王方

“只有到泵站里去，我才感到踏實(shí)，只有為泵站解決了問題，我才有成就感?！敝袊r(nóng)業(yè)大學(xué)教授王福軍說道。大型灌溉排水泵站在農(nóng)業(yè)灌溉提水、防洪排澇體系中占有重要地位，王福軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)奔走祖國大山水源，只為守護(hù)它們。

他領(lǐng)銜的“大型灌溉排水泵站更新改造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目，通過十多年聯(lián)合攻關(guān)，取得了一系列創(chuàng)新成果，榮獲2017年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

水利是農(nóng)業(yè)的命脈

水只會(huì)從高處往低處流，要想讓地表水往更高處、更遠(yuǎn)處流動(dòng)，灌溉農(nóng)田，還得靠泵站。人的血液能夠在周身流動(dòng)，其與心臟的關(guān)系大抵如此?！?934年，毛澤東主席高瞻遠(yuǎn)矚，指出‘水利是農(nóng)業(yè)的命脈。”王福軍說，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，泵站則是水利的心臟。

大型灌溉排水泵站是指設(shè)計(jì)流量大于50立方米/秒或裝機(jī)功率大于10000千瓦的灌溉排水泵站，它擔(dān)負(fù)著農(nóng)田灌溉與排澇任務(wù)，是保證糧食安全和生態(tài)安全的重要農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。

王福軍介紹，我國泵站類型和規(guī)模均居世界之首，大型灌溉排水泵站有效灌溉面積1.92億畝，占全國總有效灌溉面積20.1%；有效排澇面積1.37億畝，占全國總排澇面積42.9%；年耗電約320億千瓦·時(shí)。

生產(chǎn)占全國總產(chǎn)量1/4的糧食，保護(hù)著1.5億群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，然而，大型灌溉排水泵站普遍存在裝置效率低、運(yùn)行穩(wěn)定性差、供水保證率不足的問題，面臨著艱巨的更新改造任務(wù)。

“目前我國大型灌溉排水泵站的布局是20世紀(jì)70～80年代確定的，運(yùn)行到現(xiàn)在出現(xiàn)了老化和性能下降的情況，還受到了河湖水位變幅大、水中泥沙含量高等客觀因素及泵站技術(shù)體系不健全等主觀因素限制。”王福軍及其團(tuán)隊(duì)調(diào)研了全國百余處（座）大型灌溉排水泵站，敏銳地指出了共性問題所在。

在美國、荷蘭、中國等世界多數(shù)國家，灌溉排水泵站均是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最為耗能的設(shè)施裝備。

王福軍以一座小型泵站為例算了一筆賬：一臺泵功率7500千瓦，全天24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)將耗電近20萬度，按照一座泵站裝8臺泵、一度電1元算，一天的電費(fèi)就得160萬元。許多大型泵站用電更多。

“大型灌溉排水泵站必須要提高運(yùn)行穩(wěn)定性和節(jié)能降耗，這也是我們更新改造關(guān)鍵技術(shù)研究的主要目標(biāo)?！蓖醺＼娬f。

項(xiàng)目組自2006年開始，在國家科技支撐計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等支持下，依托水利部“全國大型灌溉排水泵站更新改造項(xiàng)目（2010～2015）”，采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，系統(tǒng)開展了大型灌溉排水泵站更新改造關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了一系列創(chuàng)新性成果。

為泵站換“心臟”

山西尊村灌區(qū)的一座泵站于2009年進(jìn)行機(jī)組更新，安裝了4臺某知名水泵公司設(shè)計(jì)制造的大型雙吸離心泵，投入運(yùn)行后不到一個(gè)月，因壓力脈動(dòng)大而導(dǎo)致振動(dòng)突出，葉片出現(xiàn)裂紋，于是泵站就此“罷工”。2012年，尊村引黃灌溉管理局采用王福軍團(tuán)隊(duì)的技術(shù)為泵站換“心臟”。

王福軍形象地描述，泵站壓力脈動(dòng)大，如同人的心臟跳動(dòng)快，會(huì)帶來穩(wěn)定性差、噪聲大、磨損、泄露等一系列問題。尊村泵站實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定運(yùn)行，新?lián)Q的泵正是項(xiàng)目組研制出的超低壓力脈動(dòng)高效雙吸離心泵。

項(xiàng)目組首次發(fā)現(xiàn)離心泵葉片載荷分布對壓力脈動(dòng)有顯著影響，在此基礎(chǔ)上形成了定量化的離心泵“交替加載技術(shù)”，設(shè)計(jì)了交替加載式雙吸離心泵。葉輪呈“V交錯(cuò)構(gòu)形”，與傳統(tǒng)葉輪明顯不同。傳統(tǒng)葉輪存在的螺旋流動(dòng)現(xiàn)象在交替加載式葉輪內(nèi)基本消失。

水的流動(dòng)會(huì)形成渦，如果我們仔細(xì)觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)橋墩尾部有動(dòng)態(tài)渦街。大型灌溉排水泵站也是如此，前池與進(jìn)水池存在不同尺度渦街以及表面渦、附壁渦等。這是導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差的主要原因之一。

項(xiàng)目組基于瞬態(tài)渦街計(jì)算模型，提出了以變高度導(dǎo)流墩和X型消渦板為結(jié)構(gòu)特征的泵站控渦技術(shù)。其中，設(shè)置于前池并與最低水位平齊的八字型導(dǎo)流墩用于消除大尺度回流渦；其后順?biāo)饾u降低的川字型導(dǎo)流墩用于對八字墩尾部瞬態(tài)渦街進(jìn)行二次整流；末端的X型消渦板用于消除附底渦和附壁渦。

廣東永湖泵站，其前池存在大尺度旋渦及附壁渦。王福軍團(tuán)隊(duì)為之新增設(shè)八字墩和川字墩。改造后，泵站回流系數(shù)達(dá)到0.166，優(yōu)于國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)所能達(dá)到的0.218；水泵振動(dòng)烈度由5.96毫米/秒下降至2.37毫米/秒，泵站運(yùn)行穩(wěn)定性大幅度提高。

王福軍介紹，大型灌溉排水泵站一般采用蝶閥或球閥進(jìn)行工況調(diào)節(jié)，由于依賴液控或電控等外部動(dòng)力源，在停泵時(shí)不可避免地存在一些問題：若提早關(guān)閉，形成直接水錘；若延遲關(guān)閉，又有倒流喘振。

項(xiàng)目組實(shí)現(xiàn)了擺脫外部動(dòng)力源的束縛，只靠水壓能量進(jìn)行啟閉控制。依據(jù)“泵站自適應(yīng)多段式控制模式”，創(chuàng)制了由閥前后水流壓差驅(qū)動(dòng)的自平衡式水力控制腔，用于驅(qū)動(dòng)大小兩個(gè)獨(dú)立閥板。如此，新控制閥讓泵站直接水錘發(fā)生概率和倒流喘振發(fā)生概率由傳統(tǒng)的40%左右直接降為0。

項(xiàng)目組集成創(chuàng)新了渾水條件下泵站流道“流態(tài)匹配技術(shù)”，制訂了泵站高效穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)規(guī)范，解決了泵站偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行問題。該項(xiàng)成果有力支撐了我國大型灌溉排水泵站更新改造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，幾乎應(yīng)用到了全國近五年改造的所有大型灌溉排水泵站，裝置效率平均提高13.4%。

重拾健康的泵站

與國內(nèi)外同類技術(shù)對比，王福軍團(tuán)隊(duì)“大型灌溉排水泵站更新改造關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”中4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的指標(biāo)參數(shù)均是占優(yōu)的，或者是填補(bǔ)該領(lǐng)域國內(nèi)外空白的。

以泵為例，項(xiàng)目組所研制的比轉(zhuǎn)速125的交替載加載式雙吸離心泵水力模型，經(jīng)第三方測試，最優(yōu)效率達(dá)90.6%，壓力脈動(dòng)只有6.56%。而目前國外同類產(chǎn)品的最優(yōu)效率為89.0%，壓力脈動(dòng)約為11.56%。

王福軍團(tuán)隊(duì)成果已在129處（座）大型灌溉排水泵站得到應(yīng)用，占列入水利部“全國大型灌溉排水泵站更新改造規(guī)劃（2010～2015）”并已完成更新改造的大型泵站總量的67%，覆蓋黃河流域80%以上的大型灌溉泵站。

國內(nèi)大型水泵制造廠采用交替加載技術(shù)制造的大型離心泵已達(dá)8400臺，在山西尊村泵站等大規(guī)模應(yīng)用。控渦技術(shù)已在全國80多座泵站得到應(yīng)用。新控制閥在甘肅西岔泵站、福建鴨姆潭左泵站等泵站得到應(yīng)用。安徽眾興泵站應(yīng)用流態(tài)匹配技術(shù)，泵站裝置效率由原來的61.8%提高至79.4%，能源單耗下降至3.91千瓦·時(shí)/千噸·米……

在該項(xiàng)目整體技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用之前，我國大型灌溉排水泵站裝置效率平均只有40%，水泵壓力脈動(dòng)高達(dá)33%，灌溉/排水保證率不足60%。換泵、控渦、換閥，實(shí)現(xiàn)最佳匹配，圍繞“心臟”的一系列改造讓大型灌溉排水泵站獲得了新生機(jī)。

如今，大型泵站能源單耗平均降低1.1千瓦·時(shí)/千噸·米，壓力脈動(dòng)平均下降到9.1%，灌溉保證率提高9.4%。根據(jù)應(yīng)用證明統(tǒng)計(jì)，近三年內(nèi)為國家節(jié)電5.03億千瓦·時(shí)，增產(chǎn)糧食11.87億公斤，取得了顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

“中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國灌溉排水發(fā)展中心、中國水利水電科學(xué)研究院、株洲南方閥門股份有限公司、上海連成（集團(tuán)）有限公司等，我們是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，分工明確、優(yōu)勢互補(bǔ)、聯(lián)合攻關(guān)，共同建立了項(xiàng)目主要成果?！蓖醺＼娬f。

項(xiàng)目成果覆蓋我國灌溉排水面積1.67億畝，提高了這些區(qū)域的灌溉保證率及綜合供水能力，保障了糧食生產(chǎn)和人畜飲水需求，提高了排澇能力和排澇標(biāo)準(zhǔn)。這是科學(xué)家們心中最愿意看到的場景。