泉眼山泵站“6+1”运行调整工程关键技术研究及应用

2020-08-03陶东，吴荣

中国水利 2020年14期

陶东，吴荣

（宁夏回族自治区固海扬水管理处，755100，中卫）

随着国家脱贫攻坚战略深入推进，在宁夏中部干旱带固海扬水灌区周边规划建设的各类脱贫攻坚水利工程新增灌溉面积达75.25 万亩(1亩=1/15 hm2，下同)，给供用水矛盾突出的固海扬水工程带来极大的压力。为了破解工程缺水难题，为灌区周边规划建设中的宁夏中部干旱带贫困片区喊叫水片区、西安片区以及其他零星项目开发40.37 万亩农田和灌区内严重缺水的4.76 万亩农田提供水源保障，2016 年年底宁夏水利厅提出固海扬水系统渠首泉眼山泵站“6+1”运行调整工程，将固海扬水工程首级泉眼山泵站由原设计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，将首级泉眼山泵站流量由原设计20 m3/s增加到23.8 m3/s，增加流量3.8 m3/s。对后续泵站和渠道进行增流改造挖潜提效后，最终将增加的流量送至五干渠，其中1.6 m3/s 供给喊叫水片区，2.2 m3/s 流量供向西安灌区，同时缓解固海六干渠以上供水压力。

工程关键是确定二～五泵站和2座渡槽的增流改造方案。一般来说对泵站可以采取更换水泵机组或扩建厂房和增加水泵机组方案来增加流量，对渡槽可以采取加高或改扩建方案来增加流量。但这些方案对工程改动比较大，工程量和资金投入大、建设周期长，而且二～五泵站在2011年大型泵站改造项目中刚完成改造，2 座渡槽经安全鉴定被评为三类，均不适宜进行大规模的改造。固海扬水管理处联合了自治区水利厅农水处、中国灌溉排水发展中心、中国农业大学等单位开展了关键技术研究和应用。

一、基本情况

1.建设目标

充分发挥现有固海扬水工程作用，在对其不作出大的调整改造、保持系统相对运行稳定的前提下，从泵站机组运行方式、水泵及其叶轮技术改造上深挖潜力提升供水能力，有效解决区域供用水矛盾，破解宁夏中部干旱带缺水难题，为脱贫攻坚提供水利支撑，助力宁夏中部干旱带贫困片区和宁南山区群众如期脱贫与全国同步进入小康社会。

2.工程任务

按照水利厅安排，贯彻落实自治区脱贫攻坚战略部署，实施固海“6+1” 增流改造工程，对固海扬水工程一～五泵站和干渠进行挖潜改造，为喊叫水片区、西安灌区和已建生态移民、高效节灌等项目新增农田以及灌区生态用水提供水源保障。

3.工程建设必要性

宁夏中部干旱带是国家重点扶贫地区。固海“6+1”增流改造工程是宁夏水利厅立项建设的脱贫攻坚水利工程，是宁夏中部干旱带贫困片区西线供水水源改造工程的一部分。实施固海“6+1”增流改造工程，可缓解固海灌区和灌区周边贫困片区缺水问题，保障中部干旱带脱贫攻坚，解决中部干旱带中宁县喊叫水、徐套和海原县关桥、西安、海城及贾塘共2县6 乡镇水资源短缺问题，对3 677户10 980 贫困人口实施精准扶贫，工程建设十分必要和迫切。

4.工程规模

固海系统规划总灌溉面积98.03万亩，其中老灌区57.66 万亩，高效节水补灌工程新增40.37 万亩。新老灌区年需水量为27 413～30 924 万m3，与现状年均引水量相比，年需增加引水量4 713～8 224 万m3。马家塘水库不参与调蓄时，一泵站需增加流量3.55～5.41 m3/s，五泵站需增加流量4.58～6.72 m3/s；水库参与调蓄时，一泵站需增加流量2.13～3.99 m3/s，五泵站需增加流量3.16～5.3 m3/s。马家塘水库参与灌区用水调节有利于降低工程规模，工程投资少。考虑今后固海老灌区作物种植结构会优化调整，灌区需水量有所下降，增加3.8 m3/s 基本能够满足今后用水需求，采用“6+1”运行方式是合理的。相应一～五泵站及干渠设计流量均应增加3.8 m3/s。

5.主要建设内容

包括：二泵站新增1 排DN1200 PCP 出水压力管道，进水前池维修及主厂房配套改造，五泵站更换前池节制闸2 孔闸门，在前池上游侧增设3台回转式清污机，五干渠24 km 渠道整体加高，泉眼山和长山头2 座渡槽改造，五干渠4 座渠涵改造，以及二～五泵站26 台水泵机组改造。

二、固海“6+1”增流工程关键技术

1.机组运行方式研究

现状一～五泵站除四泵站只有1台备用机组外，其余泵站均有2 到3台备用机组。调整后一～五泵站只设1台大机作为备用机组。根据泵站机组运行方式、增流规模3.8 m3/s、设备情况确定单机流量。一泵站按“6+1”方式运行；二泵站机组能满足增流要求，单机流量不调整，但机组与出水管道不匹配，#7 大机不能发挥作用，需增加1 排DN1200 压力管道，调整机组布置，大机运行方式由 “5 大1中”或“5 大1 中+1 小”调整为“6 大1中1 小+1 大”；三泵站运行方式由“6大+1 大2 小”或“5 大2 小+2 大”调整为“6 大2 小+1 大”，调整后大机组设计流量由3.06 m3/s 增加为3.19 m3/s（增幅3.26%），小机组设计流量由1.56 m3/s 增加为1.69m3/s （增幅8.3%）；四泵站运行方式维持“6+1”不变，水泵设计流量由3.09 m3/s 增加为3.3 m3/s（7.7%）；五泵站运行方式由“6+2”调整为“7+1”，水泵设计流量由1.75 m3/s增加为2.03 m3/s（增幅11.6%）。总体水泵流量增幅为3.26%～11.6%。

2.增流叶轮研制及试验

（1）叶轮研制

通过改造水泵叶轮来增加水泵流量，需要解决水泵机组流量增加后引起的电动机功率超标、水泵汽蚀、磨损加剧以及每台水泵的合理流量取值等问题。本文选择三～五泵站的3个型号共6 台大机组进行叶轮改进设计和试验运行，开展了泵壳测量、叶轮设计和制造、试验运行、组织专家论证、现场校测、反复调试、开泵检查等大量工作，实现了叶轮研制技术的突破，取得了一系列研究成果。

中国农业大学针对双吸离心泵的内部流动特点提出的双吸离心泵叶轮交替加载设计方法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，本文采用该方法，在KQSN1200-M14、1200S32、DFSS800-14 双吸离心泵泵体的基础上，进行叶轮改进设计。叶片载荷采用盖板前和轮毂后混合加载模式，叶轮采用轮毂两侧交错布置、出口边正向倾斜的结构形式，在原有泵壳基础上适当加大叶轮外径和叶轮出口宽度，优化改进设计了3 个型号新叶轮，参数见表1。

表1 三至五泵站改进后叶轮基本参数

新设计的3 个型号6 只叶轮（见图1）均采用双相不锈钢进行铸造加工，加工时严格控制叶轮铸造质量和加工精度，经进场验收合格后安装在6 台试验机组上试验运行。

针对五泵站改进叶轮流量达不到要求、超功率问题，对其进行了第2次改进设计，采用双相不锈钢铸造工艺加工了2 只，于2019 年5 月安装继续试验运行。之后为提高制造精度，按照第2 次改进设计加工了1 只钢板焊接叶轮进行试验运行和2 次外径车削后的试验运行。

（2）试验及运行

三泵站2 台水泵试验时间为2017 年冬灌期和2018 年全灌溉期，四泵站2 台水泵试验时间为2018 年全灌溉期，五泵站2 台水泵试验时间为2017 年冬灌期、2018—2019 年全灌溉期。

运行数据均来自泵站自动化监控系统，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，温度通过设备内埋设的测温电阻测量，电力参数通过智能化电力监控装置进行测量。2019 年7 月份，组织专家对三～五泵站重点是五泵站的流量、功率、扬程等参数进行现场测试复核，表明黑水沟泵站实际流量比泵站安装的电磁流量计测试值大0.27m3/s。

通过对全灌溉期运行数据分析，结论为：三泵站改进设计的叶轮全年流量为3.02～3.70 m3/s，全灌期平均流量3.5 m3/s 比设计值值3.19 m3/s高0.31 m3/s；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%。四泵站改进设计的叶轮全年流量为3.00～3.55 m3/s，全灌期平均流量3.3 m3/s，达到了设计要求；电机有功功率为1 386～1 579 kW，全灌期平均功率1 447 kW，超载3.36%。五泵站第1 次改进叶轮流量未达到增流要求；第2 次改进设计的叶轮采用不锈钢铸造加工的（外径824 mm），单机流量1.94 m3/s，并联流量1.86 m3/s，电机功率1 083 kW；采用钢板焊接叶轮，外径826mm 时，单机流量2.08m3/s，电机功率1 065 kW；外径815 mm 时单机流量2.03 m3/s，并联流量1.94 m3/s，电机功率1 044 kW；外径810 mm 时，单机流量1.94 m3/s，并联流量1.92 m3/s，电机功率989 kW。因五泵站实际流量比测试流量大0.27 m3/s，修正后五泵站第2 次设计的叶轮：不锈钢叶轮并联单机流量2.11m3/s；钢板叶轮D826并联单机流量2.25 m3/s，叶轮外径车削至810 mm 时并联单机流量2.11 m3/s、功率989 kW 不超载。故第2 次改进设计的叶轮流量比设计值2.03 m3/s 大，车削后功率也不超载，满足增流要求。经试验运行和调整，对三～五泵站现有水泵进行改进设计的叶轮能满足泵站增流要求。水泵电机略有超载，但流量有富裕，可通过车削叶轮外径使水泵电机既不超功率又满足流量要求。在整个试验运行期间，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，经检查叶轮无明显汽蚀破坏。

3.渡槽降糙处理技术

（1）基本情况

本项目涉及的三干渠长山头渡槽全长1 055 m，为U 形断面，槽壳半径2 m，净高2.9 m，原设计流量20 m3/s，校核流量25 m3/s，因为断面老化、糙率增大，输水能力下降了10%。本次增流3.8 m3/s 后，渡槽实际过水流量由17.5 m3/s 增加为21.3 m3/s，运行水位距拉梁不足10 cm，不符合规范规定0.1 D=0.4 m 的要求，受波浪影响（一般波高0.2 m）渡槽会出现泛水现象。该渡槽属于宁夏水利工程标志性建筑物，且经安全鉴定为三类工程，不宜翻建。要解决过流问题只能并建输水建筑物或采取措施增大过流能力。为此固海扬水管理处、宁夏水利厅开展了渡槽降糙技术试验研究工作。

（2）降糙处理试验

先后引进深圳市巍特环境科技股份有限公司SCL 防渗膜及其粘贴技术、中国水利水电科学研究院全资控股的北京中水科海利工程技术有限公司SK 刮涂聚脲及其涂刷技术，对渡槽过水面进行防渗处理，现场测量渡槽糙率。固海扬水管理处2018年在固海扩灌工程二干渠#3 渡槽上开展了SCL 防渗膜降糙处理试验，2019 年在红寺堡扬水工程3 座渡槽上分别开展了SCL 防渗膜粘贴和SK刮涂聚脲涂层降糙处理试验。

①基面及降糙处理

图1 新设计的3 个型号叶轮

降糙处理前，检查渡槽基面完好及老化破坏情况。对渡槽内垃圾淤泥等杂物进行清理，并清洗干净。对基面破损的，先进行基面修补加固、整平处理和伸缩缝处理。清理掉基面脱落松散的砼浮层、钢筋锈蚀层、突出伸缩缝缝面的粘贴物和止水结构，对砼面突起、斜坡升坎、三角突体进行打磨，要求宽高比斜坡升坎L/△＞13、三角突体L/△＞25。采用聚合物砂浆对结构破损、坑洼、蜂窝麻面等缺陷进行修补，重构漏筋部位钢筋保护层，确保施工基面平整、干净、坚固。降糙处理时应严格按降糙材料技术和工艺要求施工。

SCL 防渗膜粘贴施工工艺流程：施工准备→基面清理→高压水冲洗→基面、缺陷修复→养护→布置施工线→SCL 防渗膜施工→防渗膜焊接，固定封口→检查验收。铺设SCL防渗膜时，防渗膜周边采用不锈钢压条进行固定封口，中间采用SW107 胶浆进行点粘或全粘固定，搭接部位用专用设备进行焊接。防渗膜粘贴后应压紧压实。渡槽伸缩缝内采用纤维布填充，原有不平部分采用SW107 砂浆修补填平，表面直接铺设防渗膜，无需单独作防水处理。

SK 刮涂聚脲涂层施工工艺流程：施工准备→基面清理→高压水冲洗→基面、缺陷修复→养护→伸缩缝处理（拆除原伸缩缝环氧橡皮→基面打磨清理→高压水冲洗→腻子修补缺陷→缝内嵌填沥青麻丝10 cm→嵌填GB 柔性止水材料→3 cm 深泡沫闭口板与缝面齐平）→聚脲刮涂→检查验收。裂聚脲涂层应均匀涂敷，目测检查外观颜色均匀、平整、无流挂、无漏涂、无针孔、无起泡、无开裂、无异物混入。聚脲涂层施工应严把原材料关和施工质量关。聚脲材料进场原材料检验每10 t 抽检1 组，涂层黏结强度、涂层厚度每500 m2检测一组。聚脲涂层完成14 d 后，采用现场拉拔试法进行黏结强度试验验，同时测量涂层厚度。聚脲黏结强度应不小于2.5 MPa 或基材本体断。涂层厚度应满足设计要求，最小厚度应不小于设计厚度的90%，且小于设计厚度比例不超过5%。对伸缩采用沥青麻丝等止水材料缝进行填充和平口处理。

②断面测量

包括测量断面布设、测量项目、测量仪器及测量方法选择等内容。断面设置在渡槽进、出口和中间点；测量项目包括过水面积、水位、渡槽槽底比降、水面比降、断面流速等；测量方法依据仪器精度和测量精度确定，采用闭合测量或多次平均法测量；仪器依据参数要求的精度或其绝对误差限进行选择，根据糙率测量精度要求确定流量测量精度，进而求得断面参数的精度以及绝对误差限。

③糙率计算

依据明渠恒定非均匀流公式反算糙率，并与明渠恒定均匀流公式进行对比确定。

固海扬水管理处2018 年采用SCL 防渗膜对渡槽处理后，现场测试渡槽糙率由0.014 2 降为0.011 0，经试验分析并经专家评审，专家建议实际使用时宜采用糙率n≥0.011。宁夏水科院2019 年在红寺堡扬水工程降糙试验结果为：采用SCL 防渗膜对上麻黄沟和通山沟2 座渡槽处理后，现场测试渡槽糙率由0.012 87 降到0.011 15；采用SK 刮涂聚脲对鸭爪子渡槽处理后，现场测试渡槽糙率由0.012 87 降到0.010 85。

三、应用及成效

通过对固海一～五泵站机组运行方式的调整，目前已对三～五泵站6台水泵安装了改进设计的增流叶轮，水泵流量满足增流要求，而且电机功率不超载，水泵电机运行温度均正常，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，叶轮无明显汽蚀破坏，同时机组效率还得到提升。三泵站水泵效率达到86.0%，提高了13.6%；装置效率达到73.4%，提高了9%。四泵站水泵效率79.3%，提高了4.4%；装置效率66.9%，提高了2.4%。下一步对剩余20 台水泵安装改进增流叶轮后，能实现固海一～五泵站增流要求。采用聚脲涂刷工艺对长山头渡槽进行了整体处理，面积8 600 m2，处理后渡槽过水历时缩短了33%，糙率由0.015 0下降为0.011 9，渡槽输水能力提升了26.4%，满足了增流要求，从而实现一至五干渠增流的要求。通过研制并安装增流叶轮、对渡槽采取降糙处理措施，挖潜提效既实现了泵站和渠道增加流量3.8 m3/s 的目的，取得了增流增效的效果，而且又极大地节约了工程改造投资。