提灌站水泵設計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

(四川省農業機械研究設計院，成都 610066)

0 引 言

提灌站是解決丘陵地區農業灌溉用水的重要基礎設施，在確保糧食和經濟作物安全生產方面擔負著重要作用。在提灌站方案設計中，泵的選型至關重要[1-4]，若選型不合理，可能導致葉輪產生氣蝕、電機超負荷、水泵停機等一系列問題，甚至存在一些安全隱患。本文研究分析了兩個管道沿線具有多出水口的提灌站，通過分析其現狀和存在的問題，提出了水泵變頻運行和兩臺泵串聯運行的解決方案，為相關工程設計人員提供了一定的參考。

1 典型案例1

1.1 工程現狀

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，凈揚程52 m。主要建筑物包含泵房1座，進水池1座，出水池1座。主要機電設備包含井用潛水電泵1臺，額定流量140 m3/h，額定揚程126 m，額定功率75 kW，額定轉速2 900 r/min。出水管道為焊接鋼管，長度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。②現有供水量偏小，需增加至200 m3/h左右。

1.3 水泵設計選型及分析

1.3.1 管路系統組成

在水泵設計選型方面，采用節能改造技術，針對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2個出水口，并對水泵進行變頻控制的方案解決。供水管路系統組成如圖1所示。

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

1.3.2 水泵選型

根據該提灌站相關基礎數據進行水泵選型，以凈揚程最大、管道最長的出水口3進行計算。

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

(1)

式中：Q為設計流量，m3/h，根據需水要求初步取200 m3/h；v為管道內流速，m/s，初步確定流速v=2.5 m/s。

經計算確定出水管規格為外徑0.2 m，壁厚0.011 9 m，壓力等級1.0 MPa；進水管規格為外徑0.219 m，壁厚0.008 m。

(2)水力計算。進水管為焊接鋼管，沿程水頭損失采用達西公式計算，其中沿程摩阻系數采用舍維列夫公式[5]計算：

(2)

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程摩阻系數；L為管道長度，m，根據踏勘得進水管長度為8.5 m；v為管道內平均流速，m/s；d為管道內徑，m。

出水管為HDPE管，沿程水頭損失采用海澄-威廉公式[5]計算：

(3)

式中：Q為管道流量，m3/s；L為管道長度，m，根據踏勘得出水管長度為1 100 m；Ch為海澄-威廉系數，取150；d為管道內徑，m。

局部水頭損失一般按沿程水頭損失的5%～15%計，本文取11%。

經計算得進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。

則裝置揚程Hz：

Hz=ha+Hall=27.27+52=79.27

(4)

根據上述計算結果，選用單級單吸離心泵1臺，額定流量200 m3/h，額定揚程80 m，額定功率75 kW，額定轉速2 900 r/min。

1.3.3 額定轉速下水泵運行分析

所選水泵在額定轉速下的性能參數如表1所示。

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

根據出水口3的凈揚程和上述管道水力計算結果求得出水口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)

根據上述3個裝置特性曲線方程，分別計算得到3個出水口在各流量工況下的裝置揚程，結果如表2所示。

表2 3個出水口的裝置特性參數Tab.2 Device characteristic parameter of three outlets

泵特性曲線上的每一個點對應一個工況，泵的最佳運行工況點是最高效率點。

每個提灌站對水泵的性能要求不同，實際中的工況點不一定就在最高效率點，因此為了減少水泵的規格，通常認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。

根據表1和表2做出額定轉速下水泵特性曲線和3個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，對應流量范圍為160～240 m3/h。水泵的實際運行工況點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確定。出水口3的管路特性曲線與水泵Q-H曲線交于a點，a點位于AB曲線段內，即水泵實際運行在正常工作范圍之內。出水口2的管路特性曲線與Q-H曲線交于b點，b點位于AB曲線段外，即水泵實際運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曲線的交點已經遠遠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，當該水泵以額定轉速運行時，只能保證出水口3運行在正常工作范圍之內，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。當離心泵偏離正常工作范圍運行時，不僅效率降低明顯而且系統也非常不穩定，容易產生機械振動，噪聲加劇，甚至出現超功率燒電機的情況。因此，該水泵不能在額定轉速下分別滿足3個出水口的正常供水要求。

圖2 額定轉速下水泵特性曲線和3個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

根據泵相似理論，若已知轉速為n1時的特性曲線上某點A1(H1，Q1),則轉速為n2時與A1點相似的工況點的參數為：

(8)

(9)

根據水泵在額定轉速下的性能參數計算得到水泵在轉速為1 450 r/min下的性能參數(假定轉速變化時相似工況點的效率相等)，如表3所示。

1.3.4 變轉速下水泵運行分析

通過水泵在轉速為2 900 r/min下的A和B工況點參數，可分別做出通過A點和B點的等效率曲線，等效率曲線方程為：

表3 水泵在變轉速下的性能參數(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，計算得KA=0.003 281，KB=0.001 25。通過A點和B點的等效率曲線上各流量工況下的參數如表4所示。

表4 等效率點參數Tab.4 Parameter of constant efficiency

根據表1、表2、表3、表4做出變轉速下水泵特性曲線和3個出水口的管路特性曲線圖，如圖3所示。從圖3中可以看出，當水泵運行在1 450～2 900 r/min之間時，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工況點的等效率曲線確定其正常工作范圍為ABCD，可見水泵變頻運行時，其正常工作范圍比定頻運行時大幅擴大，且泵在此范圍內的任一點工作，效率下降最多不會超過5%。當管路特性曲線與水泵變頻運行正常工作范圍相交時，在滿足出水口供水要求下保證水泵實際運行工況點在正常工作范圍之內。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，根據泵相似理論計算得在b工況點水泵運行轉速為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，同理計算得在d和c工況點水泵運行轉速分別為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，同理計算得在f和e工況點水泵運行轉速分別為1 722和2 151 r/min。可見，3個出水口可分別通過改變水泵運行轉速確定實際運行工況點來滿足用水需求，且3個出水口通過改變水泵運行轉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 變轉速下水泵特性曲線和3個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。水源為水庫，凈揚程55m。主要建筑物包含泵房1座，出水池1座。主要機電設備包含井用潛水電泵1臺，額定流量50 m3/h，額定揚程120 m，額定功率25 kW，額定轉速2 850 r/min。出水管道為焊接鋼管，長度800 m，直徑0.1 m。

2.2 存在的問題

該站具體存在以下幾個方面問題：①近年來，隨著柑橘種植規模的快速擴大，該站的水量不能滿足其灌溉用水需求。②管路沿線新建養魚場一個，該站需為其提供用水。③高處種植灌溉用水與低處養殖用水水量均需200 m3/h左右，高低處用水不同時進行。

2.3 水泵設計選型及分析

2.3.1 變轉速下管路系統組成及水泵選型

水泵選型、裝置特性參數等效率曲線參數等計算方法和過程同案例1，此案例中略。

針對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行解決。根據該提灌站相關基礎數據計算，選用單級單吸離心泵1臺，額定流量200 m3/h，額定揚程80 m，額定功率75 kW，額定轉速2 900 r/min。進水管道為焊接鋼管，長度10 m，直徑0.2 m。出水管道為HDPE管，長度800 m，外徑0.2 m，壓力等級1.0 MPa。供水管路系統組成如圖4所示。

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

2.3.2 變轉速下水泵運行分析

所選水泵在額定轉速下的性能參數如表1所示。

2個出水口在各流量工況下的裝置特性參數如表5所示。

表5 2個出水口的裝置特性參數Tab.5 Device characteristic parameter of two outlets

根據水泵在額定轉速下的性能參數計算得到水泵在轉速為725 r/min下的性能參數(假定轉速變化時相似工況點的效率相等)，如表6所示。

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

根據表1、表5、表6做出變轉速下水泵特性曲線和2個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點工況和c點工況之間流量范圍為61～ 104 m3/h，最大流量約小于養殖需水流量的一半，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，選用一臺離心泵進行變頻運行，不能分別滿足高處種植和低處養殖的用水量需求。

圖5 變轉速下水泵特性曲線和2個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 串聯管路系統組成及水泵選型

在水泵變頻運行不能滿足要求的情況，考慮采用一臺深井潛水泵和一臺單級單吸離心泵串聯的方案解決供水問題，當低處養殖用水時，只開啟深井潛水泵供水，當高處種植用水時，同時開啟深井潛水泵和單級單吸離心泵供水。根據該提灌站相關基礎數據計算，選用深井潛水泵1臺，額定流量200 m3/h，額定揚程20 m，額定功率18.5 kW，額定轉速2 900 r/min；單級單吸離心泵1臺，額定流量187 m3/h，額定揚程70 m，額定功率55 kW，額定轉速2 900 r/min。進水管道為焊接鋼管，長度10 m，直徑0.2 m。出水管道為HDPE管，長度800 m，外徑0.2 m，壓力等級1.0 MPa。供水管路系統組成如圖6所示。

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

2.3.4 水泵串聯運行分析

不同的2臺泵串聯運行時，總揚程是在同一流量下2臺泵相應揚程相加得到。2臺泵在額定轉速下的性能參數及串聯性能參數如表7所示。

表7 2臺泵在額定轉速下的性能參數及串聯性能參數Tab.7 Pump performance parameter of two pump and connection in series at rated speed

圖7 串聯水泵特性曲線和2個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

根據表6、表7做出串聯水泵特性曲線和2個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。當低處養殖用水時，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，d點流量為207 m3/h，滿足養殖用水需求。當高處種植用水時，同時開啟深井潛水泵和單級單吸離心泵供水，出水口2管路特性曲線與串聯Q～H曲線相交于b點，b點流量為218 m3/h，滿足種植用水需求，此時深井潛水泵和單級單吸離心泵的運行工況點分別是e點和c點，e點和c點均在其各自正常工 作范圍內。由此可見，采用一臺深井潛水泵和一臺單級單吸離心泵串聯的方案可分別解決高處種植和低處養殖的供水問題，且水量滿足用水需求。

3 總 結

(1)水泵的實際運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繪制出所選水泵的特性曲線及多臺水泵的串聯特性曲線，然后再準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行工況的要求。

(2)目前變頻技術已成為控制水泵變速運行的主要手段，因此建議提灌站設計中，對于多出水口的情況，優先考慮變頻措施調節水泵運行工況。

(3)對于管道沿線具有兩個出水口的提灌站，當兩個出水口揚程相差較大但需水流量相差不大時，采用水泵變頻方案不能滿足要求時，可采用兩臺水泵串聯運行的方案解決供水問題。