中小型水泵并聯運行工況點計算淺析

劉興華 袁 芳

（西北勘測設計研究院 陜西 西安 710065）

一直以來，中小型泵站是保證小康社會建設、發展農村經濟的重要水利工程。怎樣提高中小型泵站的裝置效率，使其充分發揮經濟及社會效益，是當前需要解決的重要問題之一。隨著全國水管體制改革的不斷深入和農村經濟發展的迫切需要，中小型泵站在農田水利工程中的作用越顯突出。隨之也暴露出中小型泵站在設計中存在的一些需待解決的問題。本問通過對一座中型泵站和一座小型泵站并聯運行工況點的計算對比，提出小流量、高揚程水泵在設計中常見的問題，并分析原因，尋求合理的解決方法。

1 工程概況

泵站1設計灌溉面積1.81萬畝，計算灌溉流量1.46m3/s，工程為Ⅲ等中型工程，輸水管長度412m，管徑DN1000，泵站凈揚程63.8m。

泵站2設計灌溉面積0.11萬畝，計算灌溉流量0.08m3/s，工程為Ⅳ等小（1）型工程，輸水管長度1296m，管徑DN300，泵站凈揚程77m。

泵站1和泵站2均為灌溉提水泵站，輸水管道均為鑄鐵管，單管布置。

2 水泵初步選型

水泵選型的主要內容是確定水泵的類型、型號和臺數等。根據本工程功能需求及運行要求，考慮泵站設計流量及揚程范圍，確定選擇DFSS型雙吸泵。該系列水泵的高效率區較廣，能適應揚程的變化，水力效率高，汽蝕性能好。多級離心泵流量偏小，單級立式離心泵揚程偏小，均不適合本工況實際情況，而雙吸泵具有揚程高、流量大、性能可靠、高效節能、維修方便、使用壽命長等優點，在工程中得到廣泛應用。

根據兩座泵站的設計流量和揚程，由泵站運行需要，考慮一定的揚程保證率，初選兩座泵站的水泵型號及性能如表1。泵站1為三臺水泵，泵站2為兩臺水泵，不考慮備用。

3 設備指標校核

3.1 并聯管道水泵工作點推求

為了檢驗泵型及管路配置是否合適，應進行水泵裝置工作點校核，要求工作點落在水泵高效率范圍內，否則應重新選泵，或改變管路配置情況，或進行調節。

3.1.1 裝置性能參數（H需、Q）計算

由下式計算：

式中，H凈—泵站凈揚程，m；

S沿—管路沿程阻力系數，用下式計算：

S局—管路局部阻力參數，用下式計算：

Q—通過管路的流量，m3/s；

n—管路材料糙率，本次取0.013；

D—管路直徑，m；L—管線長度；

ξ—管路局部阻力系數；

D局—局部阻力系數相應流速處管徑；K—修正系數，取1.1。

3.1.2 水泵工作點推求

工程設計情況：泵站1三泵并聯運行；泵站2兩泵并聯運行。

表1 水泵型號及性能參數

表2 泵站1水泵工作點參數

表3 泵站2水泵工作點參數

圖1 泵站1水泵工作點推求圖

圖2 泵站2水泵工作點推求圖

運行水泵并聯運行工作點的校核，需確定不同工作揚程下的水泵工作點，然后分析是否滿足設計要求。

首先，按同一比例將三臺或水泵并聯后總性能曲線與并聯管路系統特性曲線Q-H需繪到同一坐標系中，得兩曲線的交點A，A為并聯工作點，再由A向左作水平線與水泵性能曲線Q-H交于A’，A’即為并聯運行時每臺水泵的工作點。兩座泵站工作點分別見圖1、圖2所示。

根據上圖，可知兩座泵站的水泵在三泵并聯、雙泵并聯運行時的工作點，相關數據見表2、表3。

根據上述計算可知，兩座泵站的水泵無論哪種工況均在高效區運行，故選取的水泵是合適的。

3.2 終選水泵型號

通過對并聯管道水泵運行工況點計算和電機功率的復核，初選水泵無論哪種工況均在高效區運行，所配電機功率均滿足負荷要求，設計流量均滿足灌溉要求，故初選水泵型號是合適的。

3.3 泵站裝置效率預測

泵站裝置主要由動力機、水泵、管路、出水池組成，泵站裝置效率是反映抽水設備及泵站各部分效率的綜合指標，一般按下式計算：

式中，η裝——泵站裝置效率，%；

η泵——運行工況下水泵運行效率，%；

η動——電動機的效率，取95%；

η傳——傳動裝置效率，直接傳動，取值1；

η管——進、出水管路效率，η管=H管/H總，%；

兩座泵站的裝置效率預測結果詳見表4。

表4 泵站裝置效率預測

上述計算結果顯示，泵站1的裝置效率高于規范要求的最低值65%，而泵站2則不滿足規范要求的該值。

3.4 能源單耗計算

能源單耗是水泵機組將1000m3（t）的水抽高1m所消耗的電能（kW·h），其單位為“kW·h/kt·m”。能源單耗是反映泵站的機泵配套、設備效率和機組運行工況等情況的一項綜合性技術經濟指標。可按下式計算：

經計算，兩座泵站的能源單耗E詳見表5。

表5 能源單耗計算表

根據計算結果，泵站1的能源單耗低于國家標準 5 kW·h/kt·m，滿足要求，而泵站2則不滿足該規定。

4 計算結果分析

根據以上計算結果，水泵選型及電機功率均滿足規范要求，但裝置效率預測和能源單耗計算結果顯示，泵站1的裝置效率及能源單耗均滿足規范及國家相關規定，而泵站2裝置效率低于規范要求的65%，能源單耗超出國家規定的5 kW·h/kt·m。分析其原因，主要有以下兩點：①泵站2管道較長、水頭損失較大，管道效率較低；②泵站2流量小，揚程高，適用的水泵普遍效率較低。

5 方案優化

針對泵站2裝置效率和能源單耗不符合規范要求的問題，由主要影響因素可知，方案優化的重點是提高管道效率η管，因此優化方案采取的措施為增大管徑，即由原方案的DN300鑄鐵管調整為DN450鑄鐵管，再根據調整后的Q-H需重新選水泵，進行設備指標校核，計算結果與原方案對比見表6。

表6 原方案和優化方案結果對比

通過上表可知，方案調整后，所選水泵功率有所減小；管道加大后，流速明顯減小，水頭損失也因此減小，管道效率η管提高約10%，裝置效率η裝提高17%，達到61%，能源單耗降低到國家規定范圍內。由此可見，增大管徑對提高泵站裝置效率起著關鍵性作用。

但是，優化方案也存在不足之處，即管道流速減小太多，低于管道的經濟流速0.6m/s，管道容易產生淤堵；同時，從經濟角度講，管徑增大，單價由原來的450元/m增加至810元/m（材料費+安裝費），增長幅度高達80%，使得工程一次性投資較大。在這種情況下，是否采用優化方案還需進行進一步的討論。

6 總結

綜上所述，對比泵站1和泵站2，泵站1選擇水泵的范圍更廣，適用的水泵效率普遍較高，加之管徑選擇合適，因此裝置效率能達到較高的水平。而對于相比較之下的泵站2，因其流量小、揚程高、管道長的特點，適用的水泵效率普遍較低（經查閱很多資料，目前小流量、高揚程水泵效率普遍低于75%），在管道流速合適時，泵站裝置效率很難達到規范要求的最小值，而增加管徑雖能提高裝置效率，卻使管道流速降低，同時工程投資增幅較大。在這種情況下，是否采取增大管徑的方法來提高裝置效率還有待進一步討論和研究，業主可根據投資要求及泵站運行管理特點等因素進行取舍。

設計時，水泵選型主要是確定水泵需要的參數，而最終型號則由廠家通過招標確定，因此在工程招標時，應提高水泵效率要求，盡可能選擇高效率的水泵。通常水泵效率應要求在85%以上，而流量小、揚程高的水泵效率應要求在80%以上。泵站實際裝置效率應以最終采購的水泵計算為準。陜西水利