国奖解读｜王福军：打造水利系统的“超强心脏”
“毛主席说‘水利是农业的命脉’，在现代社会和农业生产中泵站是水利系统的‘心脏’！”1月7日，水利与土木工程学院教授王福军在接受记者采访时说，“很多泵站在人迹罕至的深山老林或是城市地下的管网沟渠，一般人看不到泵站，但它们却时时刻刻为我们的农业生产、城市发展服务着。”大型灌溉排水泵站在农田灌溉提水、防洪排涝体系中占有重要地位，王福军带领团队奔走在祖国大山大河、城市乡村，只为守护和打造水利系统的健康“心脏”。
他领衔的“大型灌溉排水泵站更新改造关键技术及应用”项目，通过十多年联合攻关，取得了一系列创新成果，获得2017年度国家科学技术进步奖二等奖。
1月8日，一年一度的国家科技奖励大会在北京人民大会堂召开。会前，出席会议的习近平总书记等党和国家领导亲切接见并与获奖代表合影留念。聚光灯下，鲜花耀眼、掌声雷动，十几年翻山越岭、风尘仆仆的王福军此刻又是怎样的心情？也许还是他对记者说的那句话：“只有到泵站里去，我才感到踏实，只有为泵站解决了问题，我才有成就感。”
泵站是水利的“心脏”
水只会从高处往低处流，要想让地表水往更高处、更远处流动，灌溉农田，还得靠泵站。人的血液能够在周身流动，其与心脏的关系大抵如此。“1934年，毛泽东主席高瞻远瞩，指出‘水利是农业的命脉’。”王福军说，现代农业中，泵站则是水利的心脏。
大型灌溉排水泵站是指设计流量大于50立方米/秒或装机功率大于10000千瓦的灌溉排水泵站，它担负着农田灌溉与排涝任务，是保证粮食安全和生态安全的重要农业基础设施。
王福军介绍，我国泵站类型和规模均居世界之首，大型灌溉排水泵站有效灌溉面积1.92亿亩，占全国总有效灌溉面积20.1%；有效排涝面积1.37亿亩，占全国总排涝面积42.9%；年耗电约320亿千瓦时。
生产占全国总产量1/4的粮食，保护着1.5亿群众的生命财产安全，然而，大型灌溉排水泵站普遍存在装置效率低、运行稳定性差、供水保证率不足的问题，面临着艰巨的更新改造任务。
“目前我国大型灌溉排水泵站的布局是上世纪70~80年代确定的，运行到现在出现了老化和性能下降的情况，还受到了河湖水位变幅大、水中泥沙含量高等客观因素及泵站技术体系不健全等主观因素限制。”王福军及其团队调研了全国百余处（座）大型灌溉排水泵站，敏锐地指出了共性问题所在。
在美国、荷兰、中国等世界多数国家，灌溉排水泵站均是农业领域最为耗能的设施装备。王福军以一座小型泵站为例算了一笔账：一台泵功率7500千瓦，全天24小时运转将耗电近20万度，按照一座泵站装8台泵、一度电1元算，一天的电费就得160万元。许多大型泵站用电更多。
“大型灌溉排水泵站必须要提高运行稳定性和节能降耗，这也是我们更新改造关键技术研究的主要目标。”王福军说。
项目组自2006年开始，在国家科技支撑计划和国家自然科学基金重点项目等支持下，依托水利部“全国大型灌溉排水泵站更新改造项目（2010—2015）”，采用理论分析、数值模拟、模型试验与现场测试相结合的方法，系统开展了大型灌溉排水泵站更新改造关键技术研究，取得了一系列创新性成果。
王福军教授向 Journal of Fluid Engineering主编Bart van Esch教授介绍水泵试验研究成果
水利工程的“换心术”
山西尊村灌区一座泵站，2009年进行机组更新，安装了4台某知名水泵公司设计制造的大型双吸离心泵，投入运行后不到一个月，因压力脉动大而导致振动突出，叶片出现裂纹，于是泵站就此“罢工”。2012年尊村引黄灌溉管理局采用王福军团队的技术为泵站换“心脏”。
王福军形象地描述，泵站压力脉动大，如同人的心脏跳动快，会带来稳定性差、噪声大、磨损、泄露等一系列问题。尊村泵站实现了安全稳定运行，新换的泵正是项目组研制出的超低压力脉动高效双吸离心泵。
项目组首次发现离心泵叶片载荷分布对压力脉动有显著影响，在此基础上形成了定量化的离心泵“交替加载技术”，设计了交替加载式双吸离心泵。叶轮呈“V交错构形”，与传统叶轮明显不同。传统叶轮存在的螺旋流动现象在交替加载式叶轮内基本消失。
水的流动会形成涡，如果我们仔细观察，会发现桥墩尾部有动态涡街。大型灌溉排水泵站也是如此，前池与进水池存在不同尺度涡街以及表面涡、附壁涡等。这是导致机组运行稳定性差的主要原因之一。
项目组基于瞬态涡街计算模型，提出了以变高度导流墩和X型消涡板为结构特征的泵站控涡技术。其中，设置于前池并与最低水位平齐的八字型导流墩用于消除大尺度回流涡；其后顺水逐渐降低的川字型导流墩用于对八字墩尾部瞬态涡街进行二次整流；末端的X型消涡板用于消除附底涡和附壁涡。
广东永湖泵站，其前池存在大尺度旋涡及附壁涡。王福军团队为之新增设八字墩和川字墩。改造后，泵站回流系数达到0.166，优于国内外现有技术所能达到的0.218；水泵振动烈度由5.96毫米/秒下降至2.37毫米/秒，泵站运行稳定性大幅度提高。
王福军介绍，大型灌溉排水泵站一般采用蝶阀或球阀进行工况调节，由于依赖液控或电控等外部动力源，在停泵时不可避免地存在一些问题：若提早关闭，形成直接水锤；若延迟关闭，又有倒流喘振。
项目组实现了摆脱外部动力源的束缚，只靠水压能量进行启闭控制。依据“泵站自适应多段式控制模式”，创制了由阀前后水流压差驱动的自平衡式水力控制腔，用于驱动大小两个独立阀板。如此，新控制阀让泵站直接水锤发生概率和倒流喘振发生概率由传统的40%左右直接降为零。
项目组集成创新了浑水条件下泵站流道“流态匹配技术”，制订了泵站高效稳定运行技术规范，解决了泵站偏离设计工况运行问题。该项成果有力支撑了我国大型灌溉排水泵站更新改造技术标准体系，几乎应用到了全国近五年改造的所有大型灌溉排水泵站，装置效率平均提高13.4%。
王福军教授向水利部专家组介绍项目组所研制低扬程大流量水泵叶轮
打造水利“超强心脏”
与国内外同类技术对比，王福军团队“大型灌溉排水泵站更新改造关键技术及应用”中4项关键技术的指标参数均是占优的，或者是填补该领域国内外空白的。
以泵为例，项目组所研制的比转速125的交替载加载式双吸离心泵水力模型，经第三方测试，最优效率达90.6%，压力脉动只有6.56%。而目前国外同类产品的最优效率为89.0%，压力脉动约为11.56%。
王福军团队成果已在129处（座）大型灌溉排水泵站得到应用，占列入水利部“全国大型灌溉排水泵站更新改造规划（2010—2015）”并已完成更新改造的大型泵站总量的67%，覆盖黄河流域80%以上的大型灌溉泵站。
国内大型水泵制造厂采用交替加载技术制造的大型离心泵已达8400台，在山西尊村泵站等大规模应用。控涡技术已在全国80多座泵站得到应用。新控制阀在甘肃西岔泵站、福建鸭姆潭左泵站等泵站得到应用。安徽众兴泵站应用流态匹配技术，泵站装置效率由原来的61.8%提高至79.4%，能源单耗下降至3.91千瓦·时/千吨·米……
在该项目整体技术大规模应用之前，我国大型灌溉排水泵站装置效率平均只有40%，水泵压力脉动高达33%，灌溉/排水保证率不足60%。换泵、控涡、换阀，实现最佳匹配，围绕“心脏”的一系列改造让大型灌溉排水泵站获得了新生机。
如今，大型泵站能源单耗平均降低1.1千瓦·时/千吨·米，压力脉动平均下降到9.1%，灌溉保证率提高9.4%。根据应用证明统计，近三年内为国家节电5.03亿千瓦·时，增产粮食11.87亿公斤，取得了显著的社会和经济效益。
“中国农业大学、中国灌溉排水发展中心、中国水利水电科学研究院、株洲南方阀门股份有限公司、上海连成（集团）有限公司等，我们是一个团队，分工明确、优势互补、联合攻关，共同建立了项目主要成果。”王福军说。
项目成果覆盖我国灌溉排水面积1.67亿亩，提高了这些区域的灌溉保证率及综合供水能力，保障了粮食生产和人畜饮水需求，提高了排涝能力和排涝标准。
这，正是科学家们心中最愿意看到的场景。
