溫鴻浦，吳 榮，李彥迪，李端明，張 印，靳發(fā)業(yè)，肖若富

(1.寧夏固海揚水管理處，寧夏 固海 755100；2.中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)北京市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全與節(jié)能工程技術(shù)研究中心，北京 100083)

0 引 言

雙吸離心泵具有揚程高、流量大、空化性能好以及無軸向力等特點，廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)中，特別是在高揚程的提水灌溉泵站中，70%以上的泵站均采用雙吸離心泵[1-3]。但目前灌溉泵站的雙吸離心泵普遍存在裝置效率低、機組壓力脈動和振動大等問題[4]，嚴重影響泵站機組的穩(wěn)定運行和灌溉效益的發(fā)揮[5]。其主要原因是目前國內(nèi)外尚未有針對雙吸離心泵特點而專門建立的葉輪水力設(shè)計方法，雙吸葉輪往往采用單吸葉輪的水力設(shè)計方法進行設(shè)計。實際上，雙吸葉輪的流態(tài)與單吸葉輪有很大不同，雙吸葉輪輪轂隔板兩側(cè)的水流在葉輪出口處相互撞擊，導(dǎo)致雙吸葉輪出口處流態(tài)異常復(fù)雜[6-8]，從而導(dǎo)致雙吸離心泵內(nèi)部流動復(fù)雜，水力損失大，壓力脈動成分復(fù)雜，幅值高等特點[9,10]。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)王福軍等人針對雙吸離心泵的內(nèi)部流動特點，提出了雙吸離心泵葉輪交替加載設(shè)計方法，該方法設(shè)計的雙吸離心泵葉片載荷曲線具有蓋板前加載、輪轂后加載的混合加載，以及雙吸離心泵葉輪在輪轂兩側(cè)交錯布置、出口邊正向傾斜等特點，有效地改善了雙吸離心泵內(nèi)部的二次流以及葉輪出口的“射流-尾跡”，基于該方法所研發(fā)的雙吸離心泵，具有最高效率高、高效區(qū)寬和壓力脈動低等特點[11,12]。

1 應(yīng)用背景

為破解寧夏中部干旱帶缺水難題，寧夏水利廳提出了固海揚水工程泵站“6+1”增流改造，將固海揚水工程渠首泵站由原5臺運行、2臺備用的“5+2”運行方式調(diào)整為6臺運行、1臺備用的“6+1”運行方式，增加上水流量3.8 m3/s，配套對后續(xù)的相關(guān)梯級泵站機組、干渠及水工設(shè)施進行改造。實現(xiàn)泵站增流，有更換或增加機組以及擴建廠房的“大改”方案和更換葉輪、調(diào)整機組運行方式的“小改”方案?！靶「摹狈桨甘菑谋谜緳C組運行方式、水泵葉輪技術(shù)改造上挖潛提升供水能力，投資較少。但采用改造葉輪提高機組流量的“小改”方案時，受到機組配套電機功率、水泵汽蝕、電機以及軸承溫升等因素的限制。本文分別針對固海長山頭KQSN1200-M14和大柳木1200S32兩個型號共4臺機組進行葉輪的試驗改造和運行，研究通過僅僅改造機組葉輪的形式來增加泵站整體流量的可行性。

長山頭泵站為固海揚水工程第三級泵站，設(shè)計流量18.7 m3/s，凈揚程55.34 m，總揚程58.6 m，安裝7臺型號為KQSN1200-M14和2臺型號為KQSN800-M10的雙吸離心泵，共9臺機組，其配套電機功率分別為2 500 kW和1 400 kW。本文針對KQSN1200-M14進行葉輪改進，該水泵設(shè)計流量3.06 m3/s，揚程為58.6 m。分析表明，葉輪改進后，機組運行流量需達到3.19 m3/s才能滿足固海揚水工程泵站“6+1”增流改造的流量要求。

大柳木泵站為固海揚水工程的第四級泵站，設(shè)計流量17.2 m3/s，凈揚程29.92 m，安裝7臺1200S32雙吸離心泵。水泵設(shè)計流量為3.09 m3/s，揚程32.3 m。分析表明，葉輪改進后，機組運行流量需達到3.3 m3/s才能滿足固海揚水工程泵站“6+1”增流改造的流量要求。

本文針對固海揚水工程泵站“6+1”增流改造項目，利用雙吸離心泵葉輪交替加載技術(shù)及設(shè)計方法，對固海長山頭KQSN1200-M14和大柳木1200S32兩個型號的雙吸離心泵葉輪進行優(yōu)化改進設(shè)計，使機組在滿足安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，增加機組的過機流量，從而達到泵站增流的效果。

2 基于交替加載技術(shù)的固海雙吸離心泵葉輪改進設(shè)計

根據(jù)增流規(guī)模及泵站機組運行方式分析，長山頭泵站水泵設(shè)計流量由3.06 m3/s增加為3.19 m3/s，大柳木泵站水泵設(shè)計流量由3.09 m3/s增加為3.3 m3/s。根據(jù)目前兩個泵站的實際情況，選擇了長山頭泵站1號和5號水泵、大柳木泵站4號和9號水泵進行增流改造和試驗運行。根據(jù)文獻6中提出的雙吸離心泵葉輪交替加載技術(shù)，本文在原有長山頭KQSN1200-M14和大柳木1200S32雙吸離心泵泵體的基礎(chǔ)上，對其葉輪及葉片進行交替加載設(shè)計，葉片載荷采用蓋板前加載、輪轂后加載的混合加載模式，葉輪采用輪轂兩側(cè)交錯布置、出口邊正向傾斜的結(jié)構(gòu)形式[9]，同時為了提高水泵的揚程，在原有泵殼的基礎(chǔ)上，對兩個葉輪適當(dāng)?shù)丶哟笕~輪外徑和葉輪出口寬度，分別優(yōu)化改進設(shè)計得到兩個型號雙吸離心泵的新葉輪[13-15]，如圖1所示，葉輪的基本參數(shù)如表1所示。

圖1 基于交替加載技術(shù)設(shè)計的葉輪

表1 長山頭泵站和大柳木泵站改進后葉輪的基本參數(shù)

完成葉輪改進設(shè)計后，采用雙相不銹鋼鑄造，加工時對葉片進口邊做修圓、對鑄造棱角做倒鈍處理。葉輪鑄造流道基本達到了光滑平整，鑄件基本沒有砂眼、氣孔、裂紋等鑄造缺陷，并經(jīng)時效處理后安裝在兩個泵站的4臺試驗機組中。

3 應(yīng)用效果分析

長山頭泵站試驗葉輪于2017年冬灌期投入試驗運行，大柳木泵站葉輪于2018年春灌期投入試驗運行。運行期間，均按生產(chǎn)需要進行正常調(diào)度。每隔1 h從后臺工作機上讀取運行參數(shù)，水泵流量通過管道電磁流量計測量，水泵內(nèi)外軸承溫度、電機內(nèi)外軸承溫度、電機鐵芯溫度通過設(shè)備內(nèi)埋設(shè)的測溫電阻測量，電機端電壓、定子電流通過電壓互感器和電流互感器測量，出水管壓力通過壓力傳感器測量。

3.1 長山頭泵站試運行效果分析

長山頭泵站1號、5號水泵葉輪由傳統(tǒng)葉輪形式更換為基于交替加載技術(shù)設(shè)計的葉輪，從2017年冬灌11月15日開始到2018年冬灌11月21日結(jié)束，分別運行了3 172 h及3 137 h。表2為不同水泵的運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)的對比表。

表2 長山頭泵站試驗泵與同條件水泵運行參數(shù)比較

試驗水泵流量全年流量為3.02～3.70 m3/s，春灌流量為3.57 m3/s，夏秋灌流量為3.54 m3/s，冬灌流量3.18 m3/s，流量隨運行時間延長和水質(zhì)泥沙含量增大而衰減，符合水泵一般運行特性。全灌溉期平均流量3.50 m3/s，比新設(shè)計值3.19 m3/s高0.31 m3/s；灌溉保證率為90%時全灌溉期流量為3.22 m3/s，均滿足增流設(shè)計要求。水泵電機有功功率為2 502～2 811 kW，全灌期平均功率2 587 kW，超載3.48%；但電機電流低于額定電流。水泵效率達到86.0%，比對比機組的72.4%高13.6%；泵站裝置效率達到73.4%，比對比機組64.2%高9%。機組電機鐵芯平均溫度73.1 ℃，僅比對比機組64.7 ℃高8.4 ℃，低于設(shè)計的最高溫度限制值。

在整個試運行區(qū)間，現(xiàn)場的試驗水泵和電機均運行正常，同時振動及噪音均小于未更換增流改造葉輪的水泵機組，水泵運行平穩(wěn)。冬灌結(jié)束后打開泵蓋檢查，葉輪進口無明顯汽蝕破壞。

3.2 大柳木泵站試運行效果分析

大柳木泵站增流改造葉輪調(diào)試安裝后由2018年4月4日春灌開始至11月21日冬灌結(jié)束，分別運行2 547、2 966 h。表3為不同水泵的運行統(tǒng)計數(shù)據(jù)的對比表。

表3 大柳木泵站試驗泵與同條件水泵運行參數(shù)比較

全年運行區(qū)間，試驗水泵流量為3.00～3.55 m3/s，春灌平均流量3.38 m3/s，夏秋灌平均流量3.31 m3/s，冬灌平均流量3.16 m3/s。2臺水泵平均流量3.3 m3/s，較目前安裝的對比水泵的平均流量2.83 m3/s提高了16.6%，機組效率提高了4.4%，裝置效率提高了2.4%。試驗機組電機平均有功功率1 447 kW，超載3.36%，但電機電流小于額定電流，而且電機軸承內(nèi)、外側(cè)平均溫度升高了5 ℃和4.4 ℃，但均在安全運行范圍內(nèi)。

在全年試運行區(qū)間，現(xiàn)場的試驗水泵和電機均運行正常，振動及噪音均小于未更換增流改造葉輪的水泵機組，機組運行平穩(wěn)。冬灌結(jié)束后打開泵蓋檢查，試驗葉輪進口無明顯汽蝕破壞。

3.3 存在的問題

冬灌結(jié)束后打開泵蓋檢查，發(fā)現(xiàn)葉輪出口磨蝕較嚴重，如圖2所示，與同泵站對比機組葉輪相比，磨蝕程度差異不大，葉輪出口的磨蝕的主要原因是2018年夏秋灌區(qū)間，固海揚水工程所抽送水體整體的泥沙含量高導(dǎo)致的[13]。

圖2 葉輪出水邊磨損

同時上述分析表明，兩個泵站機組的電機存在超功率運行的問題，但電機的定子鐵芯和軸瓦溫度、水泵軸瓦溫度等運行指標(biāo)均在安全運行范圍內(nèi)，而且試驗葉輪的流量較增流改造設(shè)計流量還存在一定的余量，可以適當(dāng)?shù)厍懈钤囼炄~輪，將電機功率控制在額定功率之內(nèi)。

4 結(jié) 語

針對固海揚水泵站“6+1”增流改造項目，本文采用雙吸離心泵葉輪交替加載技術(shù)對長山頭泵站和大柳木泵站葉輪進行增流改造設(shè)計，經(jīng)過3 000 h左右的現(xiàn)場實際運行，結(jié)果表明：

(1)長山頭泵站和大柳木泵站雙吸離心泵葉輪應(yīng)用交替加載技術(shù)增流改造設(shè)計后，機組流量均滿足泵站增流改造設(shè)計的流量要求，水泵效率提高了分別提高了13.6%和4.4%，泵站裝置效率提高了9.2%和2.4%。

(2)應(yīng)用葉輪交替加載技術(shù)改進設(shè)計后，現(xiàn)場的試驗水泵和電機均運行正常，同時振動及噪音均小于未更換增流改造葉輪的水泵機組，水泵運行平穩(wěn)，葉輪進口無明顯汽蝕。

(3)針對葉輪出口磨蝕較嚴重的問題，建議對水泵口環(huán)、葉片出口、葉片進口等易磨蝕部位噴涂碳化鎢涂層，增加水泵耐磨性能。同時在后續(xù)的葉輪增流改造中進一步提高水泵葉輪制造精度，增加葉輪表面光潔度，減少水力損失，提高水泵效率和抗汽蝕性能。