肖 静

(山西小浪底引黄水务有限公司，山西 太原 030032)

1 工程背景

本工程位于山西省南部的运城市境内，工程总体走势为东南～西北向，是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程库区向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程。工程南靠黄河，北到涑水河流域与临汾市接壤，东面和晋城市相连，工程地跨运城市中东部大部分县市。工程建设目的是解决运城盐湖区、闻喜、绛县、夏县、垣曲五县(区)农业灌溉、工业及城镇生活、生态用水问题。工程引水干线建筑物主要包括输水隧洞、进水塔、地下泵站、板涧河调蓄水库和末端吕庄水库出水池。工程设计流量20 m3/s，年引水量2.47亿m3，农业灌溉面积63.58万亩。本工程等别为Ⅱ等，地下泵站为1级建筑物。地下泵站布置6台水泵机组，总装机容量94500 kW。

2 技术难点

2.1 高扬程

本工程引水干线取水口位于垣曲县境内黄河干流上的小浪底水库库区左岸，板涧河入黄口上游黄河左岸600 m处，由于受地形条件所限，采用一级泵站提水，泵站设计扬程236 m，最高扬程达266 m。目前，无论是卧式泵还是立式泵，黄河流域如此高扬程的泵站国内尚无可借鉴的实例，立式泵国外虽然已有成功运行的实例，但其所抽送的水体的泥沙含量与黄河无法相比。

2.2 取水水位变幅大

工程最低取水水位230 m，设计取水水位265 m，最高取水水位275 m，水位变幅大，高达45 m。不同时期不同水位，水泵的扬程不同，如何在如此大的水位变幅下保证水泵处于高效率运行，这就主要考虑水泵工作点、性能参数的确定以及生产加工制造水平。而水泵的效率提高，有利于降低泵站能耗，降低提水成本，更有利于发挥工程效益。从目前掌握的技术资料看，国内生产企业还无类似高扬程多级泵生产制造业绩，只有国外几个知名厂家有生产制造能力，而相应设备采购成本就较国内厂家高，如何选择适合本工程的水泵类型必须综合考虑。

2.3 泥沙含量高

泥沙问题是黄河上修建泵站不可避免的问题，也是必须重视的难点问题。泥沙对水泵磨损后产生的不良后果是多方面的，不仅会破坏水泵的过流部件，导致零部件或叶轮频繁修复或更换，而且对水泵性能也将产生很不利的影响。如使水泵过流部件造成磨损与汽蚀联合破坏，增加部件破坏速度。尤其是叶片和口环磨损后导致间隙泄漏水量增加，使水泵过水流量减小，水泵运行在非最优工况区，水泵效率严重下降，振动摆度增大，给水泵安全运行带来严重威胁。

在黄河上修建高扬程大型泵站泥沙问题更为明显，其叶轮受汽蚀和泥沙磨损的情况尤为严重，增加了泵站运行和维护的成本[2]。本工程自黄河干流上的小浪底水库取水同样存在泥沙问题，根据小浪底水库的泥沙资料，水泵设计过机泥沙含量将超过5 kg/m3，汛期泥沙含量可达18 kg。而我省万家寨引黄工程汛期泥沙含量5 kg/m3，但是其设计扬程仅140 m，而本工程水泵最高运行扬程266 m，如此高扬程、高泥沙含量，如何提高水泵的设计、生产加工制造工艺，减少水泵泥沙磨损，保证水泵运行效率、延长设备使用寿命、方便设备后期的运行维护等都需重点考虑。

3 解决方案

3.1 技术论证

自工程2011年立项，2012年初步设计报告批复，就邀请国内水利行业的专家进行技术咨询，并且与国内外知名的奥地利安德里茨、德国福伊特、日本日立、哈尔滨电机厂、上海电机厂、湘潭电机厂以及东方电机厂等水泵生产厂家，针对本工程的工程情况、边界条件以及技术难点，多方进行交流、讨论、咨询，共召开专家咨询会、厂家技术交流以及招标文件审查会十五次，国内外类似项目考察五次，先后考察了万家寨引黄工程、牛栏江滇池补水工程、西藏羊措雍湖电站、国外的KopsⅠ、KopsⅡ泵站等，交流了解类似工程的建设、运营经验，为本工程泵站设计提供技术支撑。

最终，经过历时三年的技术论证，本工程地下泵站完成了水泵设备选型，从设备成本、水泵效率以及使用寿命等方面综合考虑，确定选用立式单吸双级蜗壳式离心泵，6台水泵机组选用同种泵型，单机设计流量5 m3/s，转速600 r/min，设计扬程236 m，这样单级扬程就降为118 m，拟采用国际招标的方式确定水泵生产制造厂家。

3.2 效率考核

为解决工程取水水位变幅大的问题，计算出不同水位下的扬程，并根据小浪底水库水位变化情况，即根据不同时段、不同水位出现的频率，确定不同扬程下水泵效率的权重因子，在水泵效率确定中引入加权平均效率。加权平均效率按下式计算：

表1 小浪底水泵效率计算加权系数ωj分布

针对所确定的水泵效率加权系数，小浪底引黄工程原型水泵设计要求：在设计工况(即设计扬程、设计流量、额定转速)下的效率保证值不低于91%；最优点工况点的效率保证值不低于91.5%，水泵设计工况点应接近最优工况点。在泵站设计的水位和扬程工作范围内水泵效率曲线变化应平缓，均处于高效区。水泵加权平均效率保证值不低于90%。

水泵效率的确定根据研究阶段与国内外设备厂家的交流情况以及本工程的实际综合确定。并且在水泵设备招标中采用效率奖励机制，鼓励设备厂家尽可能提高水泵效率，效率曲线平滑无驼峰无拐点，最终效率考核不仅考核设计工况点效率，同时最低扬程到最高扬程对应效率点加权平均后的效率(即加权平均效率)同样作为效率考核点，这样就可以保证水泵能适应水位的变化，在水位变化范围内都能处于高效运行，降低泵站运行成本，提高泵站运行期的效益。

3.3 提高生产标准

泥沙含量高是修建提黄泵站一直在攻克的难题。泥沙磨损的问题，给泵站安全、高效运行带来极大的隐患，特别是黄河流域以内以黄河为水源的高扬程大型泵站，运行一段时间之后水泵的磨损严重、过流量减小、效率严重下降、检修维护成本提高，泵站的能源消耗增大，经常面临泵站更新改造。针对这一难题，本工程在水泵设计中提高设计标准，以提高水泵运行效率，延长使用寿命。

(1)提高关键部件加工标准

水泵叶轮及级间导叶采用锻焊结构，级间导叶为可拆式结构，以满足其过流表面泥沙磨蚀后便于修复。叶轮上、下盖板锻造成型，数控加工并抛光成需要的尺寸。叶片可模压成型，也可采用整体锻造。叶轮及级间导叶材质采用马氏体不锈钢(其性能不低于0Cr13Ni4Mo(碳含量≤0.05%))。马氏体不锈钢具有抗空蚀、抗泥沙磨损并具有良好焊接性能。蜗壳采用钢板焊接或铸造结构。如采用钢板焊接结构，其材料采用耐泥沙磨损、可常温焊接的、可焊性好的低合金压力容器钢板(性能不低于Q345R)制造；如采用铸造结构，其材料性能不低于ZG20SiMn，厚度应满足设计压力加上5 mm最小允许磨损厚度。其他关键部件的材质、加工工艺也均采用高标准设计。

(2)过流部件抗磨涂层设计

对于水泵流道及过流部件均考虑抗磨涂层设计，其中叶轮、密封环、导叶等采用HVOF硬涂层，进水管及进水弯管、泵壳、座环、底环、蜗壳、蜗壳延伸管、蜗壳出水侧扩散管等其他部件过流面采用软涂层。最终设备厂家叶轮选用钴铬为基体的碳化钨颗粒做HOVF全喷涂，全喷涂较部分喷涂有益于降低磨损率的增加。

(3)模型浑水试验

本工程要求设备厂家选用高精度试验台进行水泵模型试验，模型水泵为双级泵，通流部件与原型水泵全流道几何相似，模型泵入口直径Dm应不小于250 mm，Re≥4×106，比能E≥100 J/kg。同时还考虑抽送黄河水的特点，还保留选用中国国内独立实验室进行模型浑水试验的权利以及经费考虑。

通过提高水泵部件的材料、加工标准，提高水泵的抗磨性能，延长高泥沙运行条件下设备的使用寿命。

4 结语

根据本工程地下泵站水泵设计选型情况，目前国内水泵生产厂家无类似黄河上高扬程大流量立式多级离心泵的生产经验，因此，本工程根据技术论证的情况决定采用国际招标，邀请更多掌握水泵先进生产工艺的设备厂家参与。最终通过国际招标的形式选定由奥地利制造商完成本工程地下泵站水泵的生产。

针对本工程所设计泵站存在扬程高、取水水位变幅大、泥沙含量高以及国内无类似可借鉴工程经验等技术难点，通过进行技术咨询、厂家交流、项目考察等技术论证，最终采取提高效率考核指标并增加水泵加权平均效率考核点、提高水泵关键部件生产加工标准等方案进行解决，最终完成水泵选型设计。为黄河上建设高扬程大型泵站创造了条件，进而为国内类似水利水电工程提供可复制的经验。