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水利水电工程规划理论与实践§8.1概述§8.2泵站工程规划§8.3大型排灌泵站更新改造规划§8.4中小型排灌泵站更新改造规划§8.5国家科技支撑计划项目与课题第八章泵站工程规划§8.1.1泵站工程§8.1.2发展的历程、现状和动向第一节概述§8.1.1泵站工程一、概念泵站工程是根据生产需求兴建的，以主水泵机组为能源核心，提高其过流水体机械能的系统工程。其概念由传统的“水、机、电”三大子系统，拓展为现代的“水、机、电、控”四大子系统。现代泵站工程的概念是：以主水泵机组为核心的，由“水、机、电、控”四大子系统组成的工程。1、“水”系统：取、引、进（吸）、泵、输、出水等；2、“机”系统：主机组、辅机系统等；3、“电”系统：输、变、配（一次、二次）电等；4、“控”系统：正常运行管理的计算机监控、安全、经济等多目标单机、单站及泵站群的综合调度系统等。几乎涉及国民经济生产的各个部门和行业，除了农业、城乡供排水和调水工程以外，在其他部门和行业则通常被称为泵系统。第一节概述§8.1.1泵站工程二、分类1、泵站功能2、工程布置3、结构形式第一节概述产用泵系统工业等其他国民经济生调水泵站城镇给排水泵站灌排泵站单座泵站并联枢纽串联梯级泵站群（处）移动固定泵站斜立卧水泵§8.1.2发展的历程、现状和动向一、历程建国以来，仅以灌排泵站为例，其发展历程概括起来大致经历了以下阶段：第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向二、现状目前，全国灌排机械保有量已达8000多万kW，占农用总动力的1/4强。机电灌排装机容量达4000万kW，其中固定式机电灌排泵站装机约2500万kW，已拥有大中小各种灌排泵站50余万处，配套机井4百多万眼。我国现有水泵提灌面积4.98亿亩，占全国有效灌溉面积8.385亿亩的60％；提排面积1.89亿亩，约占全国除涝面积（达五年一遇除涝标准）的70%。此外，还有水轮泵站灌溉面积457万亩。我国的机电排灌效益面积，达全国灌排效益总面积的半数以上，正可谓占有“半壁江山”。在我国灌排泵站中，中小型泵站占大多数，大型泵站虽然只有450处，仅占全国总处数的1%，但装机达到563.57万kW，占全国总量的23.53%，在我国机电灌排体系中占主导地位，基本形成了以大型灌排泵站为骨干、大中小型灌排泵站结合的机电灌排工程体系。第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向二、现状1、作用地位1）我国农业生产的重要基础设施；2）防洪除涝体系的重要组成部分；3）农村经济社会发展的主要支撑；4）改善区域生态环境的基本保证；5）改善农村饮水条件的系统工程。为农业抗御水旱灾害、确保农业稳产高产、保障粮食安全、促进农村经济可持续发展、解决农村饮水安全和改善农村生态环境等发挥了重要作用，取得了显著的社会效益、经济效益和生态效益。第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向二、现状2、总体布局（仅以大型泵站为例）第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向二、现状第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向二、现状3、存在问题1）在泵站工程方面：主要存在建设标准低、设计不尽合理；工程灌排标准低、效益衰减；运行效率低、能耗高；机电设备老化严重、可靠性差；建筑物年久失修、工程安全隐患多等问题。2）在工程管理方面：主要存在管理体制不健全；“两费”难落实；水价改革滞缓且“倒挂”现象严重；自动化和信息化程度低；管理设施简陋；职工队伍素质不高等问题。这种状态已远远不能适应我国国民经济可持续发展和全面建设小康社会的需要，也无法满足资源节约型社会建设与水利现代化发展的要求。第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向二、现状另有调水泵站：为解决地区性缺水，实现对水资源的调控，我国大型泵站调水工程不断出现。这包括当前最热、最重要的南水北调东线工程。南水北调东线工程仅黄河以南就需建设的13个梯级、27座大型泵站，中线的惠南庄泵站及其沿岸的取水工程，正在规划之中的南水北调西线工程等。此外，除各地已有的如粤港供水、引黄济青、引栾入津、引黄入晋、陕西的引江济渭、云南的牛兰江调水等等地方性调水工程外，一些新的调水工程还在不断规划之中。上述剪影的工程中也包含有一些城镇给排水泵站。在我国电力、化工、石油、采矿、食品、航天航空乃至生物医学等几乎涉及到国民经济的各个行业中，泵站工程可以说是无时不有，无处不在！第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向1、进展1）机电设备主水泵：⑴20世纪80年代我国生产S型系列大中型单级双吸离心泵之后，又相继开发了KS、SB—L、KSP、XJ、XY、SLA、SAP、SA型等系列大中型离心泵产品；⑵20世纪90年代未，引进国外先进技术研制开发了SLOW型系列泵，型谱范围广，性能全面覆盖老式SH双吸离心泵，布局更合理，型号划分更细致，选型更方便，使效率与SH双吸泵相比提高2～5%；⑶针对西北地区黄河水多泥沙的实际情况，专业厂家和相关高校有效合作探究采用Q235钢板焊接离心泵叶轮、过流部件材料选用耐磨不锈钢新技术，领先国际水平，水泵性能和寿命都有显著提高；第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向⑷为提高水泵及泵装置性能，方便现场安装检修，国内生产厂家对引进技术进行消化吸收，将油脂润滑金属轴承成功应用于各种口径卧式及斜式泵上；⑸将仅包括主轴、导流体、叶轮等少量零件的水泵转子部分独立出来做成可抽出式；⑹为适应南水北调工程的需要，国家组织国内有关科研单位研制出了一系列比转速的轴流泵水力模型和一批高比转速、低扬程轴流泵装置新型式；⑺以1800ZDBX-130带行星齿轮减速为代表的潜水电泵大型化技术趋于成熟，具有国际先进水平，系列化产品逐步完善。⑻进入九十年代以来，国内在水泵CAD领域做了许多工作，尤其是在离心泵和轴流泵的水力设计和木模图绘制方面，达到了实用的程度。改变了长期以来用图解计算方法校核叶轮轴面流道第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向的传统方法，提高了设计精度。⑼CFD技术已经用于水泵的CAD水力设计。如：用于长江三峡工程排水系统潜水排污泵，则是应用了通用三维流动分析软件进行流动分析和性能预测，根据计算和预测的结果设计，在减少试验工作量的前提下使性能达到工程要求，取得了很好的效果。⑽在大型水泵制造方面，利用了在水轮机方面的制造和加工能力对大型水泵进行高温下热弯模压技术加工和五轴数控机床和棒铣刀（三轴数控机床盘铣刀）来加工，也取得一些突破性进展。主电机：灌排泵站配套用大中型电动机在性能方面的提高，主要反映在材料应用和加工工艺等方面。⑴目前我国生产的TL系列大中型同步电动机，定子采用350型第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向（原310型）冷轧矽钢片代替原热轧矽钢片，使定子铁芯的铁损大大降低，减少了电机运行温升；⑵20世纪90年代后采用新型超薄绝缘材料，并在绝缘耐温等级上提高发展了F级，不仅提高了电动机绝缘等级，而且在电机定子线槽面积不变的情况下，可增加线圈截面积提高其过流能力，即增加电机功率，非常适用于老电动机增容改造；⑶采用弹性金属塑料推力轴瓦，不仅使推力轴瓦的运行温度下降5～10℃，而且还使电动机的安装、维修更加简便；⑷推出了Y系列新型节能电机；⑸大中型电动机基本上采用真空整体浸漆工艺，可确保绕组长期可靠地运行;⑹内反馈式交流异步电机、无滑环绕线式交流异步电机、无第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向刷双馈式交流异步电机的变频调速，以及大型低速同步电动机的变极调速等最新技术。另如：全国泵站更新改造催生了“大型水泵叶片可调机组内置式液压调节器”、“节能型自由侧翻拍门”以及一些新型清污机、玻璃钢管等新设备、新产品、新技术、新成果的问世。2）泵装置系统⑴长期以来，泵装置水系统的设计仍是通过传统的工作点校核的方法来完成，由泵段及泵装置模型试验进行总体评价和验证的。CFD的问世，为泵装置的精细设计和性能预测提供了新的思路和先进的辅助手段；⑵随着计算机水平的不断提高，我国泵站工程，采用计算机进行保护与监控越来越普及，监控系统的开发与研究也进入了一第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向个全新的阶段，同时也产生了行业先进的计算机监控系统；⑶大型泵站应实现建设管理办公现代化，异地会商、专家会诊等综合业务的信息化管理。信息化已成为实现泵站现代化极其重要的手段之一；⑷泵站工程多目标综合调度最优化决策技术及系统；⑸泵站机组传统检修是定期检测、故障检修和周期检修。现代检修是在线状态监测、故障诊断和“预知”检修;⑹泵站水力过渡过程控制及水锤防护正在由单相机理向汽液两相、液固偶合机理研究方向发展、由既生水锤的被动防护向整个过渡过程主动控制方向发展、由单一措施局部向综合防护全系统控制的方向发展；第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向⑺潜水电泵站、移动泵车等新型泵站结构形式的出现。另外，目前正在积极推进关于具有中国特色的泵站工程建设和更新改造投资补助与现代化运行、信息化管理体制改革的研讨。2、差距主水泵是整个泵站工程的能源核心，这里仅探讨在水泵的设计和制造方面，我国目前的水平与国际先进水平的差距何在。总体来说：就大型泵的品种规格而言，无疑我们还是走在国际前列的，但其设计和制造等综合技术水平与国际先进水平比较还有一段距离：1）设计技术主要是两部分：一是水力元件设计；二是结构设计。关于水第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向力元件设计，由于种种原因，目前我国的水平除高比转速模型外充其量只能是国际中等水平。国外基于传统的设计绘图方法和程序，编制的水泵水力性能计算机辅助设计软件，已经发展到了相当的水平。具有一定设计经验的设计人员，应用这种软件，可以得到其水力设计的非劣解。这类软件的发展是进一步提高适用性和可靠性，能够应用具有不同技术水平人员的需要，用于宽的比转速范围，达到高的设计水平、可靠的设计质量、可信的设计结果。国外CFD技术在水泵的内流数值模拟、研究水泵内部流动规律和结构方面已广泛应用，取得了很多成果，把CFD和CAD结合起来进行设计。水泵的优化设计，一直是设计人员所追求的，国内已经有很多高校和科研机构进行水泵的CFD的研究，目前国内CFD用来分析第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向泵内部流动多一些，但是用CFD进行泵水力设计中应用还不多见；即使进行优化还只在局部进行优化。但国外水泵的优化已经完成由局部向整体，由流线向流面、流场，由静态向动态方面转化。国外用遗传算法在水泵优化设计应用并应用于水泵汽蚀试验数据的拟合，取得了令人满意的效果。2）制造工艺我国大型泵的制造工艺手段还是比较落后的，大型铸件除树脂沙造型比较先进外，一般没有大型铸件的热处理和喷沙等后处理设备。国外的表面涂层工艺运用已相当普及，包括叶片都可以采用表面涂层。我国的其他制造业中也开始采用该种工艺。另外，国内的模具通常采用的是木模，而提高铸件表面质量的最好方法是塑料模或金属模。第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向在工艺设备方面，国外大型水泵零部件的加工大多采用数控加工或专机加工，不论批量的大小，为提高其制造质量，专用工装、工夹使用较多，而国内由于受到制造价格因素影响，则很少使用，专机就更少。如叶片的表面数控加工，20世纪最好的办法是仿型铣，本世纪初才开始采用外协三坐标联动加工，目前已提高为五坐标联动加工。因此，国内外大型水泵制造差距主要还是制造设备上的差距，众所周知大型设备的投入会造成制造成本的大幅提高，就拿国内水泵行业与水轮机行业比较，差距也是相当大的，这也是为什么水轮机比水泵价格高的原因所在。3）材料技术各种新材料的开发和应用是推动水泵技术发展的一个重要的因素。目前水泵的零部件用材范围从铸铁到各类新型不锈钢，由第一节概述§8.1.2发展的历程、现状和动向三、动向金属到诸如：优质塑料、陶瓷等新型非金属材料等。各类新材料所带来的主要好处是延长水泵的使用寿命和提高其可靠性。目前，涂覆和材料的表面处理技术对于改善水泵的流动特性和耐磨