多相流叶轮在扬黄泵站边排机组的应用分析

摘要：针对黄河含沙水流条件下扬水泵站叶轮汽蚀磨损严重、流量衰减快、运行效率低等突出问题，以陕甘宁盐环定扬黄工程二泵站边排机组为研究对象，系统分析了基于多相流理论设计的抗磨蚀叶轮改造前后机组运行数据。研究表明：改造后叶轮采用“多相流设计理论+CFD仿真技术”的水力模型，结合ZG06Cr13Ni4Mo材质及排沙槽结构，使机组全年能源单耗降低0.06kW·h/kt·m，机组效率提升3.84%，年累计上水量增加65.9万m³；改造后叶轮运行一年无明显汽蚀蚀点，抗磨蚀性能显著优于原叶轮。多相流叶轮技术在黄河高扬程泵站边排机组中具有良好的适应性，可有效抑制流量衰减、延长检修周期、降低运维成本。

关键词：扬黄泵站；多相流叶轮；抗磨蚀；流量衰减；能源单耗

引言

黄河是我国西北地区重要的水资源命脉，但其水体含沙量高、泥沙颗粒硬质矿物占比大，对泵站过流部件尤其是叶轮造成严重的磨蚀损伤。陕甘宁盐环定扬黄工程作为解决革命老区饮水安全、发展灌溉农业的国家重点扶贫工程，自1992年投运以来，长期面临水泵叶轮汽蚀磨损、流量衰减、运行效率下降等突出问题。原泵叶轮运行约两年即出现不同程度的汽蚀，流量衰减明显，且进口配件价格昂贵，成为制约工程安全高效运行的技术瓶颈。

1多相流叶轮设计技术原理

1.1 多相流设计理论

传统泵水力设计基于单相清水介质假设，未考虑固相颗粒对流场的影响。黄河含沙水流属于典型的气-液-固多相流体系，固相颗粒的存在改变了流道内速度场与压力场的分布规律。兰州兰泵有限公司以盐环定扬黄工程水泵运行实际工况为依据，在多相流理论框架下，将固相颗粒作为独立相引入控制方程，建立考虑颗粒惯性、拖曳力及湍流扩散作用的数学模型，实现了含沙水流条件下泵内流场的精准模型。

图1.1叶轮改造部件结构图

1.2 CFD仿真与水力优化

在三元流设计理论基础上，将“多相流设计理论”与“CFD流体动力学仿真技术”相结合，设计出复杂曲面形状的叶轮叶片。通过数值模拟优化叶片进出口安放角、包角及叶片载荷分布，使流体在叶轮流道内流动更加平稳，速度分布更加均匀，有效避免脱流和漩涡的形成，从水力设计层面提升了泵的抗汽蚀性能。

图1.2叶轮设计示意图

1.3 抗磨蚀结构设计

在进入密封间隙前的叶轮盖板处设计排沙槽结构。当带固体颗粒的介质进入排沙槽时，固体颗粒因密度大而速度降低、离心力减小，出现液固分层现象，最终将固体颗粒甩出密封间隙，避免了颗粒物进入密封环磨损间隙，从根本上延长密封环使用寿命。

图1.3排沙槽设计示意图

1.4 抗磨蚀材料选择

叶轮选用ZG06Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢，该材料具有良好的强度、韧性和抗空蚀性能。在叶片局部及叶轮口环部位进行表面硬化处理（碳化钨喷涂），进一步增强了叶轮抗磨蚀性能。双吸密封环采用不锈钢材质并内表面硬化处理，采用加宽加厚设计，增加密封长度，降低泄漏量。

2 数据采集与分析方法

2.1 研究对象与数据来源

研究对象为盐环定扬黄工程二泵站1#机组（边排机组）。该机组于2018年4月投入运行，2024年春检前使用原装安德里茨叶轮，2024年4月完成多相流叶轮改造并开机运行。数据来源于泵站自动化监控系统，采集时段为2023年1月至2024年12月，涵盖改造前后各一个完整水文年。

2.2 阶段划分方法

根据盐环定扬黄工程灌溉制度及渠道杂物季节性特征，将上水期划分为三个时段：春灌时期（3月-5月），渠道杂物以风滚草为主，过流条件较差；夏秋灌时期（6月-9月），渠道杂物较少，过流条件最优；冬灌时期（10月-11月），渠道杂物以落叶为主，过流条件较差。采用同一阶段、同一机组改造前后对比分析的方法，消除季节性和运行条件差异对评价结果的影响。

2.3 评价指标体系

选取以下指标进行综合评价：单机流量（m³/s）、累计上水量（万m³）、能源单耗（kW·h/kt·m，即千瓦时每千吨米）、机组效率（%）、振动幅值（mm/s）、绕组温度（℃）、轴承温度（℃）及叶轮磨损程度。

3 结果与分析

3.1 年度综合运行性能对比

二泵站1#机组叶轮改造前后年度运行数据如表1所示。

表1 二泵站1#机组叶轮改造前后年度运行数据对比

数据表明：2024年改造后机组全年累计上水量3933.1万m³，较2023年增加65.9万m³（增幅1.70%）；累计用电量1164.8万kW·h，较2023年减少0.3万kW·h；能源单耗由3.67降至3.61 kW·h/kt·m，降幅1.63%；机组效率由79.71%提升至83.55%，提高3.84个百分点。值得注意的是，改造后机组运行时数增加330.6小时（增幅9.07%），而平均单机流量下降0.11 m³/s，这反映了改造后机组在更低流量区间维持稳定运行的特性，也是流量衰减得到有效抑制的间接证据。

3.2 不同灌溉时段运行性能对比

3.2.1 春灌时期

春灌期间渠道杂物较多、进水条件较差，是检验叶轮抗干扰能力的关键时段。表2对比了改造前后春灌时期的运行数据。

表2 二泵站1#机组春灌时期运行数据对比

春灌数据显示：改造后上水量增加144.1万m³（增幅15.00%），机组效率大幅提升11.93个百分点达到92.90%。虽然平均单机流量下降0.21 m³/s，但运行时数增加354.8小时，表明改造后机组在进水条件较差的春灌期间能够维持更长时间稳定运行，流量衰减速度显著减缓。能源单耗降低0.05 kW·h/kt·m，节能效果明显。

3.2.2 夏秋灌时期

夏秋灌是全年供水主体时段，渠道杂物较少，进水条件最优。

表3 二泵站1#机组夏秋灌运行数据对比

夏秋灌数据显示：改造后上水量减少104.5万m³，运行时数减少71.4小时，机组效率下降2.21个百分点。需特别说明的是，2024年夏秋灌期间1#机组与2#机组存在“两机一管”运行工况（两台机组共用一条出水管道），2#机组运行频率调整至46.6 Hz（低于额定频率47 Hz），导致1#机组被迫在低效区运行。改造后机组在低效区仍保持了较低的能源单耗（3.58 kW·h/kt·m，优于改造前的3.62），表明多相流叶轮在偏离设计工况时仍具有较好的水力性能。

3.2.3 冬灌时期

表4 二泵站1#机组冬灌运行数据对比

冬灌期间平均单机流量相同（2.71 m³/s）的条件下，改造后机组能源单耗降低0.08 kW·h/kt·m，机组效率提升5.29个百分点，效率提升最为显著。这也印证了多相流叶轮在低流量工况下具有更优的水力效率。

3.3 运行参数对比分析

对改造前后机组关键运行参数的统计分析如表5所示。

表5 二泵站1#机组关键运行参数对比

分析表明：改造后各时段平均功率、定子电流均显著低于改造前，降幅分别约为5-11%和7-10%，这与改造后流量下降直接相关，同时也反映了新叶轮水力效率的提升。值得注意的是，改造后振幅均值略有上升（春灌由1.4增至1.8 mm/s，夏秋灌由1.2增至1.7 mm/s），分析认为这与改造后机组长期在两机一管工况下低流量运行有关——当2#机组运行频率低于47 Hz时，1#机组实测流量降至2 m³/s，偏离了叶轮高效区，导致振动增大。在单机单管运行模式下（2024年夏秋灌期间短时出现），1#机组最大流量可达3.13 m³/s，振动值处于正常范围。

绕组温度改造后显著降低，春灌期间平均绕组温度由64℃降至50℃，降幅21.9%，表明电机负载减轻、散热条件改善。轴承温度改造前后基本持平，变化在±3℃以内。

3.4 叶轮磨损情况对比

2023年度运行结束后对改造前叶轮进行检查，发现口环磨损严重，叶轮局部存在明显汽蚀蚀点。口环间隙因磨损增大，导致容积效率下降，这是造成流量衰减的主要原因之一。

2024年度运行结束后对改造后叶轮进行检查：叶轮间隙适中，叶片表面光滑，无明显汽蚀蚀点；内侧口环存在局部磨损，但程度远轻于改造前；泵壳存在涂层脱落现象，建议后续优化涂层工艺。

对比表明：基于多相流理论设计的叶轮抗汽蚀性能显著优于原叶轮，运行一年后仍保持良好状态。

3.5 流量衰减特性分析

原叶轮在边排机组运行中存在显著的流量衰减现象：开机后约一周，流量由2.85-3.00 m³/s下降至2.70 m³/s，需采取压阀操作（压阀前流量2.7 m³/s，压阀后可恢复至3.1m³/s）才能维持机组在高效区运行。压阀操作实质是通过增加出口阻力改变水泵工作点，虽可短期提升流量，但增加了能耗，且频繁操作影响设备寿命。

改造后叶轮流量衰减速度明显减缓。2024年春灌期间，1#机组持续运行1242.5小时，未出现需压阀操作的工况；平均单机流量2.71m³/s，运行末期与初期流量差值小于0.1m³/s。排沙槽结构有效防止了固体颗粒进入密封间隙，维持了密封环的配合间隙，从而减缓了容积效率下降和流量衰减。

4 讨论

4.1 多相流叶轮技术的适用性分析

多相流叶轮技术在盐环定扬黄工程二泵站边排机组的成功应用，验证了其在黄河含沙水流条件下的技术适应性。核心优势体现在：（1）水力设计层面，多相流理论与CFD仿真结合优化了叶片型线，改善了叶轮流道内固液两相流场分布，降低了固相颗粒对叶片的冲击磨损；（2）结构设计层面，排沙槽设计从流道组织角度解决了密封环磨损问题，具有创新性；（3）材料层面，ZG06Cr13Ni4Mo配合表面硬化处理，显著提升了抗磨蚀能力。

4.2 边排机组特殊工况的应对策略

边排机组由于紧邻前池边壁，进水条件较中间机组差，旋涡、回流等不良流态更为突出，对叶轮抗汽蚀性能要求更高。本研究表明，多相流叶轮在边排机组的应用效果优于原叶轮，即使在春灌期间进水条件较差的情况下，仍能维持稳定运行。后续可进一步优化前池整流措施，改善边排机组进水条件，充分发挥多相流叶轮的性能潜力。

4.3 研究的局限性

本研究存在以下局限性：（1）仅对单台边排机组进行改造对比，样本量有限；（2）夏秋灌期间存在“两机一管”运行工况干扰，影响了数据的净效应分析；（3）叶轮磨损评价以定性检查为主，缺乏定量的磨损深度、质量损失等数据；（4）改造前后运行水位、前池流态等边界条件存在差异，可能对结果产生一定影响。

5 结论

（1）多相流叶轮改造后，二泵站1#机组全年累计上水量增加65.9万m³，用电量减少0.3万kW·h，能源单耗降低0.06 kW·h/kt·m，机组效率提升3.84%。在不同灌溉时段中，能源单耗降幅0.04-0.08 kW·h/kt·m，机组效率提升-2.21至+11.93个百分点。

（2）改造后叶轮运行一年无明显汽蚀蚀点，抗磨蚀性能显著优于原叶轮。排沙槽结构有效防止了固体颗粒进入密封间隙，减缓了容积效率下降。

（3）流量衰减特性得到显著改善。改造前运行约一周即需压阀操作维持流量，改造后春灌期间连续运行1242.5小时未出现需压阀操作工况，流量衰减速度明显减缓。

（4）多相流叶轮技术在黄河高扬程泵站边排机组具有良好的适应性，可实现设备国产化替代、降低运维成本、延长检修周期，建议在同类扬黄泵站推广应用。

参考文献

[1] 李秋玮.交错叶轮离心泵水力特性及泵站前池整流研究[D].武汉大学,2011.

[2] 宋冬梅,雷明川,等.交错布置叶片对双吸离心泵压力脉动特性的影响研究[J].大电机技术,2014(6):47-51.

[3] 罗兴锜,吴大转.泵技术进展与发展趋势[J].水力发电学报,2020,39(6):1-17.

[4] 宁夏回族自治区科学技术厅.宁夏盐环定扬黄工程节能增效关键技术研究与应用[R].2022.

[5]王皓宇.离心泵稠密多相流动与冲蚀磨损数值模拟研究[D].东南大学,2024.

作者简介

姓名：路永强 性别：男  民族：汉族    出生日期：1987.09.06  籍贯：甘肃靖远 职务/职称：中级工程师  学历：大学本科   研究方向：黄河流域高扬程扬水泵站运行管理，机变电设备、自动化信息化运行维护及发展