膜下滴灌工程中水泵最優(yōu)化選型的探討

姜 震

（吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021）

1 引言

國家糧食安全、水資源安全始終是推動農村經濟發(fā)展和農民增收的關鍵。但是我們國家水資源非常短缺，特別是我國北方地區(qū)水資源供需矛盾非常尖銳，干旱已成為農業(yè)生產的主要制約因素。通過近幾年東北地區(qū)“節(jié)水增糧行動”實施的效果，膜下滴灌工程為提高糧食綜合生產能力、農業(yè)節(jié)水能力，為農業(yè)增產、農民增收和現代農業(yè)建設提供了有力的支撐，以水資源的可持續(xù)利用保障了經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

膜下滴灌工程，是在膜下應用滴灌技術。這是一種結合了以色列滴灌技術和國內覆膜技術優(yōu)點的新型節(jié)水技術，即在滴灌帶或滴灌毛管上覆蓋一層地膜。這種技術是通過可控管道系統(tǒng)供水，將加壓的水經過過濾設施濾―清”后，和水溶性肥料充分融合，形成肥水溶液，進入輸水干管—支管—毛管，再由毛管上的滴水器一滴一滴地均勻、定時、定量浸潤作物根系發(fā)育區(qū)，供根系吸收。

在滴灌方式輸水灌溉中，通常是用水泵給灌溉系統(tǒng)加壓的。水泵是一種輸送和提升水的機器，它可以把原動機的機械能轉換為被輸送水的動能或勢能。因為它用途廣泛，所以它既是一種水力機械，也是一種通用機械。水泵選型的主要內容是確定水泵的類型、型號和臺數等等。水泵選擇的是否合理，不僅影響到灌溉系統(tǒng)能否按設計的工況實現正常運行，而且還將影響到今后長期運行期間費用的高低。因此，在進行膜下滴灌管道輸水灌溉工程的技術設計時，水泵的選型顯得尤為重要。

2 水泵選型

2.1 水泵選型的原則

（1）必須根據滴灌系統(tǒng)的需要滿足流量和揚程（或壓力）的要求。

（2）水泵應該在高效范圍內運行。

（3）水泵在滴灌運行周期時間內，水泵運行效率較高，能量消耗較少，運行費用較低。

（4）按所選的水泵型號和臺數設置合理的配套系統(tǒng)，工程投資較少。

（5）在設計標準的各種工況下，水泵能正常安全運行，即不允許發(fā)生汽蝕、振動和超載等現象。

（6）便于安裝、維修和運行管理。

2.2 水泵的類型

在節(jié)水灌溉工程中常用的水泵通常是葉片式泵，它是通過裝有葉片的葉輪在泵殼內高速旋轉來完成能量轉換的。葉片泵可分為三類：離心泵、混流泵、軸流泵。

由于節(jié)水灌溉工程中單個地塊控制的面積不大，所需要的流量一般都比較小，揚程除噴灌外也不算高，而且逐步有向低壓灌溉發(fā)展的趨勢，因此目前東北地區(qū)膜下滴灌工程中常用的水泵大多是離心泵，常用的離心泵泵型有：單級單吸離心泵、單級雙吸離心泵、潛水電泵、自吸泵。

2.3 離心泵的性能參數

離心泵的性能參數是用來表征離心泵性能的一組數據，包括：流量、揚程、功率、效率、轉速、允許吸上真空高度，一共有六個。

2.4 離心泵的性能曲線

由于水泵的六個性能參數之間既相互聯系，又相互制約，關系比較復雜，因此目前尚不能用數學上的函數關系準確地表達它們之間的變化規(guī)律。通常，水泵的六個性能參數之間的關系是通過水泵實驗的方法，采集水泵各相應的性能參數，在坐標圖上用性能關系曲線來表達。這個關系曲線即為水泵的基本性能曲線。指導水泵實驗的理論依據是水泵的相似率和比例率。

水泵相似率和比例率有以下用途：

（1）設計新泵型—模型泵試驗；

（2）確定相似泵性能—已知泵實驗性能；

（3）換算性能參數—已知水泵的額定工況。

對同一臺泵來說，不同轉速下性能參數之間的換算關系，即：Q1／Q2=n1／n2流量與轉速的一次方成正比；H1／H2=(n1／n2)2揚程與轉速的平方成正比；N1／N2=(n1／n2)3功率與轉速的立方成正比。

將泵的轉速n作為常量，將流量Q、揚程H、功率P、效率?和允許吸上真空高度Hs，隨流量Q變化而變化的關系，在以流量為橫坐標，揚程、軸功率、效率、允許吸上真空高度為縱坐標的坐標圖上，分別繪制成的Q–H曲線、Q–P曲線、Q–?曲線、Q–Hs曲線，統(tǒng)稱為水泵性能曲線，見圖1。

2.5 離心泵正常運行工作點的確定

水泵在實際運行時，它的工作狀況取決于以下因素。

（1）水泵的性能—由水泵性能曲線（Q–H曲線）。

（2）管路的性能—由管路特性曲線（將管路的特性曲線與需要的凈揚程，在以流量為橫坐標，揚程為縱坐標的坐標系中進行疊加，即可得到需要揚程曲線，即管路中的水頭損失隨流量變化而變化的曲線Q–H損曲線）。

圖1 300JC130-12型長軸泵性能曲線

（3）上下水位差—凈揚程（指水源水位與管路中最不利點的地形高差）。

上述三個因素中任何一個發(fā)生變化，水泵的工作狀況都要隨著發(fā)生變化。也就是說水泵運行時的實際工作點是一個動態(tài)的工作點。要使水泵處于最優(yōu)化狀態(tài)，水泵實際工作點盡量少變動，而且盡量在水泵的高效區(qū)范圍內變動。在這里必須引入一個需要揚程曲線的概念，需要揚程曲線指的是將管路的特性曲線與需要的凈揚程，在以流量為橫坐標，揚程為縱坐標的坐標系中進行疊加，即可得到需要揚程曲線，即Q–H需曲線（H需=H凈＋h損）。水泵工作點的確定，也就是水泵工作狀況的確定。

將所選水泵的流量–揚程曲線（Q–H曲線）和灌溉系統(tǒng)的需要揚程曲線（Q–H需）畫在同一坐標系中，這兩條曲線的交點，就是這臺水泵的工作點。水泵運行中的實際工作點并不一定是水泵銘牌上標注的額定工況點的值。工作點所對應的流量和揚程，就是這臺水泵正常運行時，可提供給灌溉系統(tǒng)的流量和揚程。

工作點不僅確定了 Q和 H，而且還可從水泵的 Q–P曲線、Q–?曲線、Q–Hs曲線圖上查出相對應的其他工作參數 P、?、Hs等。以便校驗水泵工作效率的高低，相對應的功率的大小，是否有汽蝕發(fā)生的危險。

同一臺水泵只要轉速不變，它的（Q–H）曲線是不變的；而灌溉系統(tǒng)運行時相對不同的輪灌組，其（Q–H需）曲線是變化的。所以這兩條曲線的交點—工作點是一個實時變動的點。

顯然，水泵的工作點是隨著灌溉系統(tǒng)的（Q–H需）曲線變化而沿著水泵的（Q–H）曲線移動的動態(tài)點。當一臺水泵不能滿足灌溉工程的需求時，可根據需要選擇多臺泵進行并聯或串聯運行。

當水泵并聯或串聯運行時，并聯或串聯后總流量揚程曲線可在流量—揚程坐標系上，以參與并聯或串聯的水泵流量揚程曲線為基礎，用作圖法得到。

作圖方法有橫加法和縱加法，（1）橫加法是指將同揚程下的流量相加；（2）縱加法是指將同流量下的揚程相加。

水泵并聯是指由幾臺水泵向一條公共出水管供水，稱為水泵的并聯工作。水泵并聯通常用于一臺水泵不足以供給所需流量的場合。水泵并聯的總揚程曲線可用橫加法畫出。并聯后的總揚程曲線與需要揚程曲線的交點為并聯時的工作點，它反映了幾臺水泵并聯時共同向公共出水管提供的流量和揚程。由該工作點畫Q軸的平行線，與每臺水泵的 Q–H曲線的交點，為并聯時每臺水泵的工作點，它反映了并聯時每臺水泵分別向公共出水管提供的流量和揚程。水泵在并聯工作時，（1）各臺水泵提供給公共出水管聯結點的壓力是相同的。（2）并聯時每臺水泵的工作點均位于其單獨向同一出水管供水時的工作點的左側。（3）并聯時每臺水泵的流量均小于它單獨向同一條管路輸水時的流量。（4）并聯時每臺水泵的功率均小于它單獨向同一條管路輸水時的功率。（5）但為水泵選配動力機時應按其單獨工作時的功率配套。

水泵串聯是指幾臺水泵順次連接，前一臺水泵向后一臺水泵的進水管供水，稱為串聯工作。通常用于一臺水泵不足以供給所需揚程的場合。水泵串聯的總流量揚程曲線可用縱加法畫出。串聯后的總揚程曲線與需要揚程曲線的交點為串聯時的工作點，它反映了幾臺水泵串聯時共同向出水管提供的流量和揚程。水泵串聯工作時，各臺水泵中通過的流量是相同的，其總揚程為該流量下各臺水泵的揚程之和。

2.6 離心泵工作點的調節(jié)

選擇或使用水泵時，當其工作點偏離高效區(qū)較遠，造成水泵運行效率太低、耗能較高、或易發(fā)生汽蝕，又找不到可以用來替代的合適的離心泵時，可對現有的離心泵進行工況調節(jié)。調節(jié)的方法有：節(jié)流調節(jié)、分流調節(jié)、變速調節(jié)、車削調節(jié)。

2.6.1 節(jié)流調節(jié)

節(jié)流調節(jié)是指通過關小水泵出水管路上的閘閥來改變離心泵工作點位置的方法。節(jié)流調節(jié)雖簡單易行，但很不經濟。一般多用在實驗室的水泵性能試驗中，實際生產中很少采用。當離心泵實際運行中工作點的位置在高效區(qū)外的右側偏離較多時，關小閘閥就相當于在管路上增加了一個局部阻力，使原管路特性曲線變陡，隨著閥門逐漸關小，其工作點就會沿著水泵的 Q–H曲線朝著流量減小的方向移動，直到工作點向左移到高效區(qū)范圍內。

2.6.2 分流調節(jié)

分流調節(jié)是指在水泵出水管上接裝一條支管或旁通管，分出部分流量來改變水泵的工作點。

當離心泵實際運行中工作點的位置在高效區(qū)外的左側偏離較多時，可安裝一條分流管以增大水泵的出水量，則其工作點就會沿著水泵的Q–H曲線朝著流量增大的方向移動，直到工作點向右移到高效區(qū)范圍內。

2.6.3 變速調節(jié)

變速調節(jié)是指改變離心泵的轉速使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工作點的目的。

變速調節(jié)的步驟為：

（1）需要的水泵工況點 B(QB、HB)不在已知轉速為nA的水泵Q–H曲線上。

（2）由比例率求出相似工況拋物線公式：k = H1／；將 QB、HB值代入，求出 k，則有：H=k Q2。

（3）在水泵的流量—揚程坐標系中畫出相似工況拋物線，與已知水泵 Q–H曲線相交于點A(QA、HA)。

（4）將需要工況點B的流量值和A點的流量值以及已知水泵額定轉速值代入比例率公式，即可求出調節(jié)后的轉速 nB=nAQB／QA。則點 B即為轉速為nB的Q–H曲線上的點。

（5）根據比例率得出式：HB／每給出已知水泵(Q–H)A曲線上的一組(QA、HA)值和 QB的值，即可求出與 QB對應的 HB的值。照此辦理，陸續(xù)求出 6～7組（QB、HB)值，并在已知水泵(Q–H)A曲線的坐標圖上點出他們的位置，將這些點連成曲線，即可得到調速后轉速為nB且過點B的(Q–H)B曲線來。

（6）由曲線(Q–H)B與Q–H需曲線可求水泵變速后的工作點。

2.6.4 車削調節(jié)

車削調節(jié)是指沿外徑車小離心泵的葉輪，以改變水泵性能曲線，達到調節(jié)水泵工作點的目的。

利用車削拋物線和車削換算公式可求出葉輪的車削量，并可畫出車削后，過需要的水泵工況點 B(QB、HB)的 Q–HB曲線。由曲線 Q–HB與Q–H需曲線可求水泵變速后的工作點。

車削調節(jié)的特點為：

（1）車削具有不可恢復性，因此應慎重選擇。

（2）車削不改變葉輪進口的尺寸，不會降低水泵的汽蝕性能。

（3）車削量有限制，不同比轉數的葉輪允許的車削量不同，在葉輪上車削的位置也不同。

3 離心泵應注意的其他問題

（1）水泵銘牌上的流量與揚程是水泵的額定流量和額定揚程。

（2）水泵制造廠家還應提供水泵的性能曲線，即流量—揚程曲線、流量—功率曲線、流量—效率曲線、流量—允許吸上真空高度曲線。選擇水泵不能僅看水泵銘牌，更重要的是應看水泵能否經常保持在高效區(qū)內運行。

（3）離心泵出口處必須安裝閘閥，不能采用快速開啟和關閉的球閥。啟動時為關閥啟動，首部應設置真空表（安裝在水泵進口處）、壓力表（安裝在水泵出口處）、流量計（安裝在水泵出水管上閘閥的后面）、逆止閥（安裝在水泵出水管上閘閥的前面），水泵揚程較高（大于 25米）時，應安裝安全閥（安裝在水泵出水管上閘閥的后面）。應利用計量儀表，配合水泵出水管路上的主閘閥，實時監(jiān)控水泵的運行。灌溉系統(tǒng)運行時，應按照每個輪灌組要求的流量，觀察流量計顯示的讀數，調整主閘閥的開度，使水泵運行時提供給灌溉系統(tǒng)的流量能滿足灌溉系統(tǒng)的實際需求。

離心泵出水管路上安裝主閘閥，不僅是實現關閥啟動減輕電機啟動荷載的要求，而且也是實現輪灌組按設計要求正常運行的保證。

（4）離心泵運行時，真空表和壓力表讀數之差，即為讀數時水泵的實際揚程。水泵進水口應安裝在動水位以下2m處。井用潛水泵配套的出水管，在經濟合理且不影響安裝和檢修的前提下，泵管可選配增大一級的管徑。

4 結語

根據以上探討，得出水泵選型步驟：

（1）根據灌溉系統(tǒng)的設計流量和設計揚程值，利用水泵產品樣本或其他技術資料中的水泵系列譜圖、性能曲線或性能參數表，初步選出揚程符合要求、流量不等的幾種水泵，并根據灌溉設計流量和每種泵型的額定流量，算出所需泵型的臺數。

（2）根據初步選出的水泵，確定管徑大小及管路布置方式，繪制管路特性曲線。根據水泵性能曲線和管路特性曲線求出在設計、平均、最高和最低揚程下的工作點。校核所選水泵在設計揚程下的流量是否滿足要求，在平均揚程下是否在高效區(qū)運行，在其他揚程下能否穩(wěn)定、安全運行。

（3）根據吸入裝置條件計算泵站裝置汽蝕余量，并根據必需汽蝕余量校核所選水泵在所有工況點能否滿足汽蝕要求。

（4）只有所選水泵能夠同時滿足上述步驟（2）和步驟（3）兩點要求，才能確定所選泵型為最優(yōu)選型。如不符合要求，可采用調節(jié)措施或另選泵型。

1 丘傳忻. 《泵站》. 中國水利水電出版社.

2 欒鴻儒. 《水泵及水泵站》. 中國水利水電出版社.

3 張志新等. 《滴灌工程規(guī)劃設計原理與應用》. 中國水利水電出版社.