灌溉泵站設(shè)計(jì)參數(shù)確定及水泵選型

任華紅

（洪洞縣水利局，山西 臨汾 041600）

1 工程背景

臨汾市洪洞縣2016年小型農(nóng)田水利設(shè)施項(xiàng)目縣工程擬在二十里鋪村西北方向1 km 處的汾河?xùn)|岸修建泵站一座，提水至石灘村和東溝村之間的高地處，并修建1 000 m3蓄水池一座，再由蓄水池向項(xiàng)目區(qū)內(nèi)耕地輸水灌溉。新建泵站設(shè)計(jì)流量0.26 m3/s，配型號(hào)KQSN200-M5/378 水泵1 套，配套電機(jī)型號(hào)Y355M-2，功率為315 kW；配型號(hào)KQSN200-N4/388 水泵2 套，配套電機(jī)型號(hào)Y315M-2，功率為220 kW；泵房附近設(shè)變壓器1臺(tái)，配型號(hào)為S11-1250KVA/10KV/0.4KV 型變壓器一套。以上3臺(tái)泵各配備用泵一套。泵站南側(cè)設(shè)管理站，建筑面積102 m2。

為保證灌溉泵站的正常運(yùn)行及性能的正常發(fā)揮，應(yīng)加強(qiáng)泵站參數(shù)設(shè)計(jì)，且主要是設(shè)計(jì)流量及設(shè)計(jì)揚(yáng)程的合理確定，即通過(guò)泵站的建設(shè)將設(shè)計(jì)水量提升至設(shè)計(jì)高度并增壓處理，以滿足農(nóng)業(yè)灌溉用水等方面的要求。因不同泵站承擔(dān)著不同的灌溉任務(wù)，所以，為加強(qiáng)泵站管理并保證運(yùn)行效率，必須根據(jù)設(shè)計(jì)流量、揚(yáng)程等指標(biāo)進(jìn)行泵站類型、型號(hào)、建筑物等級(jí)等的確定。

2 泵站設(shè)計(jì)參數(shù)確定

2.1 泵站設(shè)計(jì)流量確定

在灌溉設(shè)計(jì)保證率下的實(shí)際灌溉水量即為設(shè)計(jì)流量，通常情況下，對(duì)于大中型灌區(qū)而言，一般根據(jù)灌區(qū)實(shí)際灌溉面積、灌水率圖和灌溉水利用系數(shù)等參數(shù)取值進(jìn)行所研究灌區(qū)灌溉用水流量過(guò)程線的計(jì)算，并以持續(xù)灌溉時(shí)間在20 d以上的灌溉水量最大值進(jìn)行對(duì)應(yīng)年份灌溉引水流量最大值的確定，根據(jù)此引水流量進(jìn)一步確定滿足設(shè)計(jì)保證率的流量，即為水泵設(shè)計(jì)流量。具體而言灌區(qū)泵站設(shè)計(jì)引水流量可按下式確定：

式（1）中：Q—泵站設(shè)計(jì)引水流量（m3/s）；q—設(shè)計(jì)灌溉率［m3/（s·hm2）］；ω—泵站控制灌溉面積（hm2）；t—泵站實(shí)際開(kāi)機(jī)時(shí)間（h/d）；η—灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

對(duì)于小型灌區(qū)而言，一般根據(jù)灌區(qū)實(shí)際并借鑒同規(guī)模灌區(qū)灌溉用水經(jīng)驗(yàn)，確定出主要作物一次灌水定額最大值，再根據(jù)下式確定泵站設(shè)計(jì)引水流量：

式（2）中：mi—灌區(qū)主要作物一次灌溉定額最大值［m3/（s·hm2）］；ωi—灌區(qū)主要作物實(shí)際種植面積（hm2）；T—一次灌溉持續(xù)時(shí)間（d）；其余參數(shù)含義同前。

2.2 泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程確定

2.2.1 進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位水源流動(dòng)變化是決定和影響進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位的主要因素之一。提水泵站的設(shè)計(jì)流量與渠道設(shè)計(jì)流量相同，故進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位也對(duì)應(yīng)著渠道設(shè)計(jì)水位；臨河泵站設(shè)計(jì)流量比渠道實(shí)際流量小，因?yàn)橐紤]水源實(shí)際水位及保證率。從河流內(nèi)取水時(shí)，設(shè)計(jì)水位按照平常灌溉期內(nèi)85%～95%的水源保證率下日平均水位確定，從渠道取水時(shí)，設(shè)計(jì)水位則按照渠道設(shè)計(jì)流量水位確定。

2.2.2 出水池設(shè)計(jì)水位

輸水干渠設(shè)計(jì)水位是決定泵站出水池設(shè)計(jì)水位的主要因素，通常結(jié)合灌區(qū)規(guī)劃中的控制高程、設(shè)計(jì)流量等參數(shù)，依據(jù)末級(jí)渠道設(shè)計(jì)水位進(jìn)行出水池設(shè)計(jì)水位的推求。為保證灌區(qū)耕地中90%及以上均能進(jìn)行自流灌溉，必須從田間向渠首逐級(jí)推求出水池設(shè)計(jì)水位，公式如下：

式（3）中：H出—出水池設(shè)計(jì)水位（m）；Z—灌區(qū)地面高程最大值（m）；ΔZ—灌區(qū)與其末級(jí)渠道高差（m）；Li—渠道實(shí)際長(zhǎng)度（m）；Δh—水頭損失。

2.2.3 水泵凈揚(yáng)程

灌溉泵站歷時(shí)最長(zhǎng)的工作揚(yáng)程即為水泵凈揚(yáng)程，為保證灌溉效率，降低能耗，應(yīng)在水泵凈揚(yáng)程工況下進(jìn)行泵站設(shè)計(jì)參數(shù)確定。通常情況下按照灌區(qū)運(yùn)行期內(nèi)水文系列資料進(jìn)行水量加權(quán)平均進(jìn)行凈揚(yáng)程的確定，公式如下：

式（4）中：H實(shí)—水泵凈揚(yáng)程（m）；H實(shí)i—分段揚(yáng)程實(shí)際值（m）；Qi—分段流量實(shí)際值（m3/s）；ti—分段歷時(shí)實(shí)際值（d）；其余參數(shù)含義同前。

3 水泵選型

3.1 水泵選型方法

在進(jìn)行灌溉泵站水泵選型前，必須充分考慮設(shè)計(jì)供水保證率下的設(shè)計(jì)揚(yáng)程和實(shí)際流量，并保證泵型的適應(yīng)性和效率性，在滿足灌溉設(shè)計(jì)流量的基礎(chǔ)上，盡可能選擇較大功率的水泵，以減少水泵數(shù)量，提升灌溉效率，節(jié)省灌溉時(shí)間。對(duì)于同一泵站，最好選擇使用同型號(hào)且吸水性能好的水泵。

根據(jù)所得出的泵站凈揚(yáng)程和泵站抽水量值進(jìn)行泵站裝置性能曲線的確定，具體見(jiàn)圖1，對(duì)于A、B、C等任意設(shè)計(jì)點(diǎn)，均可根據(jù)下式計(jì)算泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程值：

圖1 泵站裝置性能曲線圖

式（5）中：HZ—泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程值（m）；S—泵站供水管道阻力系數(shù)；Q—泵站供水管道實(shí)際流量（m3/s）；其余參數(shù)含義同前。

在通過(guò)等流量加大揚(yáng)程的傳統(tǒng)處理方式下，會(huì)根據(jù)B點(diǎn)所代表的參數(shù)值進(jìn)行水泵選型，若該點(diǎn)處泵站運(yùn)行效率最高，則所確定的泵型較好，可據(jù)此進(jìn)行泵型選擇的綜合分析。但結(jié)合大量工程實(shí)踐及試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，根據(jù)B點(diǎn)所代表的參數(shù)值進(jìn)行選型的水泵其最高效率點(diǎn)并非在B點(diǎn)，而在相對(duì)流量較小、揚(yáng)程較高的C點(diǎn)。隨著抽水量的一味增大，水泵實(shí)際上會(huì)在大流量低揚(yáng)程的A點(diǎn)處運(yùn)行。對(duì)于高揚(yáng)程泵站而言，其供水管路水力損失小，C點(diǎn)和A點(diǎn)的偏移并不大，所以，上述做法對(duì)于高揚(yáng)程泵站選型不會(huì)產(chǎn)生較大影響。但是，低揚(yáng)程泵站因供水管路損失較大，通過(guò)以上傳統(tǒng)方法進(jìn)行泵站選型必然會(huì)降低泵站運(yùn)行效率。為此，對(duì)于低揚(yáng)程泵站推薦使用大流量、變揚(yáng)程的選型策略。軸流泵、混流泵、離心泵的流量比設(shè)計(jì)流量分別小8%～10%、5%～10%、10%～15%，揚(yáng)程比設(shè)計(jì)揚(yáng)程大5%～8%、1%～5%、-2%～-4%。

根據(jù)文章所提出的方法進(jìn)行水泵選型后，還應(yīng)結(jié)合泵站流量進(jìn)行不同類型水泵數(shù)量的確定，公式如下：

式（6）中：Q設(shè)—泵站設(shè)計(jì)流量（m3/s）；ni—某種類型水泵數(shù)量（臺(tái)）；Qi—某種類型水泵單泵設(shè)計(jì)流量（m3/s）。

根據(jù)所繪制的灌溉泵站設(shè)計(jì)流量過(guò)程線進(jìn)行水泵選型后泵站實(shí)際出流量和實(shí)際用水過(guò)程線的擬合處理，并同時(shí)進(jìn)行灌溉排水流量變動(dòng)趨勢(shì)的檢查。所得擬合過(guò)程線和設(shè)計(jì)流量過(guò)程線越接近，則泵型的選擇越合理，也越能滿足灌區(qū)灌溉需要。相反，如果所得擬合過(guò)程線和設(shè)計(jì)流量過(guò)程線存在較大程度的背離，則必須重新進(jìn)行泵站選型分析并更換泵型和數(shù)量，而后重新進(jìn)行線型擬合檢驗(yàn)。

3.2 水泵選型應(yīng)注意的問(wèn)題

小型農(nóng)田水利設(shè)施項(xiàng)目灌溉泵站通常使用離心泵、混流泵、軸流泵等葉片泵，為保證泵站運(yùn)行的穩(wěn)定性與效率性，應(yīng)結(jié)合不同葉片泵型的性能特征進(jìn)行選型。通常情況下，混流泵運(yùn)行高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸功率對(duì)于不同工況廣泛適用，所以，在進(jìn)行葉片泵選型時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮混流泵。灌溉泵站運(yùn)行效率同時(shí)受單機(jī)容量、水泵數(shù)量等的影響，當(dāng)水泵容量既定時(shí)，水泵數(shù)量越多，越有助于滿足灌溉排量方面的要求，在泵站實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中因個(gè)別機(jī)組出現(xiàn)故障而影響灌溉的可能性也越小，但是勢(shì)必會(huì)增加設(shè)備購(gòu)置、土建施工、運(yùn)行管理等方面的費(fèi)用。所以，進(jìn)行灌溉泵站選型及機(jī)組數(shù)量確定時(shí)，必須綜合考慮水泵型號(hào)性能、采購(gòu)成本、造價(jià)、土建施工、運(yùn)行管理等方面。經(jīng)綜合論證后，臨汾市洪洞縣2016 年小型農(nóng)田水利設(shè)施項(xiàng)目擬建灌溉泵站在流量低于1.00 m3/s 的情況下，水泵數(shù)量至少2 臺(tái)，流量在1.00 m3/s以上時(shí)，水泵數(shù)量至少3臺(tái)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)臨汾市洪洞縣2016年小型農(nóng)田水利設(shè)施項(xiàng)目擬建灌溉泵站設(shè)計(jì)參數(shù)及水泵選型的分析表明，灌溉泵站設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)揚(yáng)程、水泵型號(hào)、機(jī)組數(shù)量等對(duì)確保泵站工程穩(wěn)定高效運(yùn)行及灌溉效率的提升十分關(guān)鍵。中國(guó)當(dāng)前小型農(nóng)田水利設(shè)施項(xiàng)目灌溉效率普遍不高，既無(wú)法提高財(cái)政支農(nóng)資金使用效率，又不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉條件的改善，為此，必須從灌溉泵站設(shè)計(jì)參數(shù)合理確定及泵站選型角度出發(fā)，切實(shí)提高小型農(nóng)田水利設(shè)施項(xiàng)目灌溉及運(yùn)行效率。