)準(zhǔn)

水泵葉輪及級(jí)間導(dǎo)葉采用鍛焊結(jié)構(gòu)，級(jí)間導(dǎo)葉為可拆式結(jié)構(gòu)，以滿足其過流表面泥沙磨蝕后便于修復(fù)。葉輪上、下蓋板鍛造成型，數(shù)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(jí)間導(dǎo)葉材質(zhì)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(jié)構(gòu)。如采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，其材料性能不低于ZG20SiMn，厚度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)壓力加上5 mm最小允許磨損厚度。其他關(guān)鍵部件的材質(zhì)、加工工藝也均采用高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

(2)過流部件抗磨涂層設(shè)計(jì)

對(duì)于水泵流道及過流部件均考慮抗磨涂層設(shè)計(jì)，其中葉輪、密封環(huán)、導(dǎo)葉等采用HVOF硬涂層，進(jìn)水管及進(jìn)水彎管、泵殼、座環(huán)、底環(huán)、蝸殼、蝸殼延伸管、蝸殼出水側(cè)擴(kuò)散管等其他部件過流面采用軟涂層。最終設(shè)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(yàn)

本工程要求設(shè)備廠家選用高精度試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行水泵模型試驗(yàn)，模型水泵為雙級(jí)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(yīng)不小于250 mm，Re≥4×106，比能E≥100 J/kg。同時(shí)還考慮抽送黃河水的特點(diǎn)，還保留選用中國國內(nèi)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模型渾水試驗(yàn)的權(quán)利以及經(jīng)費(fèi)考慮。

通過提高水泵部件的材料、加工標(biāo)準(zhǔn)，提高水泵的抗磨性能，延長高泥沙運(yùn)行條件下設(shè)備的使用壽命。

4 結(jié)語

根據(jù)本工程地下泵站水泵設(shè)計(jì)選型情況，目前國內(nèi)水泵生產(chǎn)廠家無類似黃河上高揚(yáng)程大流量立式多級(jí)離心泵的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，因此，本工程根據(jù)技術(shù)論證的情況決定采用國際招標(biāo)，邀請(qǐng)更多掌握水泵先進(jìn)生產(chǎn)工藝的設(shè)備廠家參與。最終通過國際招標(biāo)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(chǎn)。

針對(duì)本工程所設(shè)計(jì)泵站存在揚(yáng)程高、取水水位變幅大、泥沙含量高以及國內(nèi)無類似可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)等技術(shù)難點(diǎn)，通過進(jìn)行技術(shù)咨詢、廠家交流、項(xiàng)目考察等技術(shù)論證，最終采取提高效率考核指標(biāo)并增加水泵加權(quán)平均效率考核點(diǎn)、提高水泵關(guān)鍵部件生產(chǎn)加工標(biāo)準(zhǔn)等方案進(jìn)行解決，最終完成水泵選型設(shè)計(jì)。為黃河上建設(shè)高揚(yáng)程大型泵站創(chuàng)造了條件，進(jìn)而為國內(nèi)類似水利水電工程提供可復(fù)制的經(jīng)驗(yàn)。