折引特性曲線法在揚黃灌溉泵站更新改造中的應用

王全鋒，楊 璐，馬會珍，董滇紅

(黃河勘測規劃設計有限公司，鄭州 450003)

1 工程概況

某揚黃灌溉泵站設計流量10.95 m3/s，安裝8大2小共10臺水泵，運行方式為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1管布置，4～7號為4機1管布置。大泵單機出水量1.405 m3/s，小泵單機出水量0.88 m3/s，凈揚程41.02 m，泵站總揚程48.4 m，壓力出水管道為3排DN1 600 PCP管道。

由于泵站機電設備投運時間過長，遭受泥沙磨損嚴重，泵站出水流量不能滿足灌溉流量需求。經安全鑒定，已不能滿足安全運行要求，需要將水泵、電動機、進水閥、進出水管道、橋機等主要水機設備進行更新。

根據規劃復核結果，在維持設計流量不變的前提下，通過改變水泵型號和裝機臺數的措施對泵站進行更新改造。考慮與現狀上一級泵站流量匹配需要，采用大小泵搭配運行，經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。該泵站屬于揚黃灌溉泵站，水泵臺數為8臺(大于3臺小于9臺)，根據《泵站設計規范》(GB50265-2010)相關規定，備用1臺大泵。

2 水泵主要技術參數

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

3 采用折引特性曲線法分析運行工況

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3個泵組存在的各種運行工況，分別繪制管路特性曲線和水泵并聯曲線，采用圖解法對各泵組運行工況進行分析計算。

表1 水泵選型參數

由于不同型號水泵的特性曲線不同，匯合點前管道損失不一樣，水泵并聯后，每臺泵的工況點揚程也不相同。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，不能使用等揚程下流量疊加的原理繪制并聯曲線。針對工程實際情況，通過采用折引特性曲線法來繪制并聯曲線求水泵裝置的工況點。

在水泵的Q～H特性曲線上減去相應流量下匯合點之前的水頭損失，得到(Q～H)′曲線，即為折引特性曲線，此曲線上各點的縱坐標值，表示水泵在扣除了匯合點之前管道中相應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，得到大小泵的(Q～H)′曲線，即后續泵組工況分析圖中的大小泵單泵虛線所示，然后使用等揚程下流量疊加的原理繪制水泵并聯后的總和(Q～H)'曲線，即后續泵組工況分析圖中的并聯虛線所示。

根據《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為水泵折減后的揚程，泵組工況分析圖中單泵虛線縱坐標值；H為水泵的實際揚程，泵組工況分析圖中單泵實線縱坐標值；Q為水泵的實際流量，泵組工況分析圖中單泵橫坐標值；S為匯合點之前管路阻力系數。

從上述公式可以看出，當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運行工況分析。該泵組存在有5種運行工況，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，各種運行工況統計見圖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單泵工況點統計表中數據可以看出，隨著泵組1運行臺數的減少，大小泵均呈現流量增大、揚程減小、效率降低的趨勢，說明泵組1運行水泵臺數越少，水泵偏離高效區越遠，大泵單泵運行最大流量1.972 m3/s小于2.08 m3/s，小泵單泵運行最大流量0.573 m3/s小于0.6 m3/s，大小泵均在水泵高效區范圍內。

圖2 泵組1水泵并聯曲線和管路特性曲線

運行工況單泵工況點泵型流量/(m3·s-1)揚程/m效率/%水泵軸功率/kW所選電機功率/kW功率備用系數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運行工況分析。該泵組存在有2種運行工況，即：2臺大泵、1臺大泵，各種工況組合工況點見圖3和表3。

圖3 泵組2水泵并聯曲線和管路特性曲線

運行工況單泵工況點泵型流量/(m3·s-1)揚程/m效率/%水泵軸功率/kW所選電機功率/kW功率備用系數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單泵工況點統計表中數據可以看出，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大運行工況與泵組1的2大、1大運行工況相同，從工況點的數據相同得到驗證。

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

從表4泵組3單泵工況點統計表中數據可以看出，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大運行工況下，大泵單泵流量增大。大泵單泵運行最大流量1.992 m3/s小于2.08 m3/s，在水泵高效區范圍內。

表4 泵組3不同運行工況單泵工況點統計

圖4 泵組3水泵并聯曲線和管路特性曲線

綜上所述，所選水泵在3個泵組的各種運行工況下，均能保持在水泵高效區范圍內運行，通過運行不同水泵臺數，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)配套電機功率選擇。根據《泵站更新改造技術規范》(GB/T50510-2009)相關要求：“當泵站為抽含沙水或污水時，對其功率備用系數k，宜采用1.2～1.4”，通過對泵站各泵組可能出現的運行工況進行分析可知，所選配套電機功率均滿足規范要求。

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

表5 泵組不同組合方式單泵效率統計

從表5分析可知，根據泵站運行方式(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范圍內，滿足不同泵組大泵出現故障時，設備檢修需要，各泵組水泵仍能高效運行，提高了泵站的供水保證率和流量適應性。

4 結 語

采用折引特性曲線法對揚黃灌溉泵站不同型號水泵并聯泵組不同工況進行分析計算可知，所選水泵在各種運行工況下均在高效區，配套電機功率均滿足規范要求；通過對泵站運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行工況下，各泵組仍能高效運行。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，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，達到節能高效的目的。

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[1] GB50265-2010,泵站設計規范[S].

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

[3] GB/T50510-2009,泵站更新改造技術規范[S].