-南水逆流北上——南水北调工程大型泵站设计走在世界前列
发布时间:2021-02-03
浏览次数:704
-南水逆流北上——南水北调工程大型泵站设计走在世界前列

南水北调工程水泵机组

江都水利枢纽装置

冬日的江都水利枢纽横贯在长江与运河之间,伴随着泵站机组一声轰鸣,清澈的江水由此浩荡北去。这里是南水北调东线工程的原点,也是世界上最大规模泵站群的“龙头”。

由江都水利枢纽往北,13个抽水梯级,51座大型泵站(一期工程已完成21座),构成了世界水利史的一大奇迹。南水北调东线工程地势北低南高,无法通过自流引水。为实现南水北调,需要强劲的外力“逆流引水”,所有的动力正源自水利心脏——大型泵站。

在这项世纪工程里,一代代科研工作者花了整整60年时间,水利工程领域专家、中国工程院院士吴中评价说,从最初泵装置效率只有65%到如今南水北调泵站整体效率达到80%以上,泵站设计水平达到了世界先进水平。

逆流而上,将百亿吨水提到10层楼高

早在1954年,为解决苏北缺水难题,江苏省开始酝酿“扎根长江、引江济淮”的江水北调工程,这便是南水北调工程的前身。

事实上,要将南方的水引入北方谈何容易。将长江水调到北方,有30多米落差,仅江都站上下水位差就达6-8米。

如何让江水克服自然规律,逆流而上到达有30余米落差的北方?怎样建设这样一座世所罕见的大型泵站?会不会产生江水倒灌等负面效应……一个个问题摆在了现实面前。经过一系列的疑问、争论,经过无数水利专家多年的论证,最终探索出一条极富想象力的工程方案,“让长江水爬楼梯去苏北!”

即沿途设计九级大型泵站,像楼梯一样,逐级向上提水。1961年12月,江都水利枢纽江都一站开工建设,这是当时国内首屈一指的大型泵站,也是当前南水北调的东线源头。

“很多创造和尝试都是第一次!”中国水利学会泵及泵站专业委员会副主任委员、江苏省水利动力工程重点实验室教授刘超对此记忆犹新,大型泵站设计是一项系统工程。建设江都一站这样一座泵站,国内没有现成图纸,从国外也没法找到资料,研发和设计几乎从零开始。

2002年,在江苏省江水北调的基础上,南水北调东线工程正式启动,计划建成后年均调水148亿立方米。这是要每年将百亿立方米水提到10多层楼高。为了实现这一目标,工程在山东境内又增添了四级泵站,总数达十三级之多,工程难度可想而知。

自主创新,为南水北调定制“中国心”

“上世纪60年代的工业制造条件很难建造出复杂的流线型叶轮结构。有的水泵叶轮甚至是木头制作的。”南水北调东线一期工程建设验收组专家,已经81岁的严登丰教授回忆说,不少泵站工程处于一种“有站无心”的状态。

此外,不同流量和扬程的泵站要想达到最佳效率,每一座泵站的水泵都需要单独选型,甚至重新设计,也就是说,每一座泵站的设计都需要“量体裁衣”。

从60年代泵站规划到21世纪初南水北调东线一期工程设计,再到即将启动的二期工程,科研团队从水泵内部流动机理开始摸索,设计新型水力模型,再到钻研大型泵站运行的经济性和可靠性……先后开发各类水泵水力模型20余副,从无到有,逐渐实现我国大型低扬程泵理论和关键技术等系列突破。

江都水利工程管理处党委书记夏方坤介绍说,如今江苏江都水利枢纽一共有4座泵站,采用的都是我国科研团队自主研发的轴流泵水力模型。

江都水利枢纽就兼具“送水”和“排涝”两大功能。除了“引江北送”之外,它的另一项功能就是当苏北发生洪涝时能够反向引流“排涝入江”。为了实现双向抽水目标,源头工程的4座泵站都是采用“侧向进水’,即来流方向与泵站引水方向相互垂直。

这样的结构给泵站设计带来了新挑战,当水流垂直拐弯时,流向改变,一方面会导致泵站进水口大量泥沙淤积;另一方面,产生的回流和漩涡进入泵站会导致机组振动、效率下降。

为了给源头工程疏通“血栓”,扬州大学水利科学与工程学院从本世纪初就开始投入到相关项目研发,之后近20年时间里,团队先后开启三次大规模系统攻关。从数值模拟到模型实验,从工程建设到优化改进,每一次推进都是无数次尝试,最终制定出大型泵站引河消除回流和流速再分布优化方案,研发了底坎、立柱、“Y”形导流墩等水流调控技术,累计获批各类发明专利10余项。

敢于质疑,泵站设计水平跻身世界前列

如果说泵站是调水工程的心脏,那么泵站的进、出水流道则是与“心房”紧密相连的“大动脉”。很长一段时间,国内外普遍重视水泵的研发,但对进、出水流道的水力设计不够重视。对南水北调这样的大型工程来说,效率每提高1个百分点,每年都能节省上亿元费用。

2003年,宝应站是南水北调东线工程兴建的第一座泵站。当时,该站引进了日本的水泵设备和技术,一些专家主张整个泵装置成套引进,包括进出水流道等也同样引进。

扬州大学教授陆林广是国内较早从事流道设计的专家之一。他汲取了计算流体动力学和运筹学中先进的理论及方法,实现了流道水力设计从一维到三维方法的跨跃。当时,陆林广凭借研究经验,对日方设计的流道提出了质疑。他用自己的研究成果为宝应站重新设计了流道,经过泵装置模型试验检测,新流道的使用使得泵站效率提高了2%。

陆林广将自己设计的方案与建议报给了上级相关部门。这场中外专家的方案争执在当时引起了不小轰动,负责部门为此重启论证程序,有关领导顶住压力,最终拍板宝应抽水站采用陆林广的流道设计方案。

2006年,宝应抽水站建成后,有关部门进行的现场测试表明,水泵机组运行稳定,泵装置效率达到82%以上,创造了国内外低扬程泵站泵装置效率最高纪录。

在事实面前,日本专家对中方的流道设计不得不表示认同。如今,东线一期工程新建泵站21座,除了采用全套进口设备和技术的6座泵站外,他们独立承担了其中15座泵站的流道水力设计任务,超过了总量的三分之二。

从叶轮设计到流道优化,再到泵站整体运行……60余年来,我国科研团队以南水北调工程(原江水北调)为工程原点,泵站建造相关技术累计应用到国内外近百泵站建设中。

江水汤汤,岁月流转。无数的“首次”“第一”凝铸成一代代水利科研团队坚守南水北调科研一线的执着,也见证着现代版“大禹”敢于争先的责任与担当。



关注【深圳科普】微信公众号,在对话框:
回复【最新活动】,了解近期科普活动
回复【科普行】,了解最新深圳科普行活动
回复【研学营】,了解最新科普研学营
回复【科普课堂】,了解最新科普课堂
回复【科普书籍】,了解最新科普书籍
回复【团体定制】,了解最新团体定制活动
回复【科普基地】,了解深圳科普基地详情
回复【观鸟知识】,学习观鸟相关科普知识

听说,打赏我的人最后都找到了真爱。