提灌站水泵設(shè)計(jì)選型研究及典型案例分析

盧 珍，曾文明，李光輝，阮紅麗，李玉玲，劉 波

(四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610066)

0 引 言

提灌站是解決丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在確保糧食和經(jīng)濟(jì)作物安全生產(chǎn)方面擔(dān)負(fù)著重要作用。在提灌站方案設(shè)計(jì)中，泵的選型至關(guān)重要[1-4]，若選型不合理，可能導(dǎo)致葉輪產(chǎn)生氣蝕、電機(jī)超負(fù)荷、水泵停機(jī)等一系列問題，甚至存在一些安全隱患。本文研究分析了兩個(gè)管道沿線具有多出水口的提灌站，通過分析其現(xiàn)狀和存在的問題，提出了水泵變頻運(yùn)行和兩臺(tái)泵串聯(lián)運(yùn)行的解決方案，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供了一定的參考。

1 典型案例1

1.1 工程現(xiàn)狀

該提灌站將水加壓輸送至高位出水池，再采用渠道輸水至低處用水地塊。水源為河流，凈揚(yáng)程52 m。主要建筑物包含泵房1座，進(jìn)水池1座，出水池1座。主要機(jī)電設(shè)備包含井用潛水電泵1臺(tái)，額定流量140 m3/h，額定揚(yáng)程126 m，額定功率75 kW，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min。出水管道為焊接鋼管，長(zhǎng)度1 050 m，直徑0.15 m。

1.2 存在的問題

該站具體存在以下幾個(gè)方面問題：①出水管道沿線需要用水地塊較多，將水加壓輸送至高位出水池再放至低處，低處地塊用水存在電能浪費(fèi)。②現(xiàn)有供水量偏小，需增加至200 m3/h左右。

1.3 水泵設(shè)計(jì)選型及分析

1.3.1 管路系統(tǒng)組成

在水泵設(shè)計(jì)選型方面，采用節(jié)能改造技術(shù)，針對(duì)管道沿線用水地塊多，低處地塊用水能耗高的問題，通過在出水管道沿線增設(shè)2個(gè)出水口，并對(duì)水泵進(jìn)行變頻控制的方案解決。供水管路系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 供水管路系統(tǒng)組成圖1(單位：m)Fig.1 Composition of water supply piping system one

1.3.2 水泵選型

根據(jù)該提灌站相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行水泵選型，以凈揚(yáng)程最大、管道最長(zhǎng)的出水口3進(jìn)行計(jì)算。

(1)管徑計(jì)算。首先根據(jù)該站管線走向的地形情況，出水管選用HDPE管，進(jìn)水管選用焊接鋼管。則：

(1)

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/h，根據(jù)需水要求初步取200 m3/h；v為管道內(nèi)流速，m/s，初步確定流速v=2.5 m/s。

經(jīng)計(jì)算確定出水管規(guī)格為外徑0.2 m，壁厚0.011 9 m，壓力等級(jí)1.0 MPa；進(jìn)水管規(guī)格為外徑0.219 m，壁厚0.008 m。

(2)水力計(jì)算。進(jìn)水管為焊接鋼管，沿程水頭損失采用達(dá)西公式計(jì)算，其中沿程摩阻系數(shù)采用舍維列夫公式[5]計(jì)算：

(2)

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程摩阻系數(shù)；L為管道長(zhǎng)度，m，根據(jù)踏勘得進(jìn)水管長(zhǎng)度為8.5 m；v為管道內(nèi)平均流速，m/s；d為管道內(nèi)徑，m。

出水管為HDPE管，沿程水頭損失采用海澄-威廉公式[5]計(jì)算：

(3)

式中：Q為管道流量，m3/s；L為管道長(zhǎng)度，m，根據(jù)踏勘得出水管長(zhǎng)度為1 100 m；Ch為海澄-威廉系數(shù)，取150；d為管道內(nèi)徑，m。

局部水頭損失一般按沿程水頭損失的5%～15%計(jì)，本文取11%。

經(jīng)計(jì)算得進(jìn)水管和出水管的沿程水頭損失總和hf(all)為24.57 m，局部水頭損失總和hj(all)為2.7 m，則總水力損失hall為27.27 m。

則裝置揚(yáng)程Hz：

Hz=ha+Hall=27.27+52=79.27

(4)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，選用單級(jí)單吸離心泵1臺(tái)，額定流量200 m3/h，額定揚(yáng)程80 m，額定功率75 kW，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min。

1.3.3 額定轉(zhuǎn)速下水泵運(yùn)行分析

所選水泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)如表1所示。

表1 水泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)(n=2 900 r/min)Tab.1 Pump performance parameter at rated speed(n=2 900 r/min)

根據(jù)出水口3的凈揚(yáng)程和上述管道水力計(jì)算結(jié)果求得出水口3裝置特性曲線方程如下：

HZ3=ha3+KQ2=52+(6.82×10-4)Q2

(5)

采用相同的計(jì)算方法求得出水口1和出水口2裝置特性曲線方程如下：

HZ1=ha1+KQ2=23+(4.5×10-4)Q2

(6)

HZ2=ha2+KQ2=33+(5.5×10-4)Q2

(7)

根據(jù)上述3個(gè)裝置特性曲線方程，分別計(jì)算得到3個(gè)出水口在各流量工況下的裝置揚(yáng)程，結(jié)果如表2所示。

表2 3個(gè)出水口的裝置特性參數(shù)Tab.2 Device characteristic parameter of three outlets

泵特性曲線上的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)工況，泵的最佳運(yùn)行工況點(diǎn)是最高效率點(diǎn)。

每個(gè)提灌站對(duì)水泵的性能要求不同，實(shí)際中的工況點(diǎn)不一定就在最高效率點(diǎn)，因此為了減少水泵的規(guī)格，通常認(rèn)為水泵的正常工作范圍以效率下降不超過5%～8%為界[6]，本文以水泵效率下降不超過5%為界確定其正常工作范圍。

根據(jù)表1和表2做出額定轉(zhuǎn)速下水泵特性曲線和3個(gè)出水口的管路特性曲線圖，如圖2所示。從圖2中可以看出，該泵的正常工作范圍是Q-H曲線上AB段，對(duì)應(yīng)流量范圍為160～240 m3/h。水泵的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)是由水泵和管路共同決定的，即由水泵特性曲線和管路特性曲線的交點(diǎn)確定。出水口3的管路特性曲線與水泵Q-H曲線交于a點(diǎn)，a點(diǎn)位于AB曲線段內(nèi)，即水泵實(shí)際運(yùn)行在正常工作范圍之內(nèi)。出水口2的管路特性曲線與Q-H曲線交于b點(diǎn)，b點(diǎn)位于AB曲線段外，即水泵實(shí)際運(yùn)行在正常工作范圍之外且偏大流量工況。出水口1的管路特性曲線與Q-H曲線的交點(diǎn)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了水泵的正常工作范圍且偏更大流量工況。由此可以看出，當(dāng)該水泵以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，只能保證出水口3運(yùn)行在正常工作范圍之內(nèi)，而出水口2和1超出了水泵的正常工作范圍且偏大流量工況點(diǎn)。當(dāng)離心泵偏離正常工作范圍運(yùn)行時(shí)，不僅效率降低明顯而且系統(tǒng)也非常不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，噪聲加劇，甚至出現(xiàn)超功率燒電機(jī)的情況。因此，該水泵不能在額定轉(zhuǎn)速下分別滿足3個(gè)出水口的正常供水要求。

圖2 額定轉(zhuǎn)速下水泵特性曲線和3個(gè)出水口的管路特性曲線圖Fig.2 Pump characteristic curve at rated speed and pipe characteristic curve of three outlets

根據(jù)泵相似理論，若已知轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的特性曲線上某點(diǎn)A1(H1，Q1),則轉(zhuǎn)速為n2時(shí)與A1點(diǎn)相似的工況點(diǎn)的參數(shù)為：

(8)

(9)

根據(jù)水泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)計(jì)算得到水泵在轉(zhuǎn)速為1 450 r/min下的性能參數(shù)(假定轉(zhuǎn)速變化時(shí)相似工況點(diǎn)的效率相等)，如表3所示。

1.3.4 變轉(zhuǎn)速下水泵運(yùn)行分析

通過水泵在轉(zhuǎn)速為2 900 r/min下的A和B工況點(diǎn)參數(shù)，可分別做出通過A點(diǎn)和B點(diǎn)的等效率曲線，等效率曲線方程為：

表3 水泵在變轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)(n=1 450 r/min)Tab.3 Pump performance parameter at variable speed(n=1 450 r/min)

H=KQ2

(10)

已知QA= 160 m3/h，HA=84 m，QB=240 m3/h，HB=72 m，計(jì)算得KA=0.003 281，KB=0.001 25。通過A點(diǎn)和B點(diǎn)的等效率曲線上各流量工況下的參數(shù)如表4所示。

表4 等效率點(diǎn)參數(shù)Tab.4 Parameter of constant efficiency

根據(jù)表1、表2、表3、表4做出變轉(zhuǎn)速下水泵特性曲線和3個(gè)出水口的管路特性曲線圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)水泵運(yùn)行在1 450～2 900 r/min之間時(shí)，由Q-H(n=2 900 r/min)曲線、Q-H(n=1 450 r/min)曲線和分別通過A、B工況點(diǎn)的等效率曲線確定其正常工作范圍為ABCD，可見水泵變頻運(yùn)行時(shí)，其正常工作范圍比定頻運(yùn)行時(shí)大幅擴(kuò)大，且泵在此范圍內(nèi)的任一點(diǎn)工作，效率下降最多不會(huì)超過5%。當(dāng)管路特性曲線與水泵變頻運(yùn)行正常工作范圍相交時(shí)，在滿足出水口供水要求下保證水泵實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)在正常工作范圍之內(nèi)。出水口3的管路特性曲線與水泵正常工作范圍相交于ab曲線，流量范圍141～199.5 m3/h，根據(jù)泵相似理論計(jì)算得在b工況點(diǎn)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速為2 556 r/min。出水口2的管路特性曲線與水泵正常工作范圍相交于cd曲線，流量范圍114～225 m3/h，同理計(jì)算得在d和c工況點(diǎn)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速分別為2 066和2 719 r/min。出水口1的管路特性曲線與水泵正常工作范圍相交于ef曲線，流量范圍95～178 m3/h，同理計(jì)算得在f和e工況點(diǎn)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速分別為1 722和2 151 r/min?？梢?，3個(gè)出水口可分別通過改變水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速確定實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)來(lái)滿足用水需求，且3個(gè)出水口通過改變水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速可獲得的最大流量在200 m3/h左右，最小流量在110 m3/h左右。

圖3 變轉(zhuǎn)速下水泵特性曲線和3個(gè)出水口的管路特性曲線圖Fig.3 Pump characteristic curve at variable speed and pipe characteristic curve of three outlets

2 典型案例2

2.1 工程現(xiàn)狀

該提灌站將水加壓輸送至高位出水池，再采用自流的方式通過管道將水輸送至柑橘種植園區(qū)。水源為水庫(kù)，凈揚(yáng)程55m。主要建筑物包含泵房1座，出水池1座。主要機(jī)電設(shè)備包含井用潛水電泵1臺(tái)，額定流量50 m3/h，額定揚(yáng)程120 m，額定功率25 kW，額定轉(zhuǎn)速2 850 r/min。出水管道為焊接鋼管，長(zhǎng)度800 m，直徑0.1 m。

2.2 存在的問題

該站具體存在以下幾個(gè)方面問題：①近年來(lái)，隨著柑橘種植規(guī)模的快速擴(kuò)大，該站的水量不能滿足其灌溉用水需求。②管路沿線新建養(yǎng)魚場(chǎng)一個(gè)，該站需為其提供用水。③高處種植灌溉用水與低處養(yǎng)殖用水水量均需200 m3/h左右，高低處用水不同時(shí)進(jìn)行。

2.3 水泵設(shè)計(jì)選型及分析

2.3.1 變轉(zhuǎn)速下管路系統(tǒng)組成及水泵選型

水泵選型、裝置特性參數(shù)等效率曲線參數(shù)等計(jì)算方法和過程同案例1，此案例中略。

針對(duì)管路沿線存在多出水口的情況，首先考慮采用典型案例1中的水泵變頻控制方案進(jìn)行解決。根據(jù)該提灌站相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算，選用單級(jí)單吸離心泵1臺(tái)，額定流量200 m3/h，額定揚(yáng)程80 m，額定功率75 kW，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min。進(jìn)水管道為焊接鋼管，長(zhǎng)度10 m，直徑0.2 m。出水管道為HDPE管，長(zhǎng)度800 m，外徑0.2 m，壓力等級(jí)1.0 MPa。供水管路系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 供水管路系統(tǒng)組成圖2(單位：m)Fig.4 Composition of water supply piping system two

2.3.2 變轉(zhuǎn)速下水泵運(yùn)行分析

所選水泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)如表1所示。

2個(gè)出水口在各流量工況下的裝置特性參數(shù)如表5所示。

表5 2個(gè)出水口的裝置特性參數(shù)Tab.5 Device characteristic parameter of two outlets

根據(jù)水泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)計(jì)算得到水泵在轉(zhuǎn)速為725 r/min下的性能參數(shù)(假定轉(zhuǎn)速變化時(shí)相似工況點(diǎn)的效率相等)，如表6所示。

表6 水泵在變轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)(n=725 r/min)Tab.6 Pump performance parameter at variable speed(n=725 r/min)

根據(jù)表1、表5、表6做出變轉(zhuǎn)速下水泵特性曲線和2個(gè)出水口的管路特性曲線圖，如圖5所示。從圖5中可以看出，出水口1管路特性曲線與水泵變頻運(yùn)行效率下降不超過5%的正常工作范圍ABCD相交于cd曲線，d點(diǎn)工況和c點(diǎn)工況之間流量范圍為61～ 104 m3/h，最大流量約小于養(yǎng)殖需水流量的一半，不能滿足要求；出水口2管路特性曲線與水泵變頻運(yùn)行效率下降不超過5%的正常工作范圍ABCD相交于ab曲線，在a點(diǎn)工況，流量為205 m3/h，滿足種植灌溉用水需求。由此可見，選用一臺(tái)離心泵進(jìn)行變頻運(yùn)行，不能分別滿足高處種植和低處養(yǎng)殖的用水量需求。

圖5 變轉(zhuǎn)速下水泵特性曲線和2個(gè)出水口的管路特性曲線圖Fig.5 Pump characteristic curve at variable speed and pipe characteristic curve of two outlets

2.3.3 串聯(lián)管路系統(tǒng)組成及水泵選型

在水泵變頻運(yùn)行不能滿足要求的情況，考慮采用一臺(tái)深井潛水泵和一臺(tái)單級(jí)單吸離心泵串聯(lián)的方案解決供水問題，當(dāng)?shù)吞庰B(yǎng)殖用水時(shí)，只開啟深井潛水泵供水，當(dāng)高處種植用水時(shí)，同時(shí)開啟深井潛水泵和單級(jí)單吸離心泵供水。根據(jù)該提灌站相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算，選用深井潛水泵1臺(tái)，額定流量200 m3/h，額定揚(yáng)程20 m，額定功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min；單級(jí)單吸離心泵1臺(tái)，額定流量187 m3/h，額定揚(yáng)程70 m，額定功率55 kW，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min。進(jìn)水管道為焊接鋼管，長(zhǎng)度10 m，直徑0.2 m。出水管道為HDPE管，長(zhǎng)度800 m，外徑0.2 m，壓力等級(jí)1.0 MPa。供水管路系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 供水管路系統(tǒng)組成圖3(單位：m)Fig.6 Composition of water supply piping system three

2.3.4 水泵串聯(lián)運(yùn)行分析

不同的2臺(tái)泵串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，總揚(yáng)程是在同一流量下2臺(tái)泵相應(yīng)揚(yáng)程相加得到。2臺(tái)泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)及串聯(lián)性能參數(shù)如表7所示。

表7 2臺(tái)泵在額定轉(zhuǎn)速下的性能參數(shù)及串聯(lián)性能參數(shù)Tab.7 Pump performance parameter of two pump and connection in series at rated speed

圖7 串聯(lián)水泵特性曲線和2個(gè)出水口的管路特性曲線圖Fig.7 Pump characteristic curve in series and pipe characteristic curve of two outlets

根據(jù)表6、表7做出串聯(lián)水泵特性曲線和2個(gè)出水口的管路特性曲線圖，如圖7所示。從圖7中可以看出，單級(jí)單吸離心泵的效率下降不超過5%的正常工作范圍為AB曲線段，深井潛水泵的效率下降不超過5%的正常工作范圍為CD曲線段。當(dāng)?shù)吞庰B(yǎng)殖用水時(shí)，只開啟深井潛水泵供水，出水口1管路特性曲線與深井潛水泵Q～H曲線相交于d點(diǎn)，d點(diǎn)流量為207 m3/h，滿足養(yǎng)殖用水需求。當(dāng)高處種植用水時(shí)，同時(shí)開啟深井潛水泵和單級(jí)單吸離心泵供水，出水口2管路特性曲線與串聯(lián)Q～H曲線相交于b點(diǎn)，b點(diǎn)流量為218 m3/h，滿足種植用水需求，此時(shí)深井潛水泵和單級(jí)單吸離心泵的運(yùn)行工況點(diǎn)分別是e點(diǎn)和c點(diǎn)，e點(diǎn)和c點(diǎn)均在其各自正常工 作范圍內(nèi)。由此可見，采用一臺(tái)深井潛水泵和一臺(tái)單級(jí)單吸離心泵串聯(lián)的方案可分別解決高處種植和低處養(yǎng)殖的供水問題，且水量滿足用水需求。

3 總 結(jié)

(1)水泵的實(shí)際運(yùn)行工況由水泵特性曲線和管道特性曲線共同確定，因此水泵選型首先應(yīng)繪制出所選水泵的特性曲線及多臺(tái)水泵的串聯(lián)特性曲線，然后再準(zhǔn)確繪制出管路特性曲線，最后分析所選水泵能否滿足不同運(yùn)行工況的要求。

(2)目前變頻技術(shù)已成為控制水泵變速運(yùn)行的主要手段，因此建議提灌站設(shè)計(jì)中，對(duì)于多出水口的情況，優(yōu)先考慮變頻措施調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況。

(3)對(duì)于管道沿線具有兩個(gè)出水口的提灌站，當(dāng)兩個(gè)出水口揚(yáng)程相差較大但需水流量相差不大時(shí)，采用水泵變頻方案不能滿足要求時(shí)，可采用兩臺(tái)水泵串聯(lián)運(yùn)行的方案解決供水問題。