高扬程、大流量抽水泵技术现状及发展前景

佟德利，潘菊芳，谢永兰，邓志勇

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

高扬程、大流量抽水泵技术现状及发展前景

佟德利1，潘菊芳1，谢永兰2，邓志勇2

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

随着经济建设的发展，政府对于水利工程建设方面的力度也在不断加强，对大容量、高扬程的水泵的需求也就越来越多；本文简要介绍了高扬程、大容量抽水泵国内外应用情况及技术研发现状，并对后续技术发展尤其是大型水泵关键技术进行了前景展望，并提出了一些建议。

大容量；高扬程；水泵；技术现状

0 引言

随着经济建设的发展，政府对于水利工程建设方面的力度也在不断加强，越来越多的大型泵站投入设计、施工、运行中，而作为关系到泵站安全运行的关键设备——水泵的选择就变得尤为重要，因为它不仅影响国家的经济发展，还直接影响人民的生命和财产安全。

总结近年来建设的大型泵站特点，对高扬程、大流量水泵的市场需求日趋增加；为了保证其设计选型的合理性、投运后的运行稳定性，我们有必要对其技术现状和发展前景进行研究。

1 水泵的分类及工作原理

1.1 水泵的分类

水泵有很多种分类方式，按结构和作用原理来分，可分为叶片式泵、容积式泵和其他类型泵；其中叶片式泵中的离心泵、混流泵、轴流泵等，由于结构简单、造价低、体积小、重量轻安装检修方便等特点应用较为广泛。

1.2 水泵的工作原理

本文仅对离心泵、轴流泵和混流泵的工作原理做简要介绍。

1.2.1 离心泵

根据近年来技术发展，离心泵可分为常规和蓄能式两种。

（1）常规离心泵。

启泵前，现将泵和进水管灌满水，水泵运转后，在叶轮高速旋转产生的离心力作用下，叶轮流道里的水被甩向四周压入蜗壳，在叶轮入口形成真空，将吸水口的水吸入，吸入的水又被叶轮甩出经蜗壳、出水管排出；由于离心泵是利用叶轮高速旋转产生的离心力将水提到高处，故称之为离心泵。

离心泵有多级单吸、单级单吸、单级双吸，布置型式有立式、卧式；具有结构简单，输液无脉动，流量调节简单等优点，适用的流量和扬程范围也比较大，目前国内常规离心泵最大扬程可达1800m，最大流量可达27600m3/h。

（2）蓄能式离心泵。

另外近年来一些大型水轮发电机组制造厂商将抽水蓄能电站可逆机组设计原理应用于水泵的设计和开发中（下称蓄能泵，亦属于离心泵），可逆机组的设计中水轮机需兼顾水泵和水轮机两种工况、发电电动机需兼顾发电机和电动机两种工况，而水泵机组仅需考虑水泵和电动机工况，从理论上是可行的；但水泵在结构、水力性能和抗泥沙磨损上与水泵水轮机差异较大，需进一步深入研究。

1.2.2 轴流泵

轴流泵主要是利用叶轮的高速旋转产生的推力提水，叶轮上部的泵壳上装有固定导叶，用以消除液体的旋转运动，使之变为轴向运动，并把旋转运动的动能转变为压力能。

轴流泵通常是单级式，少数制成双级式，布置型式有立式、卧式；可适用的流量范围很大，为180～360000m3/h；扬程一般在20m以下；轴流泵的叶片可分为固定式和可调式两张，可调式叶片可保证水泵在不同工况下均能高效运行，轴流泵主要适用于低扬程、大流量的场合。

1.2.3 混流泵

混流泵，又称斜流泵，是利用叶轮旋转产生的离心力和推力联合作用工作，水体以与轴成一定角度流出叶轮，经蜗壳、出水管排出。

混流泵可分为单级和多级，布置型式有立式、卧式，混流泵的使用性能介乎于离心泵和轴流泵之间，它和离心泵相比，扬程低一些，而流量大一些；它与轴流泵比较，扬程高一些，但流量又小一些。

2 大容量、高扬程水泵技术现状

2.1 国外已建大型泵站情况

根据目前已了解的资料，国外对单泵容量200MW左右的水泵而言已有设计、制造经验，如德国瓦尔德克Ⅱ电站（三机式蓄能机组：水泵+发电电动机+水轮机）水泵扬程H=343m，N=234MW，澳大利亚威文霍电站水泵扬程H=120m，N=240MW等均已投运数十年；国外大型泵站参数见表1。

2.2 国内已建大型泵站情况

目前部分国内大型泵站相关参数见表2，从表中可看出：对于高扬程、大流量的泵站，水泵多选用离心泵。

目前国内制造的单机容量最大的泵就是哈尔滨电机厂有限责任公司为牛栏江干河泵站制造的蓄能泵，单机容量为22MW，该泵站装有4台泵组，自2013年9月投运以来，各项指标满足设计、相关规程规范要求；该泵站的成功投运意味着我国大型离心泵的设计、制造技术具有世界领先水平，有利于促进我国水泵行业的技术发展。

国内水泵制造厂制造的传统离心泵，容量均小于20MW；由于大型水轮发电机组制造厂与水泵制造厂相比具有一定技术优势：①大型水轮发电机组制造厂均有自己的实验台，能独立进行水力开发；②水泵的效率均高于水泵厂开发的模型水泵；③在注重效率的同时，更关注水泵的运行稳定性；④采用的制造标准一般为水电行业标准，高于水泵行业标准；所以国内大型水轮发电机组制造厂可制造容量较大的蓄能泵：现有的技术条件下，可设计制造单机容量为300MW，最高扬程小于550m的水泵。

结合可逆机组制造业绩，对于不同扬程的水泵单机容量，水轮发电机组制造厂建议如下：对于扬程不高于100m，水泵单机容量不宜超过150MW，对于扬程不高于200m，水泵单机容量不宜超过250MW，对于扬程300～550m的水泵，单机容量不宜超过300MW。

表1 部分国外大流量、高扬程水泵参数Tab.1 Parameters of some foreign high-flow，high-lift pumps

表2 部分国内大流量、高扬程水泵参数Tab.2 Parameters of some domestic high-flow，high-lift pumps

2.3 国内外水泵技术研发现状[8][9]

国外在大型水泵机组研究方面与泵站建设同步，经过不断的更新与发展，在水力性能指标、设计制造、自动化控制等方面的技术水平均处于领先地位；在水泵的相关的技术领域，如CFD计算技术、汽蚀机理、多相流研究等方面取得很多成果。

虽然国内在水泵行业起步较晚，整体技术水平相对落后，尤其是高精尖的大型离心泵产品，无论是在产品开发、设计以及加工方面都远远落后于国外先进厂商；目前随着各种新材料的开发和应用、CFD、CAD等新技术的广泛应用以及一批水轮机制造厂商进入水泵行业，我国水泵行业的整体技术水平正在稳步提高。

2.3.1 CFD、PIV等先进技术在水泵中的应用现状

从20世纪80年代开始，CFD开始应用于水泵领域；发展至今，CFD已成为水泵设计与分析的必要手段和工具，有些水泵制造商甚至自行开发出满足个性化需求的CFD软件；并且CFD已不仅仅局限于流场计算，其通过与CAD的高度集成，正在形成满足工业应用的水泵反问题设计方法；随着一些新计算模型的采用，CFD分析方法也日趋多样化；另外，快速发展的水泵内部流场测量技术如PIV为准确评价 CFD计算精度提供了帮助。

2.3.2 水泵气蚀机理研究现状

气蚀属于流体力学中相变+两相流的范畴，对其机理并没有被完全了解，而水泵气蚀性能对水泵性能影响较大，故对气蚀机理的研究是未来水泵行业的研究方向。

目前普遍认为影响液体压力和饱和蒸汽压力的因素都会影响汽蚀的发生，如泵进口的结构参数包括叶片入口边宽度、叶片进口边的位置、叶轮吸入口的形状和前盖板形状等；泵的操作条件包括泵的流量、扬程及转速等；泵的安装条件包括泵的吸水管管路水力损失及安装高程等。相对应的也提出了一些提高水泵抗气蚀性能的措施，如改进泵进口的结构参数：为防止轮毂处汽蚀初生，将叶片进口边做成凹向；使用特殊的叶片加厚规律以扩大无汽蚀区域的过流能力；以椭圆叶片进口边减低此处压力降等；优化水泵操作条件：在工艺条件允许的情况下，改变泵的流量、扬程、转速及介质的操作温度等操作参数；合理设计吸入管路及调整安装高度；提高过流部件材料的抗汽蚀能力等；通过实践这些措施也有效地改善了水泵的抗汽蚀性能。

2.3.3 泵的振动及噪声的研究现状

水泵运行中产生的振动对水泵寿命影响较大，水泵的振动原因非常复杂，但大致可以分为水力振动和机械振动。水力振动主要是由泵内或管路系统中水的流动不正常引起的，产生水力振动的原因主要有水力冲击、压力脉动及汽蚀引起的；机械振动是由于各种机械原因而引起的振动，如回转部件不平衡引起的振动、中心不正引起的振动等；其中如何防止水力共振是研究的重点，过去十余年中，国外从两个方向对此开展探讨与研究：一个方向为频率测算，计算水泵的共振频率；另一个方向为以基于有限元法的软件直接计算泵的共振频率，由于目前还须对泵的螺栓、地基的刚性条件做出一些假设，因而计算结果尚有改进余地。

泵阀与旋转机械噪声主要包括流动诱导噪声和空泡噪声等，近些年来对其噪声的研究越来越受到重视，如何降低旋转机械的噪声已经成为旋转机械领域重要的课题之一。对于泵阀和旋转机械的噪声问题，目前比较有效的研究方法主要还是通过数值方法来近似求解：基于CFD与噪声软件的混合求解技术，即先利用CFD软件对泵阀与旋转机械的工作过程进行瞬态流场计算，然后采用相关的声类比方法将CFD计算获得的流场信息转换为声源，最后进行声场求解计算，获得声源特性和声场分布情况。

2.3.4 国内大型离心泵研发实例

下面以上文提到的干河泵站中大型离心泵的设计和模型试验情况来实例说明国内高扬程、大流量离心泵的研发现状。

（1）前期研发阶段[5]。

干河泵站的立轴离心泵扬程高、功率大，是我国目前轴功率最大的离心水泵，国际上并没有可供借鉴的类似水泵；为了选择合适的水泵，前期开展了高扬程大流量水泵的特性及调节方式研究，研究采用了CFD结合模型试验的方法，开发出了适合干河泵站的A1054离心泵，该水泵的模型特性曲线如图1所示。

根据水泵的模型试验成果及相关计算分析：A1054模型最优效率为91.57%，综合性能已达国际领先水平，考虑水泵性能、机组设备投资等因素，确定干河泵站水泵额定转速为600r/min。

图1 A1054离心泵模型特性曲线图（D2m=0.61m，nm=800r/min）Fig.1 The model characteristic curve of A1054 Centrifugal pump （D2m=0.61m，nm=800r/min）

（2）水泵设计阶段[10]。

在前期科研成果A1054模型的基础上，哈尔滨电机厂有限责任公司在获得水泵制造合同后对水泵进行了设计优化，最终获得了用于泵站的A1077水泵模型，并对该模型进行了模型试验，试验项目如下：效率试验、空化性能试验、压力脉动试验、零流量试验、四象限及飞逸特性试验等，试验获得的四象限曲线见图2。

最终的模型试验结果表明：水泵各项性能保证值均达到合同要求，综合性能已达国际较高水平。

图2 四象限试验曲线（n11-Q11）Fig.2 Four quadrant test curve（n11-Q11）

干河泵站大型中低比转速离心泵的开发标志着我国大型离心泵的研发已具有世界领先水平，对提高我国水泵行业的技术水平具有重要意义。

3 前景展望

通过对水泵关键技术点的梳理，对大型水泵后续技术发展从以下几个方面进行展望：

3.1 高效节能型水泵水力模型研制

建议集中力量通过自主创新研制代表我国世纪水平的优秀水泵水力模型，特别是高效区宽广、汽蚀性能好的水力模型。新的水力模型开发应注重引进三维计算流体动力学理论和技术，对水泵叶轮等过流部件的流场进行分析，建立水泵水力损失模型及性能预测方法，形成高效节能水泵的设计分析方法及相应软件，其次，进行产学研用联合。

3.2 大型泵站节能综合技术研究

建议建立大型泵站工作效能综合评价方法，提出根据供水要求合理选择水泵的方法，提出电动机变频运行与水泵变角运行、叶片角度调整综合控制策略，建立与管路特性曲线匹配的水泵工作点优化方法，通过综合节能技术实现泵站装置效率的提高，应利用三维数值模拟和实验方法研究不同形式供水管路的需要扬程曲线的准确计算方法，以及多台机组并联时的水泵特性曲线计算方法，建立不同供水条件下水泵工作点的精准预测方法，从根本上避免大马拉小车的情况，使水泵和电机都工作在其最高效率区。

3.3 大型泵站水压力脉动及机组运行稳定性研究

应该深入开展泵站进水池流态对机组水压力脉动的影响研究，典型泵型水压力脉动分布特征与频谱特性的研究，水压力脉动与机组振动和噪声的关系研究，机组振动与泵站厂房稳定性间的关系研究水压力脉动与结构振动对机组疲劳寿命影响的研究，提出改善水压力脉动的方法和措施，为大型水泵安全稳定运行提供参考。

3.4 大型泵站抗汽蚀与抗磨蚀技术研究

汽蚀和磨蚀问题是目前大型泵站普遍存在的问题，也是水泵向高速、大容量发展的主要障碍，建议通过采用测量流场数值模拟及理论分析相结合的手段看，深入研究我国多泥沙条件下水泵的内部流动机制研究水泵发生汽蚀的物理学和电化学机理，建立水泵汽蚀的流体动力学条件，此外，研究如何通过泵站流道与泵段耦合，以及水泵运行工作点的变化来影响或控制气泡初生、发展与溃灭的过程，分析汽蚀与其他非稳态运行特性的关联关系，探讨汽蚀与磨损破坏的关系，从水泵水力设计材料、结构、安装和运行等方面，提出抵抗汽蚀和磨蚀，提高机组工作寿命的途径。

3.5 大型泵站状态监测与智能控制研究

开展泵站主要水动力学指标如水质、流量、压力、压力脉动、水位、扬程、损失及结构动力学指标如转速、功率、振动、噪声、电机参数实时同步测试技术和设备研究研制泵站运行状态的智能型专家诊断系统。

3.6 长距离输水泵站水力瞬变与过渡过程特性研究

针对我国高扬程、长距离带有复杂管路系统的供水泵站越来越多的情况，如何保证机组在启动、停机和事故断电工况下的安全不发生水锤就成为需要优先解决的重要问题，应该尽快建立高扬程长距离输水泵站水力瞬变过程的分析系统，提出便于工程实施的可靠水锤防护系统，主要研究内容包括长距离输水系统水力元件计算模型长距离输水系统水力损失的三维计算方法，空气阀在水锤防护过程中的动力学特性，以及复杂管网条件下的泵站过渡过程计算方法与经济实用的水锤防护措施等。

3.7 梯级泵站与多机组并联时的优化调度研究

针对灌溉泵站系统中梯级泵站与多机组并联运行日益普及的情况，统筹考虑级间和机组间的流量、扬程、水泵工作点等因素对运行成本和调水效果的影响，提出适用于梯级泵站和多机组并联运行的站内、站群联合运行调度模型。有效实现站间流量平衡与水位控制，丰富泵站工程的调控理论，通过泵站群的联合优化运行，节省供水成本，提高供水效率。

4 结束语

随着水泵设计制造技术和应用技术的不断提高，水泵的制造和生产正沿着大型化、大容量化、高扬程化、高速化、系列化、通用化、标准化的方向发展；泵站的自动化控制水平也越来越高。

虽然国内水泵制造技术上与发达国家相比有一定的差距，但是近年来随着大型水轮发电机组制造厂家陆续进入水泵市场，设计、制造出的高扬程、大流量的蓄能泵也已成功投运，为后续高扬程、大流量水泵的技术发展奠定了良好的基础。

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2017-05-12

2017-07-15

佟德利（1970—），男，辽宁人，高级工程师，主要研究方向：水电站与抽水蓄能电站工程建设管理、主机设备设计制造、运维检修管理。E-mail：pshtdl@sina.com

潘菊芳（1985—），女，浙江人，水电工程造价员，工程师，主要研究方向：抽水蓄能生产运行、产业规划管理。E-mail：jufang-pan@sgxy.sgcc.com.cn

谢永兰（1978—），女，湖北人，注册咨询师，高级工程师，主要研究方向：水力机械设计。0732@nwh.cn

邓志勇（1976—），男，四川人，高级工程师，主要研究方向：水力机械设计。E-mail：150249634 @qq.com

Technology Status and Development Prospects of High-lift and High fl ow Pumps

TONG Deli1，PAN Jufang1，XIE Yonglan2，DENG Zhiyong2
（1.State Grid XinYuan Company Ltd.，Beijing 100761 China ；2.North-west Engineering Co.，Ltd，Xi’an 710065 China）

With the development of economic construction，the government has also strengthened the construction of water conservancy projects，and the demand for high flow and high lift pumps is increasing.This paper briefly introduces the application status at home and abroad，technology research status of the highlift and high-flow pumps，and it also looks ahead the subsequent technology development，especially，large-scale pumps key technology，and some suggestions are made.

high-capacity;high lift;water pump;technical status

TK71

A学科代码：480.6030

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.007

国网新源控股有限公司科技项目（52570015007J）。