拓宽水轮泵概念，实现节能优势

水轮泵站自20世纪60年代大发展起来之后，仅兴旺了不到10年时间，随后便逐渐衰减下去了。据70年代初期统计，发展顶峰时候，全国曾建造水轮泵站达5．6万多处，安装水轮泵8．2万多台；到80年代末统计，全国只存在2万余处3万多台，而今进一步减少，且生存十分艰难。是什么原因造成水轮泵发展建设如此这样的大起大落？就每一处水轮泵站而言，原因可能是多种多样，但从总体上看，40余年的跌宕起伏的曲折实践证明，其根本原因还是对水轮泵的特点、特性和所适用的具体环境条件缺乏系统全面的深刻认识，致使在匆忙大干快上的群众运动中，对规划、设计、施工以及产品制造等环节没有把握住一些基本原则要求。诸如大江大河中修建过于简易柴草堆石坝，势必经不住大洪水的冲刷；不顾一条河流水能资源的整体充分利用，势必会遭到社会经济发展和市场经济规律的淘汰；设备制造技术落后，运行维护管理技术水平低下，势必带来故障和事故频繁，功效无法充分发挥等。进入21世纪，很有必要再进行冷静的重新思考，全面系统地总结过去的认识和经验教训。采取一些切实可行的调整改造措施，推动水轮泵（站）事业持久健康的发展。

用现代的话说，水轮泵是具有中国特色的一种提水工具，是一项自主创新的原创技术成果，对它的优缺点、功过是非的事后评价，尽管至今仍有各种各样的争论，无论怎样，全盘否定的观点是不能成立的，袖手旁观，弃之不问的态度也是不可取的。水轮泵的基本特征就是水轮机和水泵的合理组合。其工作原理是用较大水体，较低水头压力的水能推动水轮机转轮，从而主轴上获得了一定的机械能，通过主轴（直联或间联）将机械能传给水泵叶轮，叶轮再将机械能转变为较小水体的高压能，从而达到将水泵中过流的较小水体压升到高处的目的。这种直接用水轮机驱动水泵提水，免去了水能发电，再用电能通过电动机驱动水泵提水的中间若干个能量转换环节，显然前者比后者对水能的利用率要高，结构比较简单，同时还节省了大量的机电器材消耗，相应基建造价也会降低。应当说这种组合构思新颖，符合系统工程中常说的一句话：“综合就是创造。”过去长时间的实践中所遇到的困难还有：①人们的思想被禁锢在机泵唯直联的形式中，使得机泵匹配很难同时做到水轮机比转速和效率两高，水泵的比转速和效率一低一高的理想工况点（区），如果解除这种唯直联形式，那么机泵匹配难度便大大降低；②在推广应用中人们对水轮泵的使用范围和环境条件不作界定和不加约束，势必会出现遍地开花和粗制滥造现象。如果遵循它的应用环境条件，那么便可避免许多不必要的碰壁和失败。

本节依据系统工程中的系统整体思想和系统各组成元素统筹协调思想，结合对低水头、低扬程的太阳滩水轮泵站和中水头高扬程的夜沙泉水轮泵站改造重建进行了一些探究，现简要介绍如下：

（1）太阳滩水轮泵站位于捞刀河下游，控制集雨面积1161．25km2。泵站设计灌溉面积10300亩。设计发电装机2×28kW，工程于1966年建成，由于标准低，工程不配套，加之水工建筑物年久失修，机械设备老化，实际受益面积只有4700亩，发电装机仅1×28kW，多年平均发电量仅10万kW·h左右，在认真分析水轮泵衰减的原因后，提出太阳滩水轮泵站改造应遵循的几条原则。

1）开发建设水轮泵站，一定要坚持从一条河流水力资源得到充分利用的整体规划出发进行布点，兼顾上下游、左右岸的用水要求，统筹考虑河流的综合利用，不能不顾全局，各行其是。据1987年统计，湖南省因规划布点不当已拆毁报废的有485处，有的已改建成电灌站，更大量的是扩建或改建成水电站，还有部分因水源不足而招致报废。也有少数的站因未设过坝设施影响过船过木而废弃。太阳滩水轮泵站经审查复核，它在捞刀河流域上布点还算是合理的。

2）主要水工建筑物（如拦河坝等）一定要按永久性要求进行设计施工。20世纪60年代，在大江大河上修建了大量的临时性的或半永久性的拦河坝，如木笼堆石坝、蓑衣坝、木桩坝、柴草坝及金包银堆石坝，洪水一过，便被冲坏，乃至冲毁，现已有好几百座被冲垮。1973年6月，一次洪水就冲垮了168座，据统计，湖南省毁于临时坝的水轮泵站有1500余处、2100多台。太阳滩水轮泵站有一座永久性的圬工坝，通过20多年洪水考验，证明该坝是比较坚固的。

3）充分发挥水轮泵多功能作用，既要能经济提水，又要能高效率的发电，还要求工况转换安全快捷可靠。为了充分利用河流水能资源和满足广大农村乡镇企业、人民生活对电能日益增长的需要，改造水轮泵站一定要对多方要求统筹考虑，湖南省现在水轮泵站直接带发电机的，不但效率低，而且抽水发电转换不灵便。对太阳滩水轮泵站改造目标应既要抽水、又要发电。

4）改善水轮泵站生产条件。据1985年统计，湖南省有43座中型水轮泵站，其中闸门破烂漏水严重的有267块，缺少闸门的有110块，大部分中小型站启闭闸门靠杆撬锤打，检修机组靠人抬绳拉，致使工人伤残事故时有发生。有的水轮泵站像“牛棚”、“猪栏”，破破烂烂，管理所和职工住房面积小，低矮陈旧破烂，遮风挡雨困难，还不如当地农民的住房，和周围环境很不协调。因此，在确保工程完好的前提下，要逐步改善管理条件，同时还应加强技术培训，把过于粗放的管理逐步提高到科学管理水平上来。

5）要拓宽水轮泵概念。水轮泵过去局限于同轴直联，框死了它的适用范围，造成中水头分级开发，高扬程多台串联，而带来的布置形式单一，工程造价增高，维修困难等一系列问题。设备易损坏，配件又短缺，如桂阳县飞仙水轮泵站20世纪80年代初曾为少量配件买回53台整机拆开使用，多用去4．6万元。

基于以上原则，太阳滩最终改造方案为改原活动坝木质搭叠门为钢筋弧铰水力自控门10扇，相对于原先正常水位抬高0．3m，使水轮机工作水头达到2．8m，选用立式ZD760—Lm—100水轮机，替换了原先ZD981转轮，通过伞齿轮变向增速配发电机TSWN49．3/30—6型，共装4×75kW；仅其中两台水轮机带16HBC—40型水泵提水。具体组合安装形式见立面剖视图2-28。

（2）夜沙泉水轮泵站位于慈利县境内的澧水支流溇水的下游右岸。早在20世纪60年代末期，为解决慈利有名的干旱死角高峰乡1000多亩旱土灌溉和近200人及其牲畜的饮水困难问题，1968年便修建一座多台串联式的水轮泵站，但是由于40—16型水轮泵泵壳强度不够和上山输水钢管焊接质量差等问题，仅勉强运行几百个小时而报废。时隔20余年后，采用广义水轮泵形式方重建成功。

图2-28　太阳滩低水头组合分离式水轮泵立面剖视图

图2-29　夜沙泉组合分离式水轮泵平面布置图

夜沙泉水轮泵站安装一台HL260—WJ—35型水轮机，工作毛水头25．1m；同轴直联驱动一台200D43×10型多级泵，提水总扬程为214．8m。为了充分利用夜沙泉水能资源，同时又配了一台TSWN59—31—6（125kW）发电机，从而实现全年运转，年发电9万kW·h，年提水336万m3。这种广义水轮泵开发方案有效地克服了多台串联强度不够，水头损失大，装置效率低，结构布置复杂等一系列问题。平面布置如图2-29所示，立面剖视图如图2-30（抽水状态）、图2-31所示（发电状态）。(www.xing528.com)

夜沙泉水轮泵站除了采用通用水轮机与通用水泵组成广义水轮泵这一特点外，而且还有其他许多特点如下：

1）该站在水轮机进水压力管道φ750上分接了一根支管φ150，把推动水轮机的压力水引至多级泵的吸水口，这样便利用了25m水头，使提水扬程减少了23m多。且使提取的为优质泉水，有益人民身体健康。

2）由于水泵进水管与水轮机进水压力管联通，所以启动时，无须灌引水或抽真空，从而省掉了一套真空泵装置；且无吸出高程问题。

3）利用水轮机进水压力管2．3kg/cm2的压力作射流泵工作水源，以此排除厂房内渗水和机组冷却润滑水，从而减小了一处嗓音和热源。利用射流泵排水，结构简单，价格低，可实现无电自动排水。

4）在厂房结构，通风降温等方面也作了细巧的安排。该站采用圆筒形厂房就地取材，造价低。根据山区河流洪水陡涨陡降的特点，在105m高程以下为密封砌筑，但在98m高程处设置了两个φ600的可随时密封的窗孔，平时打开，两岸陡峭的河谷凉风由窗孔进入，由楼梯间排出，实现了自然对流通风的降温目的。实践表明效果很好。

图2-30　抽水状态剖视图

图2-31　发电状态纵剖面图

上述两处中小型水轮泵站的改造扩建思路与实践说明，解除水轮泵唯直联的型式是可行的，好处很多。首先是可以比较自由的在通用水轮机与通用水泵中去选择最佳的匹配；由此可以省去专用水轮泵制造厂家和产品，一般通用水轮机或水泵生产厂家的制造技术水平要大大的高于各地兴办的水轮泵生产小厂，产品质量性能更有保证。进而还可以带来维修配件供应的便廉。新出现的问题是要妥善的解决水轮机与水泵的传动方式，在功率小于100kW时采用各种皮带传动，仍然是不失为一种合理传动的方案之一；当今齿轮变速传动技术相当成熟，海轮上和发电厂及大型加工机械等多种设备上，所用齿轮变速传动装置均已过关，传动功率可以大到上万马力，传动效率也不低，完全可以借用。利用水轮泵提水还存在一个水轮机工作水头有时难以恒定问题，一旦水轮机工作水头降低，势必引起水泵转速下降，出水量与扬程也会下降，对这个技术问题可以通过不同调速装置和水工设计作出适应变动的灵活安排。

不必担心打破风行一时的唯直联的水轮泵老概念，只有与时俱进，才能走出困境，适时拓宽水轮泵概念是明智之举。现在可以给广义水轮泵下个定义是：凡利用水轮机带动水泵提水的机械结构型式，均可称为水轮泵。由此又引起一部分人疑虑，“这种机泵分离，通过传动机构匹配，这不是又回到20世纪30、40年代的老路上来了吗？”从表面形式上看，好像又回到最初创制水轮泵的原始形式上了。如果要深入的去想一想，过去的认识，通过几十年的实践，已经从一个很低的层次上，螺旋式的上升到一个更高的层次上了，实质上并没有回到原位，当年的机泵搭配，容量很小，质量很差，形式单一，而如今容量大，质量精度很高，形式多样，过去是无法与此比拟的。

用系统思想反思总结我国水轮泵产生与发展全过程，应当坚定的认识到，对一条河流水能水资源的开发利用，一定要从整体考虑，不可各行其是，在大江大河的梯级水能开发利用中，水能发电与水能抽水应当协调安排。在水力枢纽整体布置上，完全有可能利用大坝蓄水所形成的水头水量，根据要求单独引出一根管道修建水轮泵站，以满足坝端两岸农田与城市厂矿用水。这种安排，既合理的利用了水能，又降低了整体造价，应当受到广泛重视。为达此目的，需要水利全行业的认同与努力，相信对社会发展全局有利的事情，也一定能得到多方认同与支持。