折引特性曲線法在揚(yáng)黃灌溉泵站更新改造中的應(yīng)用

王全鋒，楊 璐，馬會珍，董滇紅

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，鄭州 450003)

1 工程概況

某揚(yáng)黃灌溉泵站設(shè)計流量10.95 m3/s，安裝8大2小共10臺水泵，運(yùn)行方式為7大+2小，備用1臺大泵，水泵采用交錯式布置，壓力鋼管1～3號、8～10號為3機(jī)1管布置，4～7號為4機(jī)1管布置。大泵單機(jī)出水量1.405 m3/s，小泵單機(jī)出水量0.88 m3/s，凈揚(yáng)程41.02 m，泵站總揚(yáng)程48.4 m，壓力出水管道為3排DN1 600 PCP管道。

由于泵站機(jī)電設(shè)備投運(yùn)時間過長，遭受泥沙磨損嚴(yán)重，泵站出水流量不能滿足灌溉流量需求。經(jīng)安全鑒定，已不能滿足安全運(yùn)行要求，需要將水泵、電動機(jī)、進(jìn)水閥、進(jìn)出水管道、橋機(jī)等主要水機(jī)設(shè)備進(jìn)行更新。

根據(jù)規(guī)劃復(fù)核結(jié)果，在維持設(shè)計流量不變的前提下，通過改變水泵型號和裝機(jī)臺數(shù)的措施對泵站進(jìn)行更新改造?？紤]與現(xiàn)狀上一級泵站流量匹配需要，采用大小泵搭配運(yùn)行，經(jīng)方案比選之后擬采用8臺泵方案(7臺大泵1臺小泵)，水泵形式為臥式離心泵。該泵站屬于揚(yáng)黃灌溉泵站，水泵臺數(shù)為8臺(大于3臺小于9臺)，根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB50265-2010)相關(guān)規(guī)定，備用1臺大泵。

2 水泵主要技術(shù)參數(shù)

改造后的泵站凈揚(yáng)程為40.37 m，壓力出水管道為3排PCP管道，單排長度1 938 m。大泵設(shè)計流量為1.82 m3/s，設(shè)計揚(yáng)程為47.99 m，小泵設(shè)計流量為0.52 m3/s，設(shè)計揚(yáng)程為47.14 m，所選水泵性能參數(shù)見表1。

3 采用折引特性曲線法分析運(yùn)行工況

泵站水泵布置示意圖見圖1，泵站分為3個泵組，3排出水管道，其中泵組1由2臺大泵和1臺小泵組成，出水管道直徑為1 600 mm；泵組2由2臺大泵組成，出水管道直徑為1 600 mm；泵組3由3臺大泵組成，出水管道直徑為1 800 mm。根據(jù)3個泵組存在的各種運(yùn)行工況，分別繪制管路特性曲線和水泵并聯(lián)曲線，采用圖解法對各泵組運(yùn)行工況進(jìn)行分析計算。

表1 水泵選型參數(shù)

由于不同型號水泵的特性曲線不同，匯合點(diǎn)前管道損失不一樣，水泵并聯(lián)后，每臺泵的工況點(diǎn)揚(yáng)程也不相同。同型號水泵由于布置不對稱，造成管道損失不一樣，出水壓力管徑不相同，管路特性曲線不相同。綜合以上分析，不能使用等揚(yáng)程下流量疊加的原理繪制并聯(lián)曲線。針對工程實(shí)際情況，通過采用折引特性曲線法來繪制并聯(lián)曲線求水泵裝置的工況點(diǎn)。

在水泵的Q～H特性曲線上減去相應(yīng)流量下匯合點(diǎn)之前的水頭損失，得到(Q～H)′曲線，即為折引特性曲線，此曲線上各點(diǎn)的縱坐標(biāo)值，表示水泵在扣除了匯合點(diǎn)之前管道中相應(yīng)流量時的水頭損失后，尚剩的能量。本工程的具體做法是：采用折引特性曲線法先將大小泵的Q～H特性曲線分別折減到匯合點(diǎn)，得到大小泵的(Q～H)′曲線，即后續(xù)泵組工況分析圖中的大小泵單泵虛線所示，然后使用等揚(yáng)程下流量疊加的原理繪制水泵并聯(lián)后的總和(Q～H)'曲線，即后續(xù)泵組工況分析圖中的并聯(lián)虛線所示。

根據(jù)《水泵及水泵站》(第5版)教材，水泵廠樣本中所提供Q～H曲線上的高效段，單泵折減計算可以采用下列方程的形式表示：

圖1 泵站水泵布置示意圖

HZ=H-SQ2

式中：HZ為水泵折減后的揚(yáng)程，泵組工況分析圖中單泵虛線縱坐標(biāo)值；H為水泵的實(shí)際揚(yáng)程，泵組工況分析圖中單泵實(shí)線縱坐標(biāo)值；Q為水泵的實(shí)際流量，泵組工況分析圖中單泵橫坐標(biāo)值；S為匯合點(diǎn)之前管路阻力系數(shù)。

從上述公式可以看出，當(dāng)S一定情況下，Q越大，SQ2越大，H與HZ的差值越大，折減后的水泵特性曲線與原曲線偏移越大。

(1)泵組1運(yùn)行工況分析。該泵組存在有5種運(yùn)行工況，即：2臺大泵1臺小泵、2臺大泵、1臺大泵1臺小泵、1臺大泵、1小臺小泵，各種運(yùn)行工況統(tǒng)計見圖2和表2。

從圖2可以看出，單泵折減后的水泵特性曲線，大泵折減偏移明顯大于小泵。從表2泵組1單泵工況點(diǎn)統(tǒng)計表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著泵組1運(yùn)行臺數(shù)的減少，大小泵均呈現(xiàn)流量增大、揚(yáng)程減小、效率降低的趨勢，說明泵組1運(yùn)行水泵臺數(shù)越少，水泵偏離高效區(qū)越遠(yuǎn)，大泵單泵運(yùn)行最大流量1.972 m3/s小于2.08 m3/s，小泵單泵運(yùn)行最大流量0.573 m3/s小于0.6 m3/s，大小泵均在水泵高效區(qū)范圍內(nèi)。

圖2 泵組1水泵并聯(lián)曲線和管路特性曲線

運(yùn)行工況單泵工況點(diǎn)泵型流量/(m3·s-1)揚(yáng)程/m效率/%水泵軸功率/kW所選電機(jī)功率/kW功率備用系數(shù)k2大1小大泵1.81448.12888.991010.15512501.237小泵0.50847.44286.04289.0624001.3842大大泵1.85547.21388.881015.48912501.2311大1小大泵1.94545.13488.401023.49312501.221小泵0.55244.37585.58295.0414001.3561大大泵1.97244.48888.191025.17712501.2191小小泵0.57342.70385.04297.0714001.346

(2)泵組2運(yùn)行工況分析。該泵組存在有2種運(yùn)行工況，即：2臺大泵、1臺大泵，各種工況組合工況點(diǎn)見圖3和表3。

圖3 泵組2水泵并聯(lián)曲線和管路特性曲線

運(yùn)行工況單泵工況點(diǎn)泵型流量/(m3·s-1)揚(yáng)程/m效率/%水泵軸功率/kW所選電機(jī)功率/kW功率備用系數(shù)k2大大泵1.85547.21388.881015.48912501.2311大大泵1.97244.48888.191025.17712501.219

從表3泵組2單泵工況點(diǎn)統(tǒng)計表中數(shù)據(jù)可以看出，由于出水壓力管道為DN1 600的PCP管，故泵組2管路特性曲線與泵組1的相同，2大、1大運(yùn)行工況與泵組1的2大、1大運(yùn)行工況相同，從工況點(diǎn)的數(shù)據(jù)相同得到驗證。

(3)泵組3運(yùn)行工況分析。該泵組存在有3種運(yùn)行工況，即：3臺大泵、2臺大泵、1臺大泵，各種工況組合工況點(diǎn)見表4和圖4。

從表4泵組3單泵工況點(diǎn)統(tǒng)計表中數(shù)據(jù)可以看出，由于出水壓力管道為DN1 800的PCP管，管路特性曲線比泵組1和泵組2更緩，故2大、1大運(yùn)行工況下，大泵單泵流量增大。大泵單泵運(yùn)行最大流量1.992 m3/s小于2.08 m3/s，在水泵高效區(qū)范圍內(nèi)。

表4 泵組3不同運(yùn)行工況單泵工況點(diǎn)統(tǒng)計

圖4 泵組3水泵并聯(lián)曲線和管路特性曲線

綜上所述，所選水泵在3個泵組的各種運(yùn)行工況下，均能保持在水泵高效區(qū)范圍內(nèi)運(yùn)行，通過運(yùn)行不同水泵臺數(shù)，與上一級泵站形成很好的流量匹配，滿足泵站不同流量需求。

(4)配套電機(jī)功率選擇。根據(jù)《泵站更新改造技術(shù)規(guī)范》(GB/T50510-2009)相關(guān)要求：“當(dāng)泵站為抽含沙水或污水時，對其功率備用系數(shù)k，宜采用1.2～1.4”，通過對泵站各泵組可能出現(xiàn)的運(yùn)行工況進(jìn)行分析可知，所選配套電機(jī)功率均滿足規(guī)范要求。

(5)泵組不同組合工況分析。根據(jù)泵站運(yùn)行方式(6臺大泵+1臺小泵，備用1臺大泵)，將1臺備用大泵設(shè)置在不同泵組，對3個泵組的組合運(yùn)行工況進(jìn)行分析，泵組不同組合方式單泵效率統(tǒng)計見表5。

表5 泵組不同組合方式單泵效率統(tǒng)計

從表5分析可知，根據(jù)泵站運(yùn)行方式(6臺大泵+1臺小泵，備用1臺大泵)，備用大泵在不同泵組運(yùn)行工況下，大泵效率最高為88.99%，最低為88.19%，小泵效率最高為86.04%，最低為85.58 %，大小泵效率均在高效區(qū)范圍內(nèi)，滿足不同泵組大泵出現(xiàn)故障時，設(shè)備檢修需要，各泵組水泵仍能高效運(yùn)行，提高了泵站的供水保證率和流量適應(yīng)性。

4 結(jié) 語

采用折引特性曲線法對揚(yáng)黃灌溉泵站不同型號水泵并聯(lián)泵組不同工況進(jìn)行分析計算可知，所選水泵在各種運(yùn)行工況下均在高效區(qū)，配套電機(jī)功率均滿足規(guī)范要求；通過對泵站運(yùn)行方式下泵組不同組合方式單泵效率分析，驗證備用大泵在不同泵組運(yùn)行工況下，各泵組仍能高效運(yùn)行。本次改造考慮泥沙對水泵的影響，過流部件選用耐磨損的材質(zhì)，選用汽蝕性能好的水泵，使泥沙對水泵所造成的磨損減到最小，從而提高水泵效率，降低水泵能耗，達(dá)到節(jié)能高效的目的。

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[1] GB50265-2010,泵站設(shè)計規(guī)范[S].

[2] 姜乃昌,許仕榮,張朝升.泵與泵站[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3] GB/T50510-2009,泵站更新改造技術(shù)規(guī)范[S].