固海扬水梯级泵站增流改造技术研究与应用

摘 要：固海扬水工程是宁夏建设最早、规模最大的公益性生态扶贫扬黄灌溉工程，也是宁夏中南部重要的水资源保障的大型扬水工程，为宁夏中部干旱带脱贫攻坚和经济社会发展提供着坚实的水资源保障。固海扬水工程梯级泵站增流改造技术的研究与应用，以固海扬水工程系统泉眼山泵站至黑水沟泵站1—5梯级泵站增流改造为对象，通过固海3—5梯级泵站增流叶轮研制及运行试验、泵站增流综合技术研究及应用、固海1—5梯级泵站输水系统干渠及其建筑物病害治理及增流等关键技术研究及应用，实现固海1—5梯级泵站工程挖潜改造，为大型梯级泵站工程增流改造技术研究和生产应用提供典型借鉴。

关键词：梯级泵站;水泵抗磨蚀;增流改造;水工建筑物;降糙防护

中图分类号：TV675 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0172-04

Abstract： The Guhai Pumping Irrigation Project is the earliest and largest public welfare ecological poverty alleviation and Yellow River Irrigation Project built in Ningxia. It is also an important large-scale water raising project for water resources protection in central and southern Ningxia. It provides a solid foundation for poverty alleviation and economic and social development in the arid zone of central Ningxia. Water resources protection. For the research and application of flow-increasing transformation technology for cascade pumping stations in Guhai Pumping Project， this paper takes the flow-increasing transformation of cascade pumping stations 1—5 from Quanyanshan Pumping Station to Heishuigou Pumping Station in Guhai Pumping Project System as the object; through the development and operation test of flow increasing impellers in Guhai 3—5 cascade pumping stations， research and application of comprehensive flow increasing technology for pumping stations， research and application of key technologies such as disease management and flow increasing of main canals and buildings in the water conveyance system of Guhai 1—5 cascade pumping stations， it has realized the potential tapping and transformation of the Guhai 1—5 cascade pumping station project， providing a typical reference for the research and production application of flow increasing transformation technology for large-scale cascade pumping station projects.

Keywords： cascade pumping stations; anti-corrosion of water pumps; flow-increasing transformation; hydraulic structures; roughness reduction protection

固海扬水工程是宁夏建设最早、规模最大的公益性生态扶贫扬黄灌溉工程，也是宁夏中部干旱带西海固地区脱贫攻坚和乡村振兴中无可替代的重要水资源支撑性基础骨干水网工程。工程运行40多年来，为当地经济社会发展提供着坚实的水安全保障，为灌区群众的脱贫致富、农业经济发展、生态环境的改善以及维护民族团结、促进社会发展作出了巨大的贡献，被誉为宁夏中部干旱带的“生命水脉”和“民生工程”。

1 研究概况

固海扬水工程系统由1978年建成的同心扬水工程、1986年建成的固海扬水工程、1993年建成的世行扩灌扬水工程、2003年建成的固海扩灌扬水工程4个工程系统组成。固海扬水工程经过不同时期的改扩建和工程系统间的优化改造，形成了较为完善的多梯级泵站群，目前固海扬水工程投运泵站29座和水库1座、变电所22座，设计总流量41.2 m3/s，安装主机组201台（套），总装机容量20.38万kW。固海系统总扬程382.47 m，净扬程342.74 m;固海扩灌系统总扬程476.8 m，净扬程427.73 m。固海扬水工程有干渠、支干渠39条，总长468 km，各类水工建筑物1 462座，干渠直开斗口419座，年均引水量4.5亿m3。灌区涉及吴忠市、中卫市、固原市的3市6县（区）2场共16个乡镇，受水区灌溉面积达170.64万亩（1亩约等于667 m2，下同） ，属国家大型电力提灌工程，是宁夏中部干旱带脱贫攻坚的生命工程。

为加快宁夏中南部干旱地区脱贫攻坚，充分发挥固海扬水工程骨干水网在中部干旱带脱贫攻坚主战场的基础性支撑作用，有效解决中部干旱带贫困片区西线的中卫市中宁县喊叫水乡、海原县西安乡、沿线生态移民等水利脱贫攻坚重点地区的水源问题，缓解固海扬水灌区和灌区周边贫困片区供水压力，自2017年开始以宁夏固海扬水工程1—5梯级泵站增流改造为对象，开展固海扬水工程增流改造关键技术研究与应用的试验。在固海扬水工程系统泉眼山泵站至黑水沟泵站1—5梯级泵站及其输水系统现有水泵机组、输水渠道的基础上，采用“1级泉眼山泵站、2级古城泵站运行方式由‘5+2’改为‘6+1’来增加3.8 m3/s流量，3级长山头泵站、4级大柳木泵站、5级黑水沟泵站通过改进现有离心泵叶轮来增加3.8 m3/s流量”的增流改造方案。开展固海3—5梯级泵站增流叶轮研制及运行试验、泵站工程增流综合技术研究及应用、渠系输水系统建筑物防渗降糙试验研究、1—5梯级泵站输水系统干渠及其建筑物病害治理及增流等关键技术研究及应用。2020年实施固海系统1—5梯级泵站系统挖潜改造，最大限度地发挥固海扬水工程的效益，为解决中卫市三县五乡的水资源短缺问题，有效推进区域水资源优化配置，提高该区域抗旱减灾能力。

2 梯级泵站工程增流改造关键技术研究

2.1 梯级泵站增流综合技术研究及应用

2.1.1 基于叶轮改造的梯级泵站增流改造可行性研究

机组增流是泵站增流改造的关键，为了增加固海1—5梯级泵站总体的设计流量，从改造叶轮，提高水泵的扬程和效率等方面来增加单泵的过机流量，但是改造叶轮受到泵壳尺寸、电机功率和水泵汽蚀、叶片强度等方面的限制，需要在考虑泵站安全、稳定、可靠等基础上，针对每座泵站的每个型号水泵机组，合理分配增加流量，从而达到泵站增流改造的目的。因此，通过对每台水泵机组进行全面的内部流动计算，并结合泵站现状运行情况，在满足泵壳尺寸、电动机功率和水泵汽蚀、叶片强度要求的基础上，研制并应用新型水泵叶轮，深度挖掘每台水泵的可能增加流量，并进一步分析泵站工程系统增加流量的潜力。研究重点是改造水泵叶轮增加泵站工程流量的可行性，突出泵站工程潜力的综合性、系统性技术研究。

2.1.2 增流改造后泵站机组抗汽蚀及磨蚀的研究

针对黄河上游多泥沙水源的扬水泵站工程运行环境，泵站机组抗汽蚀、抗磨蚀能力的提升是保证泵站高效运行的关键，水泵机组流量增加后，泵站的装置汽蚀余量减小，水泵的必须汽蚀余量增加，从而会导致水泵机组的汽蚀性能急剧下降，同时流量增加后，机组的磨损也将加剧。因此增流改造后，如何提高机组的抗汽蚀和抗磨蚀性能是保证机组安全稳定运行的关键。通过研究对比改造前后，机组的汽蚀性能、叶片的汽蚀发生位置、汽蚀随运行时间的发展、机组磨蚀的位置和强度的变化等，研究增流改造后汽蚀和磨蚀对于机组影响，分析是否对机组的安全稳定运行具有影响。同时，采用碳化钨涂层技术对叶片表面及口环进行喷涂，研究碳化钨涂层对机组汽蚀和磨蚀的影响，进一步保证机组的安全稳定运行，提高机组的运行稳定性，延长机组设备寿命。

2.1.3 基于叶轮改造的高扬程梯级泵站增流改造方案的确定

梯级泵站工程系统增流改造是一项系统的工程，涉及泵站运行和渠道工程运行两大骨干工程的增流改造。在固海3—5梯级泵站机组增流叶轮研制及运行试验的基础上，结合基于叶轮改造的梯级泵站增流改造可行性研究、增流改造后机组抗汽蚀及磨蚀的研究成果，全面分析3—5梯级泵站每一台运行试验水泵的增流改造效果，在保证每台机组安全、稳定、高效的基础上，给出每种型号水泵机组叶轮增流改造的最终方案，从而达到整个泵站工程系统增流改造的效果。形成高扬程梯级泵站增流综合技术1项，完成《高扬程梯级泵站增流综合技术研究报告》，编制1—5梯级泵站增流改造技术方案，为大型梯级泵站工程增流改造关键技术研究和生产应用提供技术支撑。

2.2 固海3—5梯级泵站增流叶轮研制及运行试验

2.2.1 固海3—5梯级泵站增流叶轮研制

针对固海扬水工程3—5梯级级泵站现有的双吸离心泵，采用双吸离心泵叶片交替加载技术，考虑水泵扬程、泵壳尺寸、水泵汽蚀性能、电机功率及叶片强度等各种因素，以及以黄河高含沙水质条件为前提的泵站运行环境，对固海3—5梯级泵站的4种型号双吸离心泵叶轮进行增流改进设计和制造加工，从而提高各泵站水泵机组的运行流量和效率、运行稳定性等，使水泵的增加流量达到要求，实现各泵站整体增流目标，同时又保证水泵机组在增流的前提下，泵站工程能够安全、稳定、可靠和高效地运行。

2.2.2 固海3—5梯级泵站研制增流叶轮运行试验

从固海3—5梯级泵站中每种型号各选择2台水泵机组安装研制的增流叶轮，通过4座泵站8台机组进行试运行现场试验测试，分析每台试验机组的叶轮增流改造后的实际增流效果，以及电动机的实际运行功率、机组振动、水泵轴瓦温升、电动机温升等情况，为进一步的固海扬水系统的整体增流改造提供理论和实际运行数据的支撑。研制了4种新型高效、高稳定性的双吸离心泵叶轮，形成基于叶片交替加载的双吸离心泵叶轮增流改进设计方法1套，申请2～3项双吸离心泵新型叶轮的实用新型专利，形成了固海扬水泵站工程特有知识产权。

2.3 固海1—5梯级泵站输水干渠及其建筑物病害治理及增流技术研究及应用

2.3.1 水工建筑物防渗降糙试验研究

输水干渠水工建筑物防渗降糙是渠道工程治理改造的重点内容，对目前国内处先进的输水渠道及其建筑物防渗降糙新技术、新材料及其施工工艺进行筛选，选择1～2种适合于西北高寒冷气候、高湿陷性黄土地区渠道及其建筑物防渗降糙的新技术、新材料及其施工工艺，在固海1—5梯级泵站输水干渠及其建筑的典型渠段进行施工试验，并观测和分析其防渗、降糙效果及渠道流速等，确定1种适合于高寒冷气候、高湿陷性黄土地区渠道及其建筑物防渗降糙的新技术、新材料及其施工工艺。经过2年多时间在5座泵站5级干渠试运行表明，泵站建筑物防渗降糙效果明显，有效提高了固海1—5梯级泵站输水干渠及其建筑物的输水能力，满足泵站增流改造的输水流量要求，为泵站机组增流提供了渠道输水保障条件。

2.3.2 输水干渠及其建筑物病害治理及增流技术研究与应用

在建筑物防渗降糙试验研究的基础上，根据固海1—5梯级泵站输水干渠及其建筑物病害及过流表面糙率等状况，计算分析1—5梯级泵站现有输水干渠及其建筑物病害通过治理和降低过流表面糙率后，核算典型过流断面能否满足固海增流改造后的输水流量要求，编制《固海1—5泵站输水干渠及其建筑物病害治理及增流改造方案》，形成高扬程梯级泵站输水干渠及其建筑物病害治理及增流改造技术1项。按泵站工程增流技术要求完成了SCL防渗膜和SK刮涂聚脲糙率测量对比试验，降糙处理1座渡槽、翻建1座渡槽、应用新型渡槽伸缩缝高分子材料填缝技术、加高2座渠涵和加高24 km渠道等工程，有效提升了渠道工程安全状况和输水能力。

3 梯级泵站工程增流改造研究应用的主要成果及创新性

3.1 研制新型高效、高稳定性的双吸离心泵叶轮，满足固海增流改造的要求

在固海长山头、大柳木和黑水沟3座泵站水泵机组泵壳的基础上，采用基于双吸离心泵叶片交替加载技术，充分发掘泵站的增流潜力，开发了4种型号（KQSN1200-M14、KQSN800-M10、1200S32和DFSS800-14的叶轮的改进型）高效、高稳定性的双吸离心泵叶轮。通过对3座泵站试验机组2年多的试运行和现场测试表明，新型叶轮能够满足固海系统增流3.8 m3/s的改造需求。同时水泵轴瓦温度、电动机额定/运行电流、电动机铁芯温度、电动机轴瓦温度和机组振动最大径向位移等参数均满足实际运行需求，机组运行稳定，成功申报实用专利3项。

3.2 形成了叶片交替加载的双吸离心泵叶轮增流改进设计方法

以双吸离心泵叶片交替加载技术为基础，结合固海3—5梯级泵站机组的实际情况，提出了基于叶片交替加载技术双吸离心泵叶轮增流改进设计方法。通过叶片载荷的交替加载、改进叶片进口和型线的设计，提高双吸离心泵的效率、汽蚀性能和压力脉动。双吸离心泵叶轮在3—5梯级泵站的实践表明，叶片交替加载的双吸离心泵叶轮增流改进设计方法有效解决了泵站增流的问题，同时水泵轴瓦温度、电动机铁芯温度、电动机轴瓦温度和机组振动均满足要求，机组运行安全稳定。

3.3 形成了高扬程梯级泵站增流综合技术

以双吸离心泵叶片“交替加载”与V型交错技术对泵站叶轮进行改进设计，提高水泵扬程，从而提高泵站实际运行流量是泵站增流综合技术的应用。相对于传统的变频和水泵重新选型和改造，该技术具有投资少、周期短等特点。该技术主要利用双吸离心泵叶片“交替加载”与V型交错技术来设计新的叶轮，新叶轮具有效率高、空化性能好、压力脉动低等特点，在不改动泵站机组蜗壳的条件下，提高机组效率、扬程，从而达到泵站机组有效增流的目的。

3.4 形成了高扬程梯级泵站输水干渠及其建筑物病害治理及增流改造技术

寒冷地区的泵站建筑物的防渗问题和建筑物病害问题较为严重，在对目前国内先进的输水渠道及其建筑物防渗降糙新技术、新材料及其施工工艺进行筛选的基础上，针对宁夏中部干旱带的气候环境特点选择了适合于高寒冷气候、高湿陷性黄土地区渠道及其建筑物防渗降糙的新技术、新材料及其施工工艺;并在固海1—5梯级泵站输水干渠及其建筑的典型渠段进行施工试验，观测和分析其防渗、降糙效果及渠道流速等，形成了1种适合于高寒冷气候、高湿陷性黄土地区渠道及其建筑物防渗降糙的新技术和施工工艺。经过4年多时间的运行表明，泵站建筑物防渗降糙效果明显，能够满足泵站增流的运行;在建筑物防渗降糙试验研究的基础上，根据固海1—5梯级泵站输水干渠及其建筑物病害及过流表面糙率等状况，计算分析1—5梯级泵站现有输水干渠及其建筑物病害通过治理和降低过流表面糙率后，典型过流断面满足增流改造后的输水流量要求，同时编制完成地方标准DB64/T 1777—2021《灌区输水建筑物降糙防护技术导则》，对灌区输水建筑物降糙防护具有规范性的技术指导作用。

4 结束语

固海扬水工程梯级增流改造关键技术研究与应用，通过泵站增流新型的叶轮研制及应用、输水干渠及其建筑物病害治理及增流技术研究及应用、多梯级泵站群优化调度和泵站机组优化配置等关键技术的系统性布局和综合性应用，实现固海系统1—5梯级泵站增加流量3.8 m3/s、年增加供水量4 600万m3，形成西北干旱地区高扬程梯级泵站增流改造示范项目——固海1—5梯级泵站及其输水系统增流改造工程。固海1—5梯级泵站系统增流改造提水达流量23.8 m3/s，装机功率64 770 kW，新增灌溉面积37万亩，改善灌溉面积14.2万亩，工程增流改造与新建泵站或更换新水泵机组来增加流量的增流改造方案相比，增流改造工程可节约直接投资3 400万元以上。泵站增流改造工程结合灌区已建调蓄水库，可以最大限度发挥扬水工程效益，有效解决宁夏中部干旱带喊叫水片区、海原西安灌区、生态移民等中部干旱带贫困片区脱贫攻坚的供水问题，同时缓解固海灌区用水紧张局面，有力提升了区域抗旱减灾能力。梯级泵站增流改造涉及相关泵站及渠道工程增流关键技术研究，是系统性、综合性、实践性很强的工作，通过几年的现场试验和运行考核，泵站增流改造关键技术成熟，梯级泵站运行安全可靠，泵站工程系统调控功能和工程效益都得到有效提升。宁夏固海扬水工程“6+1”增流改造工程关键技术应用，成功入选水利部2022年年度成熟适用水利科技及成果重点推广清单目录，为大型梯级泵站工程增流改造技术研究和生产应用提供了典型借鉴。

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第一作者简介：罗满良（1974-），男，高级工程师。研究方向为水利工程建设与管理。

*通信作者：陶东（1966-），男，正高级工程师。研究方向为水利工程建设与管理。