基于潛水泵串并聯(lián)技術(shù)的移動電力提灌站研究

周小波，曾文明，李光輝，阮紅麗，梁 君，李玉玲，盧 珍(四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院，成都 610066)

1 概 述

提灌站是保證丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水的重要基礎(chǔ)設(shè)施。以四川為例，目前全省各類型的農(nóng)村機(jī)電提灌站超過4萬座，總裝機(jī)功率達(dá)到120 萬kW以上，有效灌面106.67萬hm2以上。機(jī)電提灌站擔(dān)負(fù)著全省1/3以上的水稻常年提水保栽保苗任務(wù)，為全省較大規(guī)模的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)、特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)基地保駕護(hù)航作用顯著，負(fù)責(zé)旱情發(fā)生時保生產(chǎn)、解人畜飲水困難的巨大作用。丘陵地區(qū)地形復(fù)雜，地形情況不同, 則對機(jī)電提灌設(shè)施的要求也不同, 通常來講, 處于丘陵山地頂部的地塊面積相對山下地塊面積較小，滿足這一部分地塊的灌溉需求，則要求提灌站具有較高揚(yáng)程, 反之，處于丘陵山坡中下部的地塊，由于自然原因，土地面積相對山頂要大一些，這部分地塊的灌溉蓄水量相對山頂要大一些，則要求提灌站能提供較大流量[1]，以提高作業(yè)效率?；谶@樣的技術(shù)需求，為了進(jìn)一步擴(kuò)大移動電力提灌站的使用范圍，研究開發(fā)了以井用多級潛水泵為抽水機(jī)組的移動式電力提灌站。當(dāng)?shù)匦温洳畛^100 m時，單級離心泵就很難滿足要求，多級離心泵則體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合在移動提灌站中采用。井用潛水泵由于結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)成熟，安裝方便，正被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉、市政供水、石油、化工等領(lǐng)域。其機(jī)組型號系列豐富，揚(yáng)程和流量范圍廣，非常適合在丘陵山區(qū)使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 原理設(shè)計

根據(jù)丘陵山區(qū)地形和田塊特點，為了達(dá)到一套機(jī)組滿足高低地形不同的抽水需求，期望機(jī)組能方便地在串聯(lián)和并聯(lián)兩種運行模式中自由切換，這是本研究重點解決的技術(shù)難點之一。與其他類型的水泵不同，井用潛水泵的電機(jī)在泵體下端，進(jìn)水口在電機(jī)與泵體的連接處，處于整個機(jī)組的中部。由于沒有進(jìn)水管作為連接基礎(chǔ)，井用潛水泵很少用于串聯(lián)運行，并聯(lián)運行則很容易實現(xiàn)。對水泵串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，應(yīng)用我們自有的“潛水泵集成裝置”專利技術(shù)，通過合理設(shè)計進(jìn)出水管道和控制閥門，實現(xiàn)了潛水泵出串并聯(lián)運行，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

①-1號潛水泵；②-2號潛水泵；③-1號真空罐；④-2號真空罐；⑤-1號換向閥；⑥-2號換向閥；⑦-1號止回閥；⑧-2號止回閥；⑨-吸入口網(wǎng)罩；⑩-吸水管；-出水管。圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System schematic diagram

當(dāng)水泵并聯(lián)運行時，水從吸入口網(wǎng)罩9進(jìn)入吸水管10，通過管道分別進(jìn)入兩臺水泵真空罐中，換向閥6開啟下和右通路，換向閥5開啟左和右通路，整套機(jī)組進(jìn)行并聯(lián)作業(yè)；當(dāng)需要水泵串聯(lián)運行時，水從吸入口網(wǎng)罩9進(jìn)入吸水管10，通過管道分別進(jìn)入1號水泵真空罐中，換向閥6開啟上和右通路，換向閥5開啟左和下通路，經(jīng)過1號潛水泵加壓的水從管道進(jìn)入到2號潛水泵的真空罐中，再從2號潛水泵的吸入口進(jìn)入泵體，經(jīng)過2次加壓，從出水管11流出，機(jī)組進(jìn)行串聯(lián)作業(yè)。串聯(lián)和并聯(lián)的轉(zhuǎn)換，主要通過調(diào)節(jié)兩只換向閥來進(jìn)行，操作十分方便。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在原理設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用三維設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示，加工完成后的機(jī)組如圖3所示：

圖2 車體三維軸測圖Fig.2 3D axis measurement of car body

圖3 車體實拍圖Fig.3 Actual figure of car body

結(jié)構(gòu)上利用潛水泵集成裝置，解決了二級潛水泵的吸水問題，實現(xiàn)了井用潛水泵的串聯(lián)運行。同時在并聯(lián)運行時，潛水泵集成裝置也大大地改善了潛水泵進(jìn)水口吸入條件，保證了設(shè)備平穩(wěn)運行。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

由于本設(shè)備研制的初衷，是要解決復(fù)雜多變情況下的提灌站抽水問題，期望該套設(shè)備能夠盡可能拓寬其使用范圍，并保證其節(jié)能功效運行，在控制上采用了變頻控制技術(shù)。其中，一級泵采用工頻運行，二級泵采用變頻運行。這樣，當(dāng)現(xiàn)場情況發(fā)生變化時，可以自如地調(diào)節(jié)二級泵的電流頻率，從而改變其運行轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)工況的目的。

3 性能實驗

3.1 水泵串聯(lián)運行的基本原理

傳統(tǒng)意義上的水泵串聯(lián)就是將前一臺水泵的壓水管作為后一臺水泵的吸水管，使水依次以同一流量通過各臺水泵，從而得到多次加壓，取得更大揚(yáng)程的一種運行方法[2]。由于潛水泵是直接淹沒在水下運行，在結(jié)構(gòu)上沒有吸水管，因此，在實際工程應(yīng)用中，幾乎沒有將潛水泵應(yīng)用與串聯(lián)運行的先例。但是在丘陵地區(qū)的提灌站工程中，由于地形落差大，水源情況復(fù)雜，普通離心泵不能完全滿足要求，潛水泵仍然在提灌站工程中大量采用。潛水泵串聯(lián)與普通離心泵串聯(lián)的基本原理是相同的，在串聯(lián)時理論上認(rèn)為各臺水泵的原有特性不變，在整個裝置不斷流的情況下，根據(jù)水流連續(xù)原理，各臺水泵的流量應(yīng)一致，而總揚(yáng)程為各水泵在該流量下的揚(yáng)程之和。

3.2 水泵并聯(lián)運行的基本原理

丘陵地區(qū)的坡地中下部，地塊面積比丘陵山地頂部要多，這時我們期望提灌站能提供更多的流量，而不需要太高的揚(yáng)程，因此將水泵并聯(lián)起來就能很好地解決這一個問題。潛水泵并聯(lián)相對于串聯(lián)要更容易實現(xiàn)，但也要注意一些問題。并聯(lián)運轉(zhuǎn)的幾臺水泵的揚(yáng)程應(yīng)該基本相等，并且揚(yáng)程曲線應(yīng)該是下降的，否則揚(yáng)程低的水泵不能發(fā)揮作用，甚至可能從揚(yáng)程低的那臺泵倒流。為了防止這一現(xiàn)象發(fā)生，通常在幾臺并聯(lián)的水泵出口應(yīng)該設(shè)置止回閥。并聯(lián)運行后，各臺水泵的揚(yáng)程基本保持不變，流量小于幾臺并聯(lián)泵流量的總和[3]。

3.3 水泵性能測試

全部設(shè)備安裝制作完成后，在四川省泵類及通用設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗站的B級精度的水泵臺架上對樣機(jī)進(jìn)行了性能測試。測試方法按照GB/T3216-2005《回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗1級和2級》的相關(guān)要求，分別對單機(jī)、串聯(lián)運行和并聯(lián)運行進(jìn)行了測試，標(biāo)準(zhǔn)中對被測水泵機(jī)組是否滿足性能要求的判定方法有具體條款規(guī)定，規(guī)定性能點QSP、HSP為中心,以容差QSPXQ和HSPXH為長短半軸畫一個橢圓。如果試驗曲線與公差帶橢圓相交或相切,可認(rèn)為滿足規(guī)定性能,否則就不滿足規(guī)定性能[4]。

配套水泵的性能參數(shù)如表1所示。

表1 250QJ100-54-25型潛水泵參數(shù)表Tab.1 Submersible pump parameter table of 250QJ100-54-25

對單機(jī)測試的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 1號機(jī)組單機(jī)運行測試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Test data results of unit 1 unit operation

根據(jù)實測結(jié)果，水泵性能特性曲線如圖4所示。

圖4 250QJ100-54-25型潛水泵性能特性曲線圖Fig 4 Performance characteristic curve of 250QJ100-54-25 type submersible pump

根據(jù)該泵的性能特性曲線可以看出，采用十字線判定法，樣機(jī)水泵的性能參數(shù)滿足要求。

對機(jī)組串聯(lián)測試的數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)實測結(jié)果，水泵串聯(lián)運行的性能特性曲線如圖5所示。

圖5 250QJ100-54-25型水泵串聯(lián)運行性能特性曲線圖Fig.5 Performance characteristic curve of 250QJ100-54-25 type Submersible pump

根據(jù)該水泵串聯(lián)運行性能特性曲線可以看出，采用十字線判定法，機(jī)組運行特性曲線滿足設(shè)計要求。

對機(jī)組并聯(lián)測試的數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)實測結(jié)果，水泵并聯(lián)運行的性能特性曲線如圖6所示。

根據(jù)該水泵串聯(lián)運行性能特性曲線可以看出，采用十字線判定法，機(jī)組運行特性曲線滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

在本研究中，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，解決了潛水泵串聯(lián)的問題，從而擴(kuò)大了潛水泵的使用范圍，一套機(jī)組實現(xiàn)了多工況運行，非常適合在丘陵山區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。同時，該套設(shè)備經(jīng)過簡單改進(jìn)，可以和水肥一體化技術(shù)相融合，進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。機(jī)組采用移動式管理，擴(kuò)大了機(jī)組的作業(yè)面積和使用范圍，同時也便于維護(hù)和保養(yǎng)，除了解決灌溉問題，還可以用于抗旱、供水、排澇等場合，使用范圍非常廣泛，值得研究和推廣。

表3 機(jī)組串聯(lián)運行測試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.3 Results of series operation test data of unit

表4 機(jī)組并聯(lián)運行測試數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.4 Test data results of parallel operation of units

圖6 250QJ100-54-25型水泵并聯(lián)運行性能特性曲線圖Fig.6 Performance characteristic curve of 250QJ100-54-25 type Submersible pump in parallel operation

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[1] 廖功磊，周小波，李光輝，等.全工況小型移動式電力提灌泵裝置研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2011,(5):135-138.

[2] 王輝艷,譚光儀,廖功磊.串聯(lián)取水泵站中經(jīng)濟(jì)運行轉(zhuǎn)速的確定[J].市政技術(shù),2006,24(6):444-446.

[3] 廖功磊,劉長樹,賴加力等.離心泵并聯(lián)技術(shù)在電力提灌站建設(shè)中的應(yīng)用[J].四川農(nóng)機(jī),2008,(6)：33-35,38.

[4] 何希杰，楊 文，余偉平，等.GB3216-2005回轉(zhuǎn)動力泵性能判定條款的討論[J].流體機(jī)械，2007,35(9):33-37.