壽陽縣無動力水泵裝置應(yīng)用技術(shù)研究

劉 丹

（晉中市水利局，山西 晉中 030600）

1 概況

西洛鎮(zhèn)位于壽陽縣西南部，地處瀟河中下游，水資源較為豐富，河道年平均流量2 m3/s 以上，水位落差較大，兩側(cè)村落的耕地大多在河道兩旁的山坡上，多年來一直靠水泵從河中提水或遠(yuǎn)距離自流輸水灌溉。提水灌溉費用較大，自流輸水相對較高的耕地?zé)o法灌溉。無動力水泵裝置無能耗提高水位，可有效解決這一問題，達到節(jié)能環(huán)保的效果。壽陽縣是山西省首家引進無動力水泵裝置技術(shù)的基地，此次項目的實施和技術(shù)應(yīng)用具有很高的示范作用。

2 無動力水泵裝置技術(shù)

液氣能轉(zhuǎn)換機理，是將水流高壓摻氣后，收集水氣分離過程中形成的“水錘效應(yīng)”能量，并進行合理轉(zhuǎn)化利用的機制原理。無動力水泵裝置，是依托液氣能轉(zhuǎn)換機理，以低落差水能作為動力的全自動抽水裝置。技術(shù)設(shè)施包括液氣能多孔管增效裝置和氣液泵兩項發(fā)明專利，是列入水利部推廣中心2017 年度水利先進實用技術(shù)指導(dǎo)目錄的重點推廣項目，已經(jīng)在云南、貴州、遼寧、四川、江蘇、廣東、湖南、河北等多個省份進行推廣。

無動力水泵裝置技術(shù)的工作流程：水位落差、水氣混合、液氣分離、有壓氣體、液氣能水泵。詳見圖1。

3 壽陽縣應(yīng)用情況

3.1 項目概況

瀟河壽陽縣西洛鎮(zhèn)廷村段東南，有22.7 hm2農(nóng)田高于地面18 m，項目區(qū)現(xiàn)有泵站1 座，配套功率45 kW、揚程25 m 的水泵1 臺，出水量260 m3/h，通過堆石攔河壩攔河引水至泵站提水灌溉。

圖1 無動力水泵技術(shù)工作流程示意圖

本項目通過對原攔河壩作防滲處理，提高引水流量，利用原有泵站引水渠輸水，在攔河壩下游處安裝無動力（液氣能）水泵。

工作技術(shù)參數(shù)：設(shè)計引水落差2 m，泵水揚程20 m，設(shè)計提水流量480 m3/d，通過采用無動力水泵技術(shù)，以及配套的輸水管線設(shè)施，將瀟河水提升到18 m 以上高程，自流至耕地灌溉，日泵水流量480 m3，實現(xiàn)無能耗提水灌溉，替代部分水泵電力，達到節(jié)能目的。

3.2 項目建設(shè)條件

3.2.1 項目實施條件

項目實施的必要條件：平均流量在0.6 m3/s 以上，水位落差大于0.5 m。無動力水泵裝置揚程流量經(jīng)驗關(guān)系如下：

S×H×0.16=Q×h

式中：S——河流引水流量，m3；

H——實際利用落差，m；

Q——泵水流量，m3；

h——泵水揚程，m。

項目區(qū)河道水位落差2.10 m，泵水揚程為18.18 m；項目設(shè)計提水高度20 m，出水流量20 m3/h。因此，根據(jù)經(jīng)驗公式推算理論引水最小流量為0.60 m3/s。

3.2.2 本項目實施的水文地理條件

廷村段位于蘆家莊與西洛兩個水文監(jiān)測站之間，根據(jù)2017 年、2018 年水資源公報的瀟河水文數(shù)據(jù)，廷村段全年平均流量2.13～7.25 m3/s，最小流量0.69 m3/s，最大流量26.3 m3/s，平均流速0.33～0.66 m/s。通過測量項目區(qū)河道水位落差為2.10 m，泵水揚程18.18 m。

根據(jù)項目區(qū)三個時間段實測，河道平均流量1.02 m3/s、平均流速0.94 m/s、水位落差數(shù)據(jù)2.1 m，瀟河廷村段的水利條件可以滿足無動力水泵裝置的建設(shè)要求。

3.3 主要建設(shè)內(nèi)容

無動力水泵裝置系統(tǒng)的建設(shè)，主要分為能量采集基礎(chǔ)實施、液氣能轉(zhuǎn)換裝置及液氣能水泵建設(shè)。

3.3.1 能量采集基礎(chǔ)實施建設(shè)

攔河壩防滲處理。對原有0.5 m 高的攔河壩，進行防滲處理。由于攔河壩在河道主河河槽內(nèi)，為不影響防洪和泄洪能力，對鉛絲籠壩壩面鋪設(shè)土工布防滲，增大上下游水位落差，提高河流落差，蓄積勢能，增加進水流量，保證低水位時河道的進水流量。

引水渠和截止閘。液氣能轉(zhuǎn)換裝置利用原有灌溉引水渠引水，在原灌溉引水渠內(nèi)新建1 座閘門，設(shè)分水截止閘和進水閘，抬高引水渠水位，調(diào)控進入無動力水泵引水渠的水流量。通過調(diào)控分水截止閘攔截和疏導(dǎo)漂浮物進入原灌溉引水渠下游，避免無動力水泵引水渠內(nèi)漂浮物淤積，以減少人工清理次數(shù)。

濾水沉沙池。新建高0.6 m 沉砂檔墻1 座，濾水沉沙池位于沉砂檔墻后，寬2.5 m，深2.5 m，底部建有自動排砂管。

配水池。位于濾水沉沙池后，底部與能量倉4 根進水管和4 根排氣管相連。配水池長5 m，寬2 m，深2.5 m。

3.3.2 液氣能轉(zhuǎn)換裝置安裝建設(shè)

液氣能轉(zhuǎn)換裝置是完成液氣能轉(zhuǎn)換的核心部位，其主要功能是形成高壓氣體，通過高壓氣體推動水泵提水。該設(shè)備置于攔河壩下游120 m 處的坑內(nèi)，該坑深9 m，坑底長6 m，寬6 m。液氣能轉(zhuǎn)換裝置是由4 個長4.2 m，寬1 m，高1.7 m 的鋼質(zhì)罐體組成，頂部有1 個直徑40 cm 的進水口、1 個直徑70 cm 的出水口、1 個直徑25 cm 的出氣口的罐體組成。工藝流程：摻氣水體通過進水口進入能量倉，倉體收集液氣分離后的有壓氣體，從排氣管輸送給液氣能水泵，尾水通過排水口回流到河道中。

3.3.3 液氣能水泵的安裝建設(shè)

液氣能水泵由鐵塔、泵體組成，泵體安裝在鐵塔內(nèi)部，坐落在液氣能轉(zhuǎn)換裝置頂部，距能量倉約20cm。液氣能水泵鐵塔整體高29.3 m，直徑1.5 m。液氣能水泵進水管直徑選擇25 cm，從引水渠引水至液氣能水泵中，液氣能泵內(nèi)提水管采用3 組氣液管，從底部提水至泵頂，最后匯流至塔頂輸出水管，液氣能水泵出水管直徑25 cm，將泵出的水輸送到18 m 高的灌溉渠內(nèi)。

3.3.4 系統(tǒng)裝置調(diào)試

調(diào)試環(huán)節(jié)是整個系統(tǒng)裝置運行的重要環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)發(fā)揮效益的重要保障。分為能量倉氣壓調(diào)試、水泵引水提水調(diào)試、多余能量轉(zhuǎn)換調(diào)試。

3.4 實施效果及效益分析

現(xiàn)場測試表明，無動力水泵裝置系統(tǒng)進水口固定落差1.56 m，水位最大落差可達1.95 m，進水流量可達4 200 m3/h，出水口高度17.68 m，詳見表1。

表1 無動力水泵裝置出水流量測試情況

實際工作技術(shù)參數(shù)：河道流量0.6～1.49 m3/s，實際引水落差1.84～1.94 m，泵水揚程20 m，實際提水流量500～900 m3/d。具體測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 無動力水泵裝置引水流量、水位落差測試

工程建設(shè)部分總投資35 萬元，按平均每天提水700 m3計算，折合500 元/m3；每年（按210 d）計算折合2.38 元/m3，按10 年計算，折合0.238 元/m3；按20 年計算，折合0.119 元/m3。

按全年（210 d）日提水700 m3，每年提水總量為147 000 m3，用現(xiàn)有電水泵（功率45 kW、揚程25 m）1 臺，出水量260 m3/h，提水需用電25 442 kW·h，節(jié)電25.44 MW·h。

由此可見，無動力水泵運行低成本，節(jié)能環(huán)保，還可在設(shè)備上加裝液氣能氣動發(fā)電裝置，發(fā)電功率最大可達10 kW，滿足照明和日常管理使用。

3.5 項目技術(shù)難點與解決

在實際選擇水泵安裝位置時，根據(jù)不同灌溉渠段，進行了水流量測設(shè)，選擇引水能力最大的渠首端，作為無動力水泵的建設(shè)位置。

在能量倉的設(shè)計上，為更大程度地提高液氣能氣體收集裝置壓力，設(shè)計了四組能量倉，保證了低進水量條件下的提水能力。

在測試出水量和進水量的方法上，采用容積法測量，簡單準(zhǔn)確。

3.6 推廣應(yīng)用前景

根據(jù)瀟河水文資料顯示，從壽陽縣趙金莊到榆次區(qū)，多處地理及水文達到安裝該系統(tǒng)的技術(shù)要求，另外左權(quán)縣清漳河、祁縣昌源河、榆次涂河等常年不斷流，多個水庫河道，均能滿足無動力水泵裝置系統(tǒng)的水源、水文要求，可根據(jù)不同地理條件，設(shè)計不同提水高程，達到無能耗提水效果，如在全省推廣特別是水資源豐富的貧困地區(qū)推廣，應(yīng)用前景更好。

4 結(jié)論及推廣價值

為提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，特委托工程地質(zhì)勘察院對項目數(shù)據(jù)進行了檢測，經(jīng)過現(xiàn)場實際測量和換算，對無動力水泵系統(tǒng)的來水量、落差、揚程、出水流量之間的數(shù)據(jù)進行了測量，結(jié)果基本符合經(jīng)驗公式和技術(shù)推廣應(yīng)用的參考技術(shù)指標(biāo)。

無動力水泵在壽陽縣瀟河河道廷村段的應(yīng)用實踐表明，無動力水泵裝置的能量倉安裝在地下，涉及土方和石方的開挖，造成施工比較復(fù)雜，追高了建設(shè)成本，與傳統(tǒng)的水泵提水方式相比，不消耗任何電力、燃油資源、無任何排放、無任何轉(zhuǎn)動部件、揚程高而無需高強度管材的特點，可在具有一定落差和水位的河流上得到很好的應(yīng)用，其兼有發(fā)電功能更適用于缺電地區(qū)，具有一定的經(jīng)濟性，對水源較豐富的貧困山區(qū)具有一定的實用性。