變揚程水泵工況點（區(qū)）選擇與經(jīng)濟(jì)運行問題探討

姜財華

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

變揚程水泵工況點（區(qū)）選擇與經(jīng)濟(jì)運行問題探討

姜財華

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

灌溉泵站設(shè)計中，水泵的選型很重要。對水泵的經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行分析研究，將有助于泵站的精細(xì)化管理和提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平。通過對偏關(guān)縣提水灌溉工程豐臺梁三級站的水泵選型和運行分析，說明了分析和運用水泵本身特性、發(fā)揮水泵自身潛能以及通過調(diào)節(jié)泵站進(jìn)水池水位等方法，可以使泵站實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運行。

泵站；水泵工作點（區(qū)）；變揚程；經(jīng)濟(jì)運行

1 概述

北方干旱山區(qū)灌溉揚水站的揚程通常較高，多選用離心式水泵。水泵選型采用水泵特性曲線圖法，根據(jù)水泵的口徑、流量和揚程范圍以及效率水平來選擇。首先確定泵站提水流量，然后計算總揚程（包括地形揚程、沿程水頭損失和局部水頭損失），查水泵特性曲線圖確定水泵型號和工作臺數(shù)。選擇相同型號的水泵，有時根據(jù)用水流量變化情況采用大小搭配的方式。如單臺水泵工作，工作點確定就較為簡單；當(dāng)選用多臺水泵同時或組合運行時則比較復(fù)雜，多數(shù)情況下水泵運行不一定在一個點，而可能是一個范圍（區(qū)），其效率也就不一定能保持在最高點，但應(yīng)力求使水泵運行在高效率區(qū)。

2 影響水泵選型工況分析

總體把握水泵選型的影響因素，對水泵選型有顯著影響的三個因素，地形揚程是否固定、地形揚程與損失揚程的大小關(guān)系，以及水泵揚水管的配置等作為三個變量進(jìn)行組合，可得出八種工況，結(jié)果如表1。

除揚水管配置一項外，不同組合間并無明確的界限?？梢钥闯?，輸水損失揚程在總揚程中所占比例較大，特別是多泵共用一管時，設(shè)計計算所涉及的影響因素最多，對水泵工作點選擇最為不利。

3 影響水泵選型因素

3.1 水泵選型取決于流量和揚程兩個變量

一是流量。在泵站設(shè)計中，單臺水泵恒定流量供水的情況比較少見。農(nóng)用灌溉泵站的灌溉流量，是依據(jù)季節(jié)、農(nóng)作物種類和灌溉制度設(shè)計來確定全年供水過程。對于大的灌區(qū)，因其地區(qū)差異較大，更增加了供水過程的流量不均衡性。流量變化時流速隨之變化，并以約二次方關(guān)系影響管道水頭損失的大小。

表1 影響泵站水泵選型工況表

二是揚程。揚程可分為地形揚程和損失揚程兩部分，而損失揚程又包含沿程損失和局部損失。多級泵站的二級以上各站通常地形揚程變化較?。ǖ灿猩贁?shù)例外），而一級泵站的地形揚程大多在某一范圍內(nèi)變動。損失揚程的確定較為復(fù)雜，其中最關(guān)鍵的是糙率選取。

3.2 管道糙率是決定揚程的重要因素

管道糙率有兩種常用的表達(dá)方式，在曼寧公式中為“n”，在哈森-威廉公式中為“Ch”。

糙率直接影響到損失揚程的計算，影響水泵的選型和水泵是否高效運行。工程實踐中也發(fā)生過因糙率取值過大，使得計算揚程比實際揚程大太多而使水泵無法正常運行的實例。因此，正確選擇管道糙率才能使計算揚程接近實際揚程，水泵才能在設(shè)定區(qū)域內(nèi)正常運行。

管道糙率并非一成不變，泵站工作過一段時間后，管道的糙率可能發(fā)生變化。如：鑄鐵管道因長期運行而生瘤，使管道糙率明顯加大。近年來由于老舊的鑄鐵管基本不再使用，這種情況已不多見；管壁衍生貝類、藻類生物。這種情況可能在南方高水溫地區(qū)會出現(xiàn)。北方地區(qū)不常見；大直徑鋼管道的水泥砂漿內(nèi)襯局部脫落，使管道內(nèi)壁凹凸不平，糙率因此而加大。對于大直徑鋼管道采用掛鋼絲網(wǎng)的水泥砂漿內(nèi)襯，或者選用PCCP管，可以避免類似情況發(fā)生。

4 變揚程水泵工作區(qū)間確定和泵站的經(jīng)濟(jì)運行

以往在泵站設(shè)計中側(cè)重對水泵的選型，而對泵站的運行則著力不多。以偏關(guān)縣提黃灌溉工程豐臺梁三級泵站設(shè)計為例，對水泵細(xì)分工作點（區(qū)）的確定，以及建成后的經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行分析說明。

偏關(guān)縣提黃灌溉工程豐臺梁三級泵站從深10 m，容積10萬m3的蓄水池取水，灌溉農(nóng)田658.6 hm2。泵站吸水和揚水管路總長達(dá)7 834 m（其中進(jìn)水管管徑600 mm長3 013.1 m、500 mm長1 690.3 m，揚水管管徑450 mm長3 130.6 m），水泵為負(fù)吸程安裝，而且在吸水管路上還有蓄水池自壓供水的灌溉支干管2條，泵站進(jìn)水池水位在1 186.0～1 192.0 m之間變化，水泵中心線設(shè)計高程為1 168.497 m，出水池水位為1 212.6 m，地形揚程在20.6～26.6 m之間，兩臺水泵共用一條出水管道。

由此可見，該泵站地形揚程變化較大，管路輸水揚程損失占比較大，且為多泵一管，屬于水泵選型工況組合中最復(fù)雜的一類。

4.1 泵站設(shè)計流量

經(jīng)灌溉制度設(shè)計，確定泵站提水峰值流量為0.21 m3/s，并以此作為設(shè)計流量。

4.2 泵站揚程計算

按照設(shè)計提水流量0.21 m3/s，在確定管材和管徑的情況下，進(jìn)行各種條件下的水力計算，得出其相應(yīng)的總揚程，從中選擇泵站最大工作揚程。計算結(jié)果見表2。

表2 水泵揚程計算結(jié)果

根據(jù)表2可知，泵站總揚程在40.21～49.83 m之間。損失揚程在總揚程中所占比例達(dá)到了42.44%～53.00%。因此，選擇效率曲線較為平緩（即高效區(qū)較寬）的水泵，以適應(yīng)本泵站揚程變化范圍較大的特點。損失揚程的確定是否準(zhǔn)確，對水泵工作點確定影響顯著。

4.3 水泵選型

根據(jù)上述設(shè)計流量和總揚程，初步擬定選用SD200-420A（I）型水泵2臺。按最高揚程49.83 m作為設(shè)計揚程，查該水泵特性曲線，相應(yīng)流量為0.116 m3/s，兩臺水泵流量為0.232 m3/s；因其大于設(shè)計流量，經(jīng)過校正計算，兩臺水泵同時工作時，揚程為50.66 m，相應(yīng)流量為0.107 m3/h，兩臺流量為0.214 m3/s，稍大于設(shè)計流量。

4.4 運行過程分析

從設(shè)計用水過程線看，灌溉用水峰值流量為0.21 m3/s，但持續(xù)時間并不長，按照SD200-420A（I）型水泵的特性曲線判斷，用水過程的大部分時段可能只啟用一臺水泵即可滿足灌溉用水要求。

4.4.1 進(jìn)水池高水位單臺水泵可供流量計算

根據(jù)水泵特性曲線，在某一流量情況下，特性曲線上對應(yīng)的揚程與實際揚程相等時，此時即為水泵工作點。

在進(jìn)水池高水位（1 192.0 m）且吸水管不分流情況下，設(shè)計揚程最小，單臺水泵供水流量最大。經(jīng)計算，在這種情況下，即在進(jìn)水池高水位時，單臺水泵可供流量為0.203m3/s，揚程為38.95 m，軸功率95.7 kW。

4.4.2 進(jìn)水池低水位單臺水泵可供流量計算

在進(jìn)水池低水位（1 186.0 m）且吸水管有分流情況下，設(shè)計揚程最大，單臺水泵供水流量最小。即在進(jìn)水池低水位時，單臺水泵可供流量為0.174 m3/s，揚程為43.19m，軸功率89.75 kW。

4.4.3 泵站運行過程分析

根據(jù)偏關(guān)縣提黃灌溉豐臺梁灌區(qū)灌溉制度設(shè)計，全年在4月1日至11月5日之間灌溉，灌溉時間共計188 d。雖然設(shè)計確定為兩臺水泵，流量0.21 m3/s，但根據(jù)分析進(jìn)水池水位在1 186.0～1 192.0 m范圍變化時，單臺水泵實際工作揚程在38.95～43.19 m之間變化，提水流量在0.206 m3/s～0.174 m3/s之間變化。因此，單臺水泵工作即可滿足絕大部分時間的灌溉用水需求，且水泵運行在效率曲線的高效區(qū)；只在灌溉高峰期的6月16日—9月10日，需要兩臺水泵同時工作。

4.4.4 經(jīng)濟(jì)運行及效益分析

通過分析可以看出，如果僅按水泵選型結(jié)果，采用包括調(diào)節(jié)閥門開度等方式在內(nèi)的粗放式管理，以灌溉需水流量劃分單臺和兩臺水泵的工作范圍，則全年灌水天數(shù)188 d中，單臺水泵工作天數(shù)為40 d，其余148 d為兩臺水泵工作，則年工作臺時數(shù)為6 048臺時（按水泵每天工作18 h計），單臺電機軸功率72.55 kW，則年用電量為46.19萬kW·h（取電機效率為0.95）；如果以本文分析為基礎(chǔ)，充分運用水泵特性、發(fā)揮水泵自身潛能和本工程兩臺共用一管的有利條件，盡可能多地在單臺水泵工作區(qū)間運行，按進(jìn)水池取平均水位計，則年灌水天數(shù)中兩臺水泵工作天數(shù)僅為30 d，單臺水泵工作天數(shù)為158 d（電機軸功率平均為92.73 kW），年工作臺時數(shù)為3 924臺時，則用電量為38.30萬kW·h。兩者相比，年可節(jié)省電量7.89萬kW·h。如通過前兩級泵站合理運行，能將進(jìn)水池的水位保持在高水位或接近于高水位，則年工作臺時數(shù)將低至3 636臺時，電費還可以更加節(jié)省。

TV136+.2

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1004-7042（2017）04-0043-02

姜財華（1990－），男，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)，助理工程師。

2017-02-07；

2017-03-19