双吸离心泵叶轮交替加载技术在固海泵站增流改造中的应用

温鸿浦，吴 荣，李彦迪，李端明，张 印，靳发业，肖若富

(1.宁夏固海扬水管理处，宁夏 固海 755100；2.中国灌溉排水发展中心，北京 100054；3.中国农业大学北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 100083)

0 引 言

双吸离心泵具有扬程高、流量大、空化性能好以及无轴向力等特点，广泛地应用于各个行业中，特别是在高扬程的提水灌溉泵站中，70%以上的泵站均采用双吸离心泵[1-3]。但目前灌溉泵站的双吸离心泵普遍存在装置效率低、机组压力脉动和振动大等问题[4]，严重影响泵站机组的稳定运行和灌溉效益的发挥[5]。其主要原因是目前国内外尚未有针对双吸离心泵特点而专门建立的叶轮水力设计方法，双吸叶轮往往采用单吸叶轮的水力设计方法进行设计。实际上，双吸叶轮的流态与单吸叶轮有很大不同，双吸叶轮轮毂隔板两侧的水流在叶轮出口处相互撞击，导致双吸叶轮出口处流态异常复杂[6-8]，从而导致双吸离心泵内部流动复杂，水力损失大，压力脉动成分复杂，幅值高等特点[9,10]。

中国农业大学王福军等人针对双吸离心泵的内部流动特点，提出了双吸离心泵叶轮交替加载设计方法，该方法设计的双吸离心泵叶片载荷曲线具有盖板前加载、轮毂后加载的混合加载，以及双吸离心泵叶轮在轮毂两侧交错布置、出口边正向倾斜等特点，有效地改善了双吸离心泵内部的二次流以及叶轮出口的“射流-尾迹”，基于该方法所研发的双吸离心泵，具有最高效率高、高效区宽和压力脉动低等特点[11,12]。

1 应用背景

为破解宁夏中部干旱带缺水难题，宁夏水利厅提出了固海扬水工程泵站“6+1”增流改造，将固海扬水工程渠首泵站由原5台运行、2台备用的“5+2”运行方式调整为6台运行、1台备用的“6+1”运行方式，增加上水流量3.8 m3/s，配套对后续的相关梯级泵站机组、干渠及水工设施进行改造。实现泵站增流，有更换或增加机组以及扩建厂房的“大改”方案和更换叶轮、调整机组运行方式的“小改”方案。“小改”方案是从泵站机组运行方式、水泵叶轮技术改造上挖潜提升供水能力，投资较少。但采用改造叶轮提高机组流量的“小改”方案时，受到机组配套电机功率、水泵汽蚀、电机以及轴承温升等因素的限制。本文分别针对固海长山头KQSN1200-M14和大柳木1200S32两个型号共4台机组进行叶轮的试验改造和运行，研究通过仅仅改造机组叶轮的形式来增加泵站整体流量的可行性。

长山头泵站为固海扬水工程第三级泵站，设计流量18.7 m3/s，净扬程55.34 m，总扬程58.6 m，安装7台型号为KQSN1200-M14和2台型号为KQSN800-M10的双吸离心泵，共9台机组，其配套电机功率分别为2 500 kW和1 400 kW。本文针对KQSN1200-M14进行叶轮改进，该水泵设计流量3.06 m3/s，扬程为58.6 m。分析表明，叶轮改进后，机组运行流量需达到3.19 m3/s才能满足固海扬水工程泵站“6+1”增流改造的流量要求。

大柳木泵站为固海扬水工程的第四级泵站，设计流量17.2 m3/s，净扬程29.92 m，安装7台1200S32双吸离心泵。水泵设计流量为3.09 m3/s，扬程32.3 m。分析表明，叶轮改进后，机组运行流量需达到3.3 m3/s才能满足固海扬水工程泵站“6+1”增流改造的流量要求。

本文针对固海扬水工程泵站“6+1”增流改造项目，利用双吸离心泵叶轮交替加载技术及设计方法，对固海长山头KQSN1200-M14和大柳木1200S32两个型号的双吸离心泵叶轮进行优化改进设计，使机组在满足安全稳定运行的基础上，增加机组的过机流量，从而达到泵站增流的效果。

2 基于交替加载技术的固海双吸离心泵叶轮改进设计

根据增流规模及泵站机组运行方式分析，长山头泵站水泵设计流量由3.06 m3/s增加为3.19 m3/s，大柳木泵站水泵设计流量由3.09 m3/s增加为3.3 m3/s。根据目前两个泵站的实际情况，选择了长山头泵站1号和5号水泵、大柳木泵站4号和9号水泵进行增流改造和试验运行。根据文献6中提出的双吸离心泵叶轮交替加载技术，本文在原有长山头KQSN1200-M14和大柳木1200S32双吸离心泵泵体的基础上，对其叶轮及叶片进行交替加载设计，叶片载荷采用盖板前加载、轮毂后加载的混合加载模式，叶轮采用轮毂两侧交错布置、出口边正向倾斜的结构形式[9]，同时为了提高水泵的扬程，在原有泵壳的基础上，对两个叶轮适当地加大叶轮外径和叶轮出口宽度，分别优化改进设计得到两个型号双吸离心泵的新叶轮[13-15]，如图1所示，叶轮的基本参数如表1所示。

图1 基于交替加载技术设计的叶轮

表1 长山头泵站和大柳木泵站改进后叶轮的基本参数

完成叶轮改进设计后，采用双相不锈钢铸造，加工时对叶片进口边做修圆、对铸造棱角做倒钝处理。叶轮铸造流道基本达到了光滑平整，铸件基本没有砂眼、气孔、裂纹等铸造缺陷，并经时效处理后安装在两个泵站的4台试验机组中。

3 应用效果分析

长山头泵站试验叶轮于2017年冬灌期投入试验运行，大柳木泵站叶轮于2018年春灌期投入试验运行。运行期间，均按生产需要进行正常调度。每隔1 h从后台工作机上读取运行参数，水泵流量通过管道电磁流量计测量，水泵内外轴承温度、电机内外轴承温度、电机铁芯温度通过设备内埋设的测温电阻测量，电机端电压、定子电流通过电压互感器和电流互感器测量，出水管压力通过压力传感器测量。

3.1 长山头泵站试运行效果分析

长山头泵站1号、5号水泵叶轮由传统叶轮形式更换为基于交替加载技术设计的叶轮，从2017年冬灌11月15日开始到2018年冬灌11月21日结束，分别运行了3 172 h及3 137 h。表2为不同水泵的运行统计数据的对比表。

表2 长山头泵站试验泵与同条件水泵运行参数比较

试验水泵流量全年流量为3.02～3.70 m3/s，春灌流量为3.57 m3/s，夏秋灌流量为3.54 m3/s，冬灌流量3.18 m3/s，流量随运行时间延长和水质泥沙含量增大而衰减，符合水泵一般运行特性。全灌溉期平均流量3.50 m3/s，比新设计值3.19 m3/s高0.31 m3/s；灌溉保证率为90%时全灌溉期流量为3.22 m3/s，均满足增流设计要求。水泵电机有功功率为2 502～2 811 kW，全灌期平均功率2 587 kW，超载3.48%；但电机电流低于额定电流。水泵效率达到86.0%，比对比机组的72.4%高13.6%；泵站装置效率达到73.4%，比对比机组64.2%高9%。机组电机铁芯平均温度73.1 ℃，仅比对比机组64.7 ℃高8.4 ℃，低于设计的最高温度限制值。

在整个试运行区间，现场的试验水泵和电机均运行正常，同时振动及噪音均小于未更换增流改造叶轮的水泵机组，水泵运行平稳。冬灌结束后打开泵盖检查，叶轮进口无明显汽蚀破坏。

3.2 大柳木泵站试运行效果分析

大柳木泵站增流改造叶轮调试安装后由2018年4月4日春灌开始至11月21日冬灌结束，分别运行2 547、2 966 h。表3为不同水泵的运行统计数据的对比表。

表3 大柳木泵站试验泵与同条件水泵运行参数比较

全年运行区间，试验水泵流量为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台水泵平均流量3.3 m3/s，较目前安装的对比水泵的平均流量2.83 m3/s提高了16.6%，机组效率提高了4.4%，装置效率提高了2.4%。试验机组电机平均有功功率1 447 kW，超载3.36%，但电机电流小于额定电流，而且电机轴承内、外侧平均温度升高了5 ℃和4.4 ℃，但均在安全运行范围内。

在全年试运行区间，现场的试验水泵和电机均运行正常，振动及噪音均小于未更换增流改造叶轮的水泵机组，机组运行平稳。冬灌结束后打开泵盖检查，试验叶轮进口无明显汽蚀破坏。

3.3 存在的问题

冬灌结束后打开泵盖检查，发现叶轮出口磨蚀较严重，如图2所示，与同泵站对比机组叶轮相比，磨蚀程度差异不大，叶轮出口的磨蚀的主要原因是2018年夏秋灌区间，固海扬水工程所抽送水体整体的泥沙含量高导致的[13]。

图2 叶轮出水边磨损

同时上述分析表明，两个泵站机组的电机存在超功率运行的问题，但电机的定子铁芯和轴瓦温度、水泵轴瓦温度等运行指标均在安全运行范围内，而且试验叶轮的流量较增流改造设计流量还存在一定的余量，可以适当地切割试验叶轮，将电机功率控制在额定功率之内。

4 结 语

针对固海扬水泵站“6+1”增流改造项目，本文采用双吸离心泵叶轮交替加载技术对长山头泵站和大柳木泵站叶轮进行增流改造设计，经过3 000 h左右的现场实际运行，结果表明：

(1)长山头泵站和大柳木泵站双吸离心泵叶轮应用交替加载技术增流改造设计后，机组流量均满足泵站增流改造设计的流量要求，水泵效率提高了分别提高了13.6%和4.4%，泵站装置效率提高了9.2%和2.4%。

(2)应用叶轮交替加载技术改进设计后，现场的试验水泵和电机均运行正常，同时振动及噪音均小于未更换增流改造叶轮的水泵机组，水泵运行平稳，叶轮进口无明显汽蚀。

(3)针对叶轮出口磨蚀较严重的问题，建议对水泵口环、叶片出口、叶片进口等易磨蚀部位喷涂碳化钨涂层，增加水泵耐磨性能。同时在后续的叶轮增流改造中进一步提高水泵叶轮制造精度，增加叶轮表面光洁度，减少水力损失，提高水泵效率和抗汽蚀性能。