移动泵站技术发展及应用前景

张志民，李万平，蔡振东，李庆瑞（天津水利电力机电研究所，天津 蓟县 301900）

移动泵站技术发展及应用前景

张志民，李万平，蔡振东，李庆瑞
（天津水利电力机电研究所，天津 蓟县 301900）

摘要：论述了国内、外移动泵站技术及产品的发展现状，分析不同型式的移动泵站产品的特点及应用前景。

关键词：移动泵站；国内外发展；应用前景

1　概述

据统计，我国现有各类固定泵站约50余万座，分布在全国各地的城市、农村和江河流域，担负着农业及城市灌溉排水、防洪排涝及工农业生产和城乡居民生活供水任务。固定式泵站都是按规划标准设计的,主要由进/出水池、泵房等水工建筑物、泵组、闸门及配电设施等组成，正常情况下基本能满足功能需要,但如遇特大洪水或干旱情况,可能就会因水位过高、过低或动力设备失效而无法运行,尤其是近几年极端气候变化导致洪涝、干旱、城市内涝等灾害频率增高，重、特大灾害逐年增多，灾害使百姓生活、安全受到很大影响，国家财产受到很大损失，因此国内从90年代开始应运而生多种不同型式的可移动泵技术及产品，在防灾、减灾、应急抢险中发挥了积极作用。可移动泵站具有机动性、灵活性，对现有的以固定式泵站为主的灌排系统是一种有力的补充，其主要特点：①投资小：无需投资修建复杂的水工建筑物和泵房，可节省大笔基础建设费用；②适用范围广：无需电源，只需靠自身携带动力源驱动水泵工作，流动性好，适用范围广；③机动性强：依靠车载工具或自行走，可快速部署就位，设备操作简便，可快速安装，并展开作业；④设备利用率高，便于专业化的作业和服务，将它与固定式泵站统筹协调运用，可有效地扩大灌排区域的受益范围，能体现专业化服务的特点，可移动泵站可作为国家防洪抗旱的减灾装备，具有战略意义和重要的发展前景。

由于在移动泵站方面还没有国家和行业标准，本文把单台流量在1 000m3/h以上的泵装置或泵车列为移动泵站范畴。

2　国内外移动泵站技术和产品应用现况

2.1国内现况

国内，在20世纪70年代开始研发生产小型柴油机驱动自吸离心泵组，主要用于农业提水灌溉、喷灌，市政工程及工程施工中也经常使用一些小型移动潜污泵，但单台流量、功率都很小，一般流量每小时几十立方米，功率11 kW以下，虽移动方便，但功能很小，不能列为泵站的范畴。90年代以来，国内逐渐开发应用了单台流量大于1 000m3/h的移动泵装置，如多台组合应用，可以达到小型泵站的功效。

2.1.1电机驱动的移动泵站

（1）自吸泵式移动泵站：泵站机组带有柴油发电机，泵组为电机驱动自吸离心泵（可立式、卧式），整体集成在拖车或专用汽车上，水泵具有自吸功能，不需要灌水或真空泵，但使用场合条件受水泵吸程限制，如流量为1 000m3/h的自吸泵吸程一般4～5m，一般流量越大、转速越高吸程越小，所以水泵流量一般在1 300m3/h以下（口径300mm以下）。

（2）潜水泵式移动泵站：泵站（车）机组带有柴油发电机，泵组为潜水电泵整体集成在拖车或专用汽车底盘上，底盘配有汽车吊车，使用时吊车将潜水泵吊入水中使用，这种情况受吊车载重及作业范围的限制，同时安全防护措施及电缆绝缘要做好。一般在水泵流量小于1 000m3/h、功率小于45 kW时使用。

（3）组合式移动泵站：泵站机组为柴油发电机、随机吊车、自吸泵、潜水电泵等组合到专用汽车底盘上，集上面两种型式移动泵站特点，组合后单台泵站流量已做到3 000m3/h。

2.1.2液压马达驱动水泵的移动泵站

（1）半挂车或拖车式移动泵站：液压马达作为驱动元件，其输出轴连接水泵叶轮。利用柴油发动机带动液压油泵将低压油转变成高压油，再通过液压控制阀块及液压管路输送至液压马达，从而驱动液压马达带动水泵叶轮做功，泵站自身具有水泵的升降功能。柴油发动机、液压站、泵组及油管等集成在拖车底盘上，用半挂车或牵引车拖至使用现场，目前单台流量可以达到5 000m3/h。

（2）集装分离式移动泵站：液压马达作为驱动元件，其输出轴连接水泵叶轮做功。泵站分为动力单元和泵组单元两大部分，动力单元由柴油发动机、液压站、高压油泵、控制阀块及油箱等组成，泵组由水泵及液压马达组成，工作时动力单元与泵组可以30～50 m范围内使用，目前单台流量可以达到10 000m3/h。

（3）自行走式液压驱动移动泵车：属于专用车移动泵站，动力源自汽车发动机，液压马达输出轴与水泵叶轮直联驱动水泵，所有辅助机构采用全液压控制，通过辅助装置自动升降、旋转、平移、伸缩等功能，可实现移动泵车任意位置作业排水，目前单台流量已达到3 000m3/h。

（4）液压驱动履带式移动泵站：所有动力部分及液压驱动泵组集成在履带底盘上，可自带柴油发动机，也可用其他动力液压源。适用于沼泽、常规移动泵车无法进入地带，目前流量已达3 000m3/h，可以做到10 000m3/h。如做成微型履带车（类似机械手），可入涵洞、地下通道、地下室等处抽排水。

2.2国外代表性移动泵站产品

（1）柴油机通过变速箱直接带动自吸离心泵，并辅助带有真空泵，工作时水泵和真空泵同步运转，可以快速达成防洪功能，目前单台流量可以达1500m3/h，吸程一般在5m左右。整体机组用拖车移动。

（2）移动式凸轮转子泵车：水泵为凸轮转子泵，柴油发动机经齿轮减速箱直联水泵，机组移动采用拖车式，凸轮转子泵的最大特点是无需灌水抽真空而吸程高（可达9m）、可以汽固液混输、转速低而磨损小、体积小重量轻。目前单台流量达1 350m3/h。

（3）美国MWI液压驱动移动泵站：该公司的液压移动泵站具有代表性，是在国际上开发应用最早的移动泵技术产品，主要由柴油机、水泵、液压马达、液压油泵、管路、油箱、散热器、控制、电路及承载车体等几部分组成，根据功能具体可划分为：承载、水泵与管路、液压、监控与保护、动力等5个子系统。从公开资料看，属于拖车式移动，最大流量达9000m3/h。

3　不同型式的移动泵站特点分析

归纳起来，目前移动泵站的驱动方式分为柴油发电机-电机驱动（称电机驱动）和汽车发动机、柴油发动机-液压马达驱动（称液压马达驱动）两种，移动方式为拖车、汽车吊车、半挂车、通用货车、专用汽车五种。

（1）电机驱动移动泵站特点：水泵在车上固定，受吸程限制，潜水泵受功率和汽车吊容量限制，应用范围受限于泵流量，最大不能超过1 500m3/h，且在额定吸程范围内使用。

（2）液压驱动移动泵站特点：动力单元部分与泵组单元是液压软管连接，动力靠液压油传递，这样两部分可分离50～100m工作，泵组相当于潜水泵，只要发动机功率容许，水泵流量可以达10 000m3/h以上。

4　移动泵站的发展趋势及应用前景

国内近几年液压移动泵站产品技术超过国外水平，电机驱动移动泵站技术含量不高，流量等参数及使用范围有限，不易发展。而国外电机驱动凸轮转子移动泵站高吸程、可汽固液混输、适用范围广的特点突出，可作为今后国内电机驱动移动泵站的发展方向。作为移动泵站使用，液压驱动水泵技术相对于电机驱动水泵有众多优越性，尤其集装分离式液压驱动泵站、自行走液压驱动移动泵车和履带式液压驱动移动泵站是今后国内主要的发展方向。

参考文献：

[1]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京：中国宇航出版社，2011.

[2]泵站设计与抽水装置试验[M].窦以松，何希杰，等，译.北京：中国水利水电出版社，2007.

[3]机械设计手册：第5卷[M].北京：机械工业出版社，1992.

[4]张志民，张力伟，唐利剑，等.移动式泵站系统装置技术开发机应用[J].水电站机电技术，2008（6）：79-80.

Abstract: The pumped storage unit plays more and more important role in China power grid. The cavitation has great effect on hydraulic performance of pumped storage unit especially for the pump model operation. The characteristic and effect of cavitation are investigated by numerical simulation and experiment.

Key words: cavitation; cavitation mass transfer equation; Pump turbine

中图分类号：TV675

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）02-0082-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.023

收稿日期：2014-10-12

作者简介：张志民（1962-），男，教授级高级工程师，从事流体机械及泵站工程研究工作。

Strength Analysis of Francis Turbine runner Based on Fluid Structure Interaction

KAN Kan1, ZHENG Yuan2,3, ZHAO Lian-hui4, QIAO Mu4, ZHANG Ce4, WEI Qing-lian4
(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.National Engineering Research Center of Water Resources Efficient U tilization and Engineering Safety, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China; 4. Baishan Power Factory, Xinyuan(Holdings) Company Lim ited, State Grid, Jilin 132400,China)

Abstract:The runner strength of a large Francis turbine in northeast of China under three loading conditions w ith designed head is calculated by using the unidirectional fluid structure interaction method. The pressure on blade surface calculated by CFD software CFX is taken as the blade structure surface load, and then the runner strength is calculated by the ANSYS workbench. Finally, the static stress and deformation distribution of runner are obtained under different operating conditions. The results show that the maximum static stress increases w ith the increase of flow rate, and the maximum stress appears at the junction of runner crown and blade effluent side. The maximum deformation also increases w ith the increase of flow rate, and the maximum deformation appears on the runner band. The results can be referred by the researches who works on the structure design and safe operation of Francis turbine.

Key w ords:Francis turbine; Fluid structure interaction; static stress; strength analysis

Hyd raulic Research and Model Test of Pump Turbine w ith Splitter Blade at QingYuan pum ped storage Hydropower Station

DU Rong-xing1，CHEN Liang-nian1，TAKEO Tokum iya1，WANG Qing2，ENOMOTO Yasuyuki2
(1. Toshiba Hydro pow er (Hangzhou) Co., Ltd, Hangzhou 311504,China; 2. Toshiba Corporation, Japan)

Abstract: The characteristics of pump turbine with splitter blade runner based on TOSHIBA’s long term study are summarized. The hydraulic development and model test of pump turbine with splitter blade runner at Qingyuan pumped storage hydropower station are described. The main information of acceptance test in independence laboratory of Sw iss Federal Institute of Technology in Lausanne is provided.

Key words: Pump turbine; Splitter blade; CFD analysis; Model test; Acceptance test

Research on S shape characteristic of m ixed reversible pum p tu rbine

LI Jin-wei1, CHEN Liu1, YU Ji-xing1, HU Qing-juan2
(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. Baoquan Pum ped-storage Lim ited Com pany of Henan State Grid, X inxiang 453003, China)

Abstract: The pump turbine at Baoquan pumped storage hydropower station is selected to study the S-shaped characteristic for model test, field test and CFD simulation in the present paper. The sim ilarity between model and prototype units, influence of S-shaped characteristic on prototype unit operation and hydraulic mechanism of S-shaped characteristic are discussed.

Key w ords: pumped storage hydropow er station; model test; field test; CFD simulation; S-shaped characteristic

Cavitation characteristic research on pum ped storage unit

LIU De-m in, ZHAO Yong-zhi
(Dongfang electric machinery Co., LTD., Deyang 618000, China)