供水泵站新技术的理论与实践

在泵站工程建设发展中，科学研究与工程技术得到迅速提高，逐步建立起具有中国特色的理论体系与技术基础，结合中国国情和泵站工程的特点，进行了科学试验与研究，取得了举世瞩目的成就，为泵站工程的发展提供了技术保证。

（一）水泵的研制与生产技术

新中国成立初期，我国的水泵生产几乎为零。50 年来，随着水利事业和机械工业的发展，我国已建成了具有相当能力的水泵行业，形成了一支有较强力量的科研队伍，农用泵及工业泵的设计制造能力亦有相应提高，研制和生产了大量适合我国特点的各类水泵。到目前为止，我国生产的水泵产品有50 多个系列、800 多个品种、1300 多种规格，年生产能力达50多万台；大型水泵之大、数量之多、解决排灌面积之广居世界前列。主要包括有离心泵（centrifugal pump）、混流泵（mixed flow pump）、轴流泵（axial flow pump）、长轴深井泵、潜水电泵、水轮泵，其进出水口径范围为32～600mm，流量为3～36 万m3/h，扬程为1.5～600m，深井提水泵可达325m，单泵配套功率为0.25～8000kW。最大的轴流泵安装在江苏省淮安二站，转轮直径4.5m，单机流量为60m3/s，扬程为7.0m，单机容量为5000kW。最大的混流泵安装在江苏省皂河一站，转轮直径5.7m，单机流量为97.5m3/s，扬程为5.96m，单机容量为7000kW。最大的离心泵安装在陕西东雷二级站，单机流量为2.2m3/s，设计扬程为225m，单机容量为8000kW。基本满足农业排灌和城乡供水的需要，为抵御自然灾害，扩大农田排灌面积，改善城镇和乡村供水方面提供了技术装备，特别是20世纪80年代以来，按照ISO国际标准，研制了一批离心泵、轴流泵和混流泵模型，其性能达到国际先进水平。

（二）泵站工程及跨流域调水工程的规划

为了充分发挥泵站工程的作用，以获得最高效益，总结了“蓄、引、提相结合，机、电、水合理匹配，排灌、供水、发电多功能综合利用，大、中、小站合理布局”的规划原则。特别在大型泵站工程的规划与设计方面，结合中国的实际，做了大量研究与论证，积累了丰富的经验。山西省万家寨引黄工程是一项跨流域的大型引水工程，由黄河万家寨水库引水，分别向太原、大同和平朔3 个地区供水，引水线路由总干线、南干线、连接段、北干线组成，总长约452km，年设计引水量12 亿m3，其中向太原供水6.4 亿m3，向大同、平朔供水5.6 亿m3。根据工程规划分两期实施。该工程总干一级、二级、三级泵站，南干一级、二级泵站扬程之高、流量之大、施工任务之艰巨举世无双！这一工程的成功建设，极大地推动了我国跨流域调水工程的规划、设计及管理的水平。

（三）大型轴流泵站工程技术的研究

轴流泵在南方江河湖海地区得到广泛应用，由于其流量大，扬程较低，为了提高效率，确保安全运行，我国高等学校及科研院所紧密结合生产，主要进行了以下方面工程技术的研究，并取得了一批重要成果。

（1）提高水泵装置效率及其试验的研究。水泵装置效率是一项综合的技术指标，并作为泵站工程建设与管理的依据。我国制定了相应的技术规范，明确了各类泵站的技术指标，并积极组织进行了装置模型试验研究、泵站现场测试技术研究、泵站节能改造技术的研究，通过试验和理论分析，得到了如何提高水泵装置效率的方法和工程技术措施，从而为提高泵站效益创造了条件。

（2）泵站进水池及进水流道的研究。大型泵站由于流量大，进水池及进水流道的设计尤为重要，而水泵厂家提供的水泵性能是由模型试验中得出的，未考虑进水条件的影响，因此从20世纪60年代开始，一些高校相继开展了此项研究，进行了进水池的模型试验及三维流场数学模型分析、肘形进水流道及钟形进水流道的模型试验等，取得了一系列研究成果，并在大型泵站中得到应用，对提高轴流泵站的设计水平和运行安全可靠性发挥了重要作用。

（3）出水流道形式及其断流方式的研究。大型轴流泵站由于扬程低，在出口水位变幅较大时，为了减少工作扬程和启动功率以及防止突然事故停机产生倒流，保证机组的运行安全，出水流道的形式，尺寸以及断流方式的确定非常重要。

对于虹吸式出水流道的结构，其虹吸高度、驼峰顶部在启动停机过程中的汽液两相流动问题，及停机后的断流方式等，国内高校与科研院所的结合工程进行了大量的试验研究，联合研制开发了蓄压式液控快速闸门，成功地解决了虹吸式出水流道的大型泵站启动、停泵及超驼峰运行的问题。对于直流式出水流道，采用拍门断流，是一种结构简单、管理方便、造价低廉、动作可靠的方式，有关方面结合生产实际，对拍门的结构形式、开启及关闭角度及方式、振动等问题进行了实验及理论的研究，在生产中得到了应用。

（四）梯级泵站的联合运行、泵站水锤及水泵全性能的研究

一个大型提灌区，往往有十几座甚至数十座泵站“接力”提水，逐级上扬，组成一个相互制约、联合运行的泵站群。如何控制、调度以达到用最少的费用获取最大的效益是一个优化、优选、大范围的系统工程问题。在这方面的研究已取得一定的成就。如大禹渡一期提水灌区，梯级泵站利用微机进行远调、遥控的调度系统。另外，在解决梯级泵站联合运行中，由于机组配合失调，通信不畅而引起的级间弃水问题，也采取了一些有效措施。在高扬程、大流量泵站中，因事故停泵而引起的水锤（water hammer）是泵站运行安全的极大威胁。泵站水锤问题越来越成为泵站设计及运行管理的主要技术难题。关于水锤分析和计算我国已利用电算分析求解、自动打印绘图，并采用水锤消除器和自动控制两阶段关闭蝶阀等措施消减水锤。水泵全性能曲线是泵站水锤计算的主要依据，有关的科研机构先后进行了水泵全性能的试验研究，之后又对水泵全性能的表示方法，特别是在模型试验的基础上，采用理论与试验数据相结合的方法，提出了预测任意比转速水泵全特性曲线的方法，受到国内外专家的好评。此外，还结合北京二水源泵站，山西大禹渡、甘肃景泰川、陕西东雷以及万家寨引黄工程等几十座高扬程泵站以及武钢新3 号高炉、河北马头、西柏坡、湖南金竹山、湖北阳逻、江西九江等大型火力发电厂的冷却水系统进行了大量的水锤试验、理论分析及防护技术的研究，取得了一系列研究成果，达到了国际先进水平。

（五）泵站节能及技术改造的研究

我国排灌泵站数量多，使用面广，发展多，初期起点低，基础较差，因此较普遍地存在连年失修、管理不善以及效率低、能耗高的问题。从20世纪80年代开始，水利部的工作中心开始转为抓泵站工程管理基础工作和泵站节能技术改造。

对泵站现场测试是掌握机组运行特性及工作状况，进行泵站节能技术改造的基础。国内高校及科研院所结合生产进行了测试技术及方法的研究，开展了各类泵站的效率测试工作，在此基础上，分别对水泵、电动机的技术改造、泵站进出水池、流道及管道的技术改造以及提高效率、增加流量、节约能耗的技术及方法进行了研究，取得了成功的经验。如“山西尊村引黄工程泵站技术改造”、“湖北闸口泵站大型轴流泵的技术改造”采用先进的水力模型及工程技术进行了水泵机组的改造，在扩大工程效益、提高排灌标准等方面取得了显著经济效益。泵站技术改造取得了众多的科研成果，此项成果经水利部综合已列入国家科委重点技术推广项目，并在全国水利系统广泛推广。

（六）多泥沙河流泵站工程技术的研究

我国沿黄河兴建的大、中、小型引提水工程3 万多座，在多泥沙河流中兴建泵站，有许多特殊的技术问题，结合工程实际开展的试验及研究，较好地解决了泵站工程建设及管理技术问题。

（1）泵站取水及进水池的研究。黄河由于含沙量大，河流的淤积及冲刷导致主流游荡不定，摆动频繁，给泵站取水造成很大的困难。在黄河沿岸兴建泵站，其取水的布置方式以及取水的防沙措施尤为重要。为了减少水中夹带泥沙的含量，有关引黄工程中采用多种形式的沉沙池进行泥沙的处理。多泥沙河流中取水的泵站进水池，必须采用特殊形式的进水池结构，才能保证良好的进水流态，又能防止泥沙的淤积。上述问题，都是黄河沿岸泵站取水建筑物设计的技术难题，有关单位结合生产进行了大量的研究，取得了较好的研究成果。

（2）含沙水流中水泵性能及抗磨蚀技术的研究。含沙量较大的水流，对水泵性能将造成一定的影响，因此，如依据水泵厂家按抽送清水的参数来进行水泵选型，在抽送含沙水层时，其工作点必然偏离最高效率点，从而引起水泵工作效率的降低及水泵过流部件的磨蚀，有关单位结合生产对含沙水流中的水泵性能进行了研究，定量地分析研究了泥沙含量对水泵性能的影响。此外，关于泥沙对水泵过流部件磨蚀的成因，如何提高水泵抗磨蚀的水力性能、研制抗磨蚀的水泵模型、双层灰离子渗金属技术的开发及应用、抗磨蚀材料的采用以及其他抗磨蚀的技术等方面，也取得了众多的研究成果，较好地解决了水泵在含沙水流中的应用问题。

（七）高扬程提灌的经济问题

高扬程提灌泵站的建筑是否经济合算，是人们普遍关注的问题。的确，高扬程提灌建筑工程艰巨，代价昂贵。

多年泵站运行实践表明，灌区的经济效益还是比较显著的，促进了粮棉增产，一般水地比旱地可提高产量4～7倍。由于有了水，还带动了乡镇企业、农副业、林业、畜牧业的发展，人民生活得到较大改善。另外还解决了广大地区的人畜引水问题。但总的来看，高扬程提灌由于投资大，提水成本高，加之有些灌区经营管理不善，尚未很好地发挥作用，如何进一步提高经济效益，仍是高灌区需要解决的另一个重要问题。(www.xing528.com)

（1）在兴建高灌工程时，一定要进行技术经济的充分分析论证，提出可行性研究报告，而其中影响经济指标最主要的因素是提水高度。工程投资、灌溉成本均随扬程的提高而增大，把扬程限制在经济扬程范围内，具体判别式如下：

式中：B 和∑C 是在某一扬程下，因灌溉而获得的总产值和增加的总支出。

对临界状态有：

从式（1-1）中求出的扬程H 值，为极限扬程（或临界扬程），即提灌工程的总扬程应控制在极限扬程以下，才是有利可图的。

（2）提高机组利用率，适当发展经济作物，可根据灌区自然条件作物品种，生长季节等特点，适当调整、组合作物种植比例，分散用水高峰，基本做到常年均衡供水，以提高机组设备利用率。

（3）合理灌溉，节约用水，这是降低灌溉成本的关键。确定最优合理灌溉定额问题。国内进行了研究，并提出了计算最优灌溉定额的数学模型。另外采用节水型的灌溉技术，如喷灌、滴灌、渗灌或适当减小灌溉定额，增加灌水次数，或适当发展耐旱省水作物都是行之有效的节水措施。

（4）组装置效率ηz 和渠系水利用系数ηc。ηz 和ηc 值越大，电费支出Cd 越小，提水成本也越低。对效率低、性能差的抽水机组，应查明原因，采用检修、调整更换措施。特别应加强渠道防渗措施。还可采用暗渠、暗管输水，减少蒸发和漏失。除此，平整土地，改进灌水方法以节约用水。

（5）建立健全各项规章制度，加强运行管理。对多级提水泵站还要特别做好级间配合、调度工作，杜绝弃水现象。

（八）泵站自动化及系统优化调度的研究

随着经济的发展与计算机技术的进步，我国泵站监控自动化技术逐渐发展起来。进入20世纪90年代，随着科技事业的飞速发展，微电子、计算机等高新技术在泵站中的应用日益广泛，大大提高了泵站综合自动化水平，并取得了良好的经济效益和社会效益。根据这一发展趋势，幸福泵站在黑龙江省率先采用了计算机集控技术，该集控系统以国际先进的可编程控制器（PLC）为核心部件，结合现代工控机技术，集泵站控制、保护、测量、信号及运行管理等功能于一体，全面取代传统落后的常规二次设备，并且由于系统采用可编程技术，大大克服了以单片机为核心部件的国内其他同类产品的不足之处，使泵站微机集控技术更加完善和成熟。甘肃景泰川二期工程，采用计算机监控系统，系统中采用SG8型可编程序控制器，调度中心采用敷膜式模拟屏，对灌区内运行设备与参数直接监控。泵站监控系统到目前为止，已发展到一定水平，全自动化泵站除自动控制机组的启动和停机外，对于进、出水管道的工作压力、机组轴承与填料函的温升、泵站的引入母线与自动控制母线上的电压等，都以作用在事故继电器上的特殊继电器（如温度和压力等继电器）进行着监视。一旦工作状况超越规定值，事故继电器就动作，使工作机组停机。在有备用机组的场合，使备用机组自动投入；发生事故的机组，只有在消除了故障的原因之后才可能再次启动。关于泵站中各种机电设备和水利设施的工作状况，又根据压力、水位（或油位）、温升及电气参量变化自动发出讯号，随时传到控制室。讯号可以有行程指示讯号、故障讯号及事故讯号、报警讯号等。控制室运行人员或自动装置，又根据讯号及时采取相应的措施。自动化泵站对于需要经常记录的物理参量（如压力、液位、温度、电流、电压等）通过巡回检测仪和电传打印机定时进行记录。

泵站工程自动化及系统的优化调度方面，虽然取得了不少成果，但就其深度和广度而言，仍待进一步完善和提高，使之更广泛地得到推广与应用。

（九）泵站工程优化运行及经济运行的研究

水泵作为供水工程的主要耗能设备，其运行状况的好坏直接关系到整个供水工程的运行状况。目前我国正在运行的供水工程普遍存在一定的问题，主要有以下几个方面：

（1）水泵选型不够合理，电动设备不配套，主要表现为“大马拉小车”现象严重，使水泵长期偏离在高效区运行，浪费了大量能源。

（2）管路及附属设备布置不当，增加了管路及附件的阻力损失。

（3）运行管理不当，管理水平不高，人员知识层次太低，缺乏懂技术、会管理的专业型人才，不能对水泵及其附属设备进行定期检修和合理维护，致使水泵的性能和效率都有所下降。

（4）梯级泵站的级间调度不合理，经常出现弃水或水量不足等不合理现象，造成了一定的经济损失，影响了工程效益的正常发挥。

总体来说，我国供水工程数量大、分布广、应用广泛。但多为20 世纪建设并投入运行，由于当时技术不成熟、规划设计不够合理等方面的原因，使多数供水工程运行中存在许多问题，尤其是运行效率低、能耗大、管理不合理等现象比较突出。同时，水资源紧缺形势所迫，我们必须加大泵站工程的建设规模和数量。因此，对水泵进行优化选型，研究供水工程的节能技术，提高供水工程的运行效率，降低能源消耗，实现水泵高效、经济、安全的运行，对解决水资源紧张问题和节约能源都有十分重要的意义。

1.水泵优化选型

水泵选型方面，传统的水泵选型计算多采用图解法进行，对各种运行条件进行多次作图和方案比较，作图过程麻烦，图解法精度甚差。进入20世纪90年代以后，随着科学的发展及新的数学计算方法的出现，有些学者开始探讨利用新的计算方法来进行水泵选型。孙敏、杨晓东在1995 年第4期《给水排水》上发表了“整数规划在水泵选型中的应用”，文中针对单泵单管联合运行泵站的特点，提出了以经济指标为目标函数，以满足供水流量为约束条件的整数规划选泵方法，该方法考虑了用水量的变化过程，并可用计算机进行计算。纪晓华等在2002 年第4期《江苏农业研究》上发表了“水泵选型专家系统研究与开发”。该系统在对水泵选型方法、判断准则、评价模型等分析研究的基础上，建立了泵产品样本和水力模型数据库，研制开发了水泵选型专家系统，但该系统主要应用于轴流泵，适用于流量大扬程小的地区。

2.泵站工程经济运行

供水工程的经济运行，即梯级泵站在满足水泵优化选型、系统安全运行研究的基础上，研究如何提高泵站运行效率，降低泵站能源单耗，优化各个泵站的级间配合以及整个供水区域的水资源优化调度问题。国内一些专家和学者对供水工程优化运行进行了深入的研究。马文正、丘传忻、贺贵明在1993 年第3 期《水利学报》上发表了“泵站运行的优化调度”，从提高水泵、动力机、供电系统和管理机构的综合效率出发，针对多泵多站运行系统，在其工作条件变更的情况下及时做出运行决策，即决定未来一定时间内各泵站的最优开机台数及各水泵不同时间的最优叶片开度，以达到运行费用最小的目的；刘家春在1998年第2 期《水泵技术》上发表了“泵站经济运行方案的确定”，根据轴流泵站运行情况，给出了用系统分析的方法确定泵站经济运行方案的数学模型及求解方法。周龙才等人在2001 年第2 期《农村水利水电》上发表了“泵站变速节能的优化计算”，文中针对水泵机组可以无级调速的泵站，以约束于一定流量要求下单位水量能耗最小为目标建立了站内多台机组同时变速运行的优化计算模型，并根据目标函数取极值后形成的方程中的一个常量为平均泵站效率的倒数这一特殊意义来研究数值求解方法；廖莉等人提出以泵群轴功率最小作为目标函数，以供水指标和水泵高效区为约束条件，建立泵站优化调度问题模型，提出了一种工程实用的胞腔排除双种群遗传算法，实验结果表明：该方法可以快捷、有效地获得泵站较优的调度方案和多个有效调度方案；刘正祥等人提出以总能耗最小为目标函数，采用动态规划法确定泵站最优开机组合，取得了满意的效果；龙新平等人提出基于曲面拟合构造了装置效率、叶片角度与装置扬程和流量的连续函数关系，采用动态规划建立泵站优化调度模型，可用于考虑时间因素、具有多种型号、水泵能调角且能调速运行的泵站优化调度的方式；吴凤燕等人在分析遗传算法优缺点的基础上，引入了与之互补的Rosenbrock算法，构造了混合遗传算法的数学模型，并将其用于泵系统的变速调节优化运行，取得了较好的优化效果；邵东国、李苏杰提出采用系统分析理论，研究了梯级泵站供水系统的水资源优化调度问题，建立了自优化模拟调度方法；陈虹等人提出采用模拟退火算法用于供水系统的多泵组合和变频调节的复杂优化计算模型，计算结果表明，该方法非常适用于既有离散量又有连续量的供水系统的非线性优化中；贾仁甫等人提出了运用启发式搜索算法求解泵站优化调度模型，介绍了该算法的计算步骤和程序框图，并结合具体实例进行了计算，结果表明：该方法具有计算简便、操作简单、节省计算时间等优点。