大型低揚程泵裝置水力設計關鍵技術的創(chuàng)新與發(fā)展

劉 軍，施 偉，徐 磊，陸林廣

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，江蘇 南京 210029；2.揚州大學，江蘇 揚州 225009)

隨著全球異常及極端氣候出現(xiàn)的增多和特大洪澇旱災的頻發(fā)，大型低揚程泵站在經(jīng)濟發(fā)達的平原地區(qū)所發(fā)揮的保障作用日益突出。預計今后數(shù)十年我國還將陸續(xù)建設一批大中型低揚程泵站，國家重點工程南水北調(diào)東線二期工程和淮河入海水道二期工程也將于近幾年內(nèi)開工建設。南水北調(diào)東線一期工程的高標準、高要求大大促進了大型低揚程泵裝置關鍵技術發(fā)展的進程。為進一步提高江蘇和全國大型低揚程泵站的泵裝置水力設計水平和工程建設質(zhì)量，滿足我國南水北調(diào)東線二期等重大工程大型低揚程泵站建設的需要，有必要對南水北調(diào)東線一期工程低揚程泵裝置水力設計的關鍵技術進行較為深入系統(tǒng)的總結與提煉。

1 南水北調(diào)工程水泵模型同臺測試主要成果

為滿足南水北調(diào)東線工程高標準建設的需要，水利部調(diào)水局于2004年組織開展了低揚程水泵模型的同臺測試工作。水泵模型同臺測試任務由中水北方勘測設計研究有限責任公司承擔，該公司的水力機械試驗臺(以下簡稱“天津試驗臺”)按高標準建成了具有公正性、專業(yè)性和權威性的高精度試驗臺，為保證水泵同臺測試的質(zhì)量提供了必要的基礎條件。

1.1 水泵模型同臺測試主要成果

水泵模型同臺測試工作于2004年11月30日向社會公開征集適用于南水北調(diào)東線工程的水泵模型，共有27個水泵模型參試，測試工作于2005年1月結束。南水北調(diào)工程軸流泵模型同臺測試成果經(jīng)專家評審后向社會公布，主要性能參數(shù)見文獻[1]。同臺測試資料表明：當時國內(nèi)軸流泵水泵模型高效區(qū)效率的總體水平達到84%左右，最高點效率達到86.7%[1]。

國內(nèi)首次軸流泵模型同臺測試是1981年在中國農(nóng)機院進行的全國性的軸流泵模型同臺測試，共有13個軸流泵模型參試。測試結果表明，當時國內(nèi)軸流泵水泵模型高效區(qū)效率平均為81%左右，最高點效率為84.5%[2-3]。

南水北調(diào)東、中線一期工程除采用進口水泵的泵站外，全部采用了南水北調(diào)工程水泵模型同臺測試成果，近十多年來國內(nèi)其他大中型低揚程泵站也都普遍采用了水泵模型同臺測試成果。

1.2 水泵裝置模型同臺測試主要成果

從2005年起，南水北調(diào)工程和國內(nèi)其他重要工程的一批大型低揚程泵站的泵裝置模型在天津試驗臺進行了嚴格測試，得到了不同型式低揚程泵裝置模型的主要性能參數(shù)，為客觀評價低揚程泵裝置的水力性能提供了可靠依據(jù)。表1列出了2005—2018年經(jīng)天津試驗臺測試的4種型式低揚程泵裝置最高效率的統(tǒng)計結果。

表1 低揚程泵裝置模型效率試驗結果匯總(天津臺)

2 大型低揚程泵裝置水泵選型新方法

大型低揚程泵裝置的水泵選型長期采用傳統(tǒng)的求水泵模型測試段性能曲線與泵裝置需要揚程曲線交點的方法[4-5]，工程實踐表明這種方法常導致水泵裝置高效區(qū)的揚程高于設計工況點。根據(jù)對大型低揚程泵裝置與相應水泵模型測試段性能曲線分析比較的結果[6]，提出了大型低揚程泵裝置水泵選型新方法，針對單泵設計流量和特征揚程，選擇合適的水泵模型、調(diào)整葉輪直徑D及轉(zhuǎn)速n，使其滿足以下要求：①泵裝置設計工況點盡可能位于水泵模型測試段性能曲線的高效區(qū)；②泵裝置設計工況點所在的葉片角度位于水泵模型測試段性能曲線高效區(qū)的左側3°左右；③泵裝置最高揚程低于水泵模型測試段性能曲線的第一鞍底揚程以下。

3 低揚程泵裝置流道優(yōu)化水力設計方法

進、出水流道的優(yōu)化水力設計方法是大型低揚程泵裝置的關鍵技術之一，在南水北調(diào)一期工程及其他工程的數(shù)十座大型低揚程泵站中得到了成功應用，為提高我國低揚程泵裝置水力設計水平作出了重要貢獻。經(jīng)過近30年的發(fā)展，建立了基于CFD的低揚程泵裝置進、出水流道優(yōu)化水力設計方法，內(nèi)容包括：進、出水流道三維形體過流面優(yōu)化水力設計的目標函數(shù)、約束條件和決策變量，立式泵裝置的肘形進水流道、虹吸式出水流道和前置豎井式貫流泵裝置的進、出水流道空間形體參數(shù)化設計的數(shù)學模型，基于決策變量類型的分層次優(yōu)化的進、出水流道三維形體過流面的設計方法，流道水力性能的模型試驗驗證[7-8]。影響大型低揚程泵站進、出水流道幾何型體的幾何變量比較多，這些變量不同值的組合所形成的流道型體優(yōu)化計算方案將非常之多。為避免遭遇優(yōu)化計算時的“維數(shù)災”，提出了分層次優(yōu)化水力設計方法，將流道優(yōu)化水力設計分為4個層次：①充分利用已積累的流道優(yōu)化水力設計的資料、數(shù)據(jù)及經(jīng)驗等，針對泵站的具體情況擬定質(zhì)量較高的流道設計初步方案；②經(jīng)過對不同決策變量組合的進、出水流道過流面性能的大量數(shù)值計算，揭示各個主要決策變量影響進、出水流道過流面水力性能的變化趨勢和基本規(guī)律；③進行流道次要變量的優(yōu)化計算；④進行流道型線的優(yōu)化計算。進出水流道的控制參數(shù)、次要幾何參數(shù)和流道型線的優(yōu)化計算需要經(jīng)過多次重復的過程才能取得令人滿意的結果。

4 立式低揚程泵裝置主要研究成果及應用

立式泵裝置具有技術成熟、安裝方便、運行穩(wěn)定、可靠性高和投資省、維護費用少等突出優(yōu)點，已在數(shù)百座低揚程泵站中得到十分廣泛的應用。立式泵裝置應用于低揚程泵站的主要困難有：①泵裝置在立面方向的布置尺寸較為緊張；②進水流道和出水流道均需作90°轉(zhuǎn)向，流道水頭損失相對較大。

4.1 立式泵裝置的流道型式

4.1.1 進水流道的主要型式及特點

與低揚程立式泵裝置配套使用的主要有肘形、簸箕形和鐘形等3種型式的進水流道。這3種型式進水流道型體的特點為：肘形進水流道型體的變化連續(xù)流暢，簸箕形和鐘形進水流道均由吸水箱和喇叭管2個部分組成；肘形進水流道高度較大、寬度較小，鐘形進水流道高度較小、寬度較大，簸箕形進水流道對高度和寬度的要求介于肘形和鐘形進水流道之間。3種型式進水流道的流場圖見圖1，從圖1可以看到：

圖1 立式泵裝置3種型式進水流道的流場圖

(1)肘形進水流道內(nèi)流態(tài)平順，水流作90°轉(zhuǎn)向中未產(chǎn)生脫流，經(jīng)流道圓錐段調(diào)整，流道出口處水流趨向于均勻分布和垂直于出口斷面。

(2)鐘形進水流道內(nèi)的流動分為2個階段：第1階段是水流在吸水箱內(nèi)的匯集階段，水流從四周進入喇叭管；第2階段是水流在喇叭管內(nèi)的整流階段，水流在喇叭管內(nèi)急劇加速，流場得到較快調(diào)整。流道側后部的水流方向變化和流速梯度較大，易產(chǎn)生旋渦，若旋渦強度達到一定程度產(chǎn)生附避渦帶將影響到水泵的穩(wěn)定工作。

(3)簸箕形進水流道的基本流動形態(tài)與鐘形進水流道大體相同，也分為2個階段，但其尾部底面旋渦運動較弱，旋轉(zhuǎn)強度小，基本不會導致附壁渦帶的產(chǎn)生。

研究結果表明，肘形進水流道是大型泵站立式泵裝置中水力性能最好的流道型式。經(jīng)過多年研究開發(fā)和工程應用，肘形進水流道已發(fā)展成為成熟的進水流道型式。南水北調(diào)東線一期工程采用立式泵裝置的14座新建大型泵站全都采用了肘形進水流道(表2)。國內(nèi)近10年建設的其他工程采用立式泵裝置的大中型泵站也都應用了肘形進水流道。

4.1.2 出水流道的主要型式及特點

應用于立式低揚程泵裝置的出水流道主要有虹吸式出水流道和低駝峰式出水流道(表2)，其流道流場圖見圖2。

表2 南水北調(diào)東線一期工程14座泵站立式泵裝置水力性能主要參數(shù)

圖2 立式泵裝置2種型式出水流道的流場圖

虹吸式出水流道幾何型體比較復雜，但水力性能優(yōu)異、斷流方式簡單可靠。虹吸式出水流道進口轉(zhuǎn)彎段和上升段內(nèi)的水流擴散平緩無脫流現(xiàn)象，受水流慣性和環(huán)量的雙重影響，順水流方向看主流偏于流道下降段的左側上部，流道右側下部區(qū)域易出現(xiàn)局部旋渦。

低駝峰式出水流道特點是流道先平緩地向上彎曲，形成一個較低的駝峰然后再向下彎曲，以盡可能加大流道的轉(zhuǎn)彎半徑，使流道內(nèi)的水流較為平緩地轉(zhuǎn)向，減輕水流急轉(zhuǎn)造成的脫流，從而減少流道的水頭損失。低駝峰式出水流道轉(zhuǎn)彎段水流轉(zhuǎn)向有序、擴散平緩，但在流道下降段，受水流慣性和環(huán)量的雙重影響，順水流方向看主流偏于流道左側上部，流道右側下部區(qū)域出現(xiàn)局部旋渦。

4.2 立式泵裝置在南水北調(diào)東線一期工程的應用

南水北調(diào)東線一期工程14座新建大型座泵站采用了立式低揚程泵裝置，14座泵站立式泵裝置主要參數(shù)及模型試驗主要結果列于表2。

根據(jù)統(tǒng)計結果，南水北調(diào)東線一期工程開工建設前(2002年以前)，我國立式低揚程泵裝置效率的整體水平為70%左右。根據(jù)表2列出的泵裝置模型試驗結果，可算得南水北調(diào)東線一期工程14座泵站立式泵裝置最優(yōu)工況點效率的平均值為78.3%。與南水北調(diào)東線一期工程開工前的平均水平相比，我國立式低揚程泵裝置效率的整體水平提高了約8%。

4.3 建議推廣應用的立式低揚程泵裝置進、出水流道

在南水北調(diào)東線一期工程14座采用立式泵裝置的泵站中，采用虹吸式出水流道和低駝峰式出水流道的泵站各7座。根據(jù)表2所列泵裝置模型試驗結果，采用虹吸式出水流道7座泵站的泵裝置最優(yōu)工況效率的平均值為79.9%，采用低駝峰式出水流道7座泵站的泵裝置最優(yōu)工況效率的平均值為77.0%。

中水北方勘測設計研究有限責任公司受南水北調(diào)工程專家委員會的委托，于2018年12月對采用虹吸式出水流道的南水北調(diào)東線一期工程鄧樓站進行了現(xiàn)場測試。結果表明：鄧樓站水泵機組的啟動和停機過程迅速、平穩(wěn)，真空破壞閥在水泵機組啟、停機過程中發(fā)揮了關鍵作用，達到預定要求；該站泵裝置效率基本達到模型試驗的指標[9]。

大型低揚程泵裝置多年運行、管理的工程實踐證明：虹吸式出水流道采用真空破壞閥斷流，不僅結構簡單、操作方便、可靠性高，而且日常維護工作量很少[10-11]；低駝峰式出水流道采用液控快速閘門斷流，不僅操控系統(tǒng)復雜、運行管理技術要求高，而且維護工作量大，特別是液壓油缸的油封常需更換[11]。

大量低揚程泵站工程研究和實踐成果表明：肘形進水流道和虹吸式出水流道是大型泵站立式泵裝置的最佳流道型式。對于虹吸式出水流道不能直接擋洪的泵站，可在出水流道出口設置擋洪閘門。

5 前置豎井式貫流泵裝置主要研究成果及應用

貫流泵裝置最主要的特征是采用臥式軸系，驅(qū)動電機的掩體(燈泡體或豎井)布置于流道內(nèi)，水泵機組的主軸無需從流道穿出，因此貫流泵裝置的進、出水流道順直貫通不彎曲，流道水頭損失小。對于揚程在3m以下的特低揚程泵站，采用貫流泵裝置可獲得相對較高的流道效率和泵裝置效率，特別適用于年運行時數(shù)多的大流量特低揚程泵站。

5.1 前置豎井式貫流泵裝置特點

前置豎井式貫流泵裝置的豎井布置在進水流道內(nèi)，驅(qū)動電機設置在豎井內(nèi)，其結構方面的優(yōu)點主要體現(xiàn)為：①水泵葉輪采用簡支式軸系，結構穩(wěn)定；②在水泵軸封與導軸承之間設有隔水腔，軸封滲漏水可通過布置在導葉體葉片內(nèi)的排水管排出；③豎井為鋼筋混凝土結構，并與泵站底板澆筑為一體，整體穩(wěn)定性特別好。

對前置豎井式貫流泵裝置進行優(yōu)化水力設計的要點為：①采用成熟的優(yōu)秀水泵模型；②對進、出水流道(包括豎井外壁)的型線進行優(yōu)化水力設計，設計流量時的流道水頭損失控制在0.2m以內(nèi)。經(jīng)過優(yōu)化設計計算的前置豎井式貫流泵裝置的流場圖見圖3?？梢钥吹?，進入進水流道的水流從豎井兩側通過，在豎井尾部匯合調(diào)整后進入水泵，流道內(nèi)的水流收縮平順、流速變化均勻，流線層次分明；導葉體出口水流旋轉(zhuǎn)進入出水流道，出水流道內(nèi)的水流擴散平緩、流速變化均勻，流道內(nèi)無任何不良流態(tài)。

圖3 前置豎井式貫流泵裝置流場圖

5.2 前置豎井式貫流泵裝置的應用

南水北調(diào)東線一期工程的邳州站采用了我國自主研發(fā)的前置豎井式貫流泵裝置，藺家壩站、金湖站、淮陰三站、韓莊站、二級壩站、泗洪站等6座泵站采用了全套進口的后置燈泡式貫流泵裝置。表3列出了這7座泵站貫流泵裝置模型試驗的主要性能參數(shù)統(tǒng)計表。

表3 南水北調(diào)東線一期工程貫流泵裝置模型試驗的主要性能參數(shù)

前置豎井式貫流泵裝置的水力性能優(yōu)異，且具有結構簡單、安裝檢修方便、造價低等突出優(yōu)點，自成功應用于邳州站以來已在50余座大流量低揚程泵站得到應用[12]。邳州站前置豎井式貫流泵單機組穩(wěn)定運行已超過10 000 h。

5.3 特大型貫流泵裝置的研發(fā)

對貫流泵裝置的研究及應用有兩方面的剛性要求：①結構合理，穩(wěn)定性好；②進、出水流態(tài)好，水力性能優(yōu)異。貫流泵裝置優(yōu)化設計研究的總目標是在結構設計和水力設計兩個方面達到完美統(tǒng)一。南水北調(diào)二期工程計劃開始之初，面對特大型貫流泵裝置的工程應用需求，尚存以下問題：①未對成套進口的后置燈泡式貫流泵裝置在消化吸收的基礎上創(chuàng)新發(fā)展；②南水北調(diào)東線一期工程6座泵站3家國外水泵供貨商提供的后置貫流泵裝置沒有進行過第三方同臺測試。為了確保特大型貫流泵裝置安全穩(wěn)定和高效運行，中水淮河規(guī)劃設計研究有限責任公司及時提出了對特大型貫流泵裝置進行深入研究的問題，對促進我國特大型貫流泵裝置的發(fā)展具有深遠意義。

6 泵站水力設計與水工設計、結構設計的協(xié)同優(yōu)化

6.1 大流量泵站協(xié)同優(yōu)化設計的新理念

大流量泵站是以抽水裝置為核心、以泵組結構為支撐、以泵房結構為依托、以泵站水工建筑物為基礎的復雜系統(tǒng)。泵裝置水力設計與泵房水工設計、結構設計之間存在著相互依存、相互制約的復雜關系。

泵裝置流道的控制尺寸對流道的水力性能和泵站的土建工程量都有較大影響。如：對進水流道而言，流道平面方向較小的收縮角有利于水流的均勻收縮，但在流道進口寬度和水泵葉輪直徑一定的條件下，較小的收縮角需要較長的流道長度；對于立式泵裝置的進水流道，較大的流道高度有利于水流的有序轉(zhuǎn)向和流場調(diào)整，但較大的流道高度需要較大的開挖深度。再如：對出水流道而言，若要求盡可能多地回收流道出口水流的動能，就需要有較大的流道出口斷面尺寸；同時，為了控制流道擴散角在一定范圍內(nèi)，以保證水流平緩擴散而不致因擴散過快而產(chǎn)生脫流及旋渦，需要有較大的流道長度。水力性能優(yōu)異的流道一般要求有較為寬松的流道控制尺寸，對于年運行時間較長的泵站，宜適當放寬流道控制尺寸；對于年運行時間較少的排澇泵站，常更多考慮投資問題。

提高低揚程泵裝置水力性能的途徑有好多種，其中，處理好提高流道水力性能與泵站工程設計之間的關系是極其重要的一個方面。在泵裝置流道優(yōu)化水力設計過程中，需要與承擔泵站工程設計任務的設計院進行充分的交流和磋商，兼顧工程投資、泵房結構設計和流道水力性能等多方面的要求，提出合理調(diào)整流道控制尺寸和泵房布置的建議。

為實現(xiàn)泵站工程整體最優(yōu)化設計，提出了以水泵機組安全穩(wěn)定和高效運行為總體目標，進行泵裝置水力設計與泵房水工設計、結構設計之間的協(xié)同優(yōu)化設計的新理念。

6.2 借助于互相關決策變量解決協(xié)同優(yōu)化問題

為便于進行泵裝置水力設計與泵房水工設計、結構設計之間的協(xié)同優(yōu)化設計，在流道水力設計決策變量和泵房水工設計決策變量的基礎上，引入了新的綜合性的決策變量――對泵裝置水力設計和泵房水工設計、結構設計都有較大影響的互相關決策變量?；ハ嚓P決策變量比較多且對流道水力性能的影響規(guī)律不同，為便于指導各設計單元之間的協(xié)同優(yōu)化，有必要研究這些互相關決策變量影響流道水力性能的基本規(guī)律?；ハ嚓P決策變量比較多，限于篇幅，此處僅以立式泵裝置水泵葉輪中心高程和前置豎井式貫流泵裝置葉輪直徑為例進行簡要說明。

(1)立式泵裝置水泵葉輪中心高程的影響

在低揚程泵站進、出水池水位一定的條件下，立式泵裝置的水泵葉輪中心高程對泵房立面方向的布置(包括泵房底板高程、水泵頂蓋高程、水泵梁高程、電機梁高程，等)影響很大，對泵裝置進、出水流道水頭損失的影響也很大。

(2)前置豎井式貫流泵裝置葉輪直徑的影響

前置豎井式貫流泵裝置葉輪直徑對泵房布置(包括進水流道的長度、寬度，出水流道的長度、寬度，等)影響很大；水泵葉輪直徑直接影響到其進水流道的收縮角和出水流道的擴散角(圖4)。在設計流量一定的條件下，葉輪直徑愈大，進水流道的收縮角愈小、出水流道的擴散角也愈小，愈有利于改善進、出水流態(tài)和減少流道水頭損失；但葉輪直徑愈大，泵站的設備投資愈大。

圖4 不同葉輪直徑前置豎井式貫流泵裝置對比

對于互相關決策變量的研究，一般是根據(jù)設計院的要求和泵站的具體情況有針對性地進行，掌握最重要互相關決策變量的基本規(guī)律，為合理調(diào)整互相關決策變量提供依據(jù)。在此過程中，需與設計院進行充分的交流協(xié)調(diào)，確定互相關決策變量調(diào)整的最佳方案，力爭實現(xiàn)泵裝置水力設計與泵房水工設計、結構設計之間的協(xié)同優(yōu)化。

6.3 流道優(yōu)化水力設計工作的時間安排

大型泵站的建設過程一般需要經(jīng)歷項目建議書、可研、初步設計和招投標、施工等不同的階段。為便于實現(xiàn)泵裝置水力設計和泵站工程設計的協(xié)調(diào)和同步優(yōu)化，最好能在初步設計階段的初期就能啟動流道優(yōu)化水力設計。因為流道設計尺寸的改動可能涉及很多張圖紙，牽一發(fā)而動全身。如果在初步設計后期或水泵設備招投標階段才開始安排進行泵裝置優(yōu)化水力設計工作，此時泵房水工設計、結構設計工作已基本完成，甚至已開始繪制施工圖，在這種情況下進行協(xié)同優(yōu)化，則很有可能導致過大的工程圖紙修改工作量，有時還會遇到投資和施工方面的困難，一般很難取得好的效果。

7 結 語

我國低揚程泵站的發(fā)展已經(jīng)走完差不多一個甲子的歷程，是世界上低揚程泵站總裝機容量最多的國家。南水北調(diào)東線一期工程的建設促進了低揚程泵站的關鍵技術取得了長足的進步，但低揚程泵站還有些關鍵技術有待進一步研發(fā)與提高，如：特大型貫流泵裝置的優(yōu)化設計，流道現(xiàn)場施工對過流面型線的誤差控制，泵站現(xiàn)場測試與分析研究等。南水北調(diào)東線二期工程的建設即將開始，我國水泵行業(yè)將在技術方面逐步跟上水輪機行業(yè)的步伐，相信我國大型低揚程泵站的技術將進入一個新的發(fā)展階段。