膜下滴灌工程中水泵最优化选型的探讨

姜 震

（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林长春 130021）

1 引言

国家粮食安全、水资源安全始终是推动农村经济发展和农民增收的关键。但是我们国家水资源非常短缺，特别是我国北方地区水资源供需矛盾非常尖锐，干旱已成为农业生产的主要制约因素。通过近几年东北地区“节水增粮行动”实施的效果，膜下滴灌工程为提高粮食综合生产能力、农业节水能力，为农业增产、农民增收和现代农业建设提供了有力的支撑，以水资源的可持续利用保障了经济社会的可持续发展。

膜下滴灌工程，是在膜下应用滴灌技术。这是一种结合了以色列滴灌技术和国内覆膜技术优点的新型节水技术，即在滴灌带或滴灌毛管上覆盖一层地膜。这种技术是通过可控管道系统供水，将加压的水经过过滤设施滤―清”后，和水溶性肥料充分融合，形成肥水溶液，进入输水干管—支管—毛管，再由毛管上的滴水器一滴一滴地均匀、定时、定量浸润作物根系发育区，供根系吸收。

在滴灌方式输水灌溉中，通常是用水泵给灌溉系统加压的。水泵是一种输送和提升水的机器，它可以把原动机的机械能转换为被输送水的动能或势能。因为它用途广泛，所以它既是一种水力机械，也是一种通用机械。水泵选型的主要内容是确定水泵的类型、型号和台数等等。水泵选择的是否合理，不仅影响到灌溉系统能否按设计的工况实现正常运行，而且还将影响到今后长期运行期间费用的高低。因此，在进行膜下滴灌管道输水灌溉工程的技术设计时，水泵的选型显得尤为重要。

2 水泵选型

2.1 水泵选型的原则

（1）必须根据滴灌系统的需要满足流量和扬程（或压力）的要求。

（2）水泵应该在高效范围内运行。

（3）水泵在滴灌运行周期时间内，水泵运行效率较高，能量消耗较少，运行费用较低。

（4）按所选的水泵型号和台数设置合理的配套系统，工程投资较少。

（5）在设计标准的各种工况下，水泵能正常安全运行，即不允许发生汽蚀、振动和超载等现象。

（6）便于安装、维修和运行管理。

2.2 水泵的类型

在节水灌溉工程中常用的水泵通常是叶片式泵，它是通过装有叶片的叶轮在泵壳内高速旋转来完成能量转换的。叶片泵可分为三类：离心泵、混流泵、轴流泵。

由于节水灌溉工程中单个地块控制的面积不大，所需要的流量一般都比较小，扬程除喷灌外也不算高，而且逐步有向低压灌溉发展的趋势，因此目前东北地区膜下滴灌工程中常用的水泵大多是离心泵，常用的离心泵泵型有：单级单吸离心泵、单级双吸离心泵、潜水电泵、自吸泵。

2.3 离心泵的性能参数

离心泵的性能参数是用来表征离心泵性能的一组数据，包括：流量、扬程、功率、效率、转速、允许吸上真空高度，一共有六个。

2.4 离心泵的性能曲线

由于水泵的六个性能参数之间既相互联系，又相互制约，关系比较复杂，因此目前尚不能用数学上的函数关系准确地表达它们之间的变化规律。通常，水泵的六个性能参数之间的关系是通过水泵实验的方法，采集水泵各相应的性能参数，在坐标图上用性能关系曲线来表达。这个关系曲线即为水泵的基本性能曲线。指导水泵实验的理论依据是水泵的相似率和比例率。

水泵相似率和比例率有以下用途：

（1）设计新泵型—模型泵试验；

（2）确定相似泵性能—已知泵实验性能；

（3）换算性能参数—已知水泵的额定工况。

对同一台泵来说，不同转速下性能参数之间的换算关系，即：Q1／Q2=n1／n2流量与转速的一次方成正比；H1／H2=(n1／n2)2扬程与转速的平方成正比；N1／N2=(n1／n2)3功率与转速的立方成正比。

将泵的转速n作为常量，将流量Q、扬程H、功率P、效率ŋ和允许吸上真空高度Hs，随流量Q变化而变化的关系，在以流量为横坐标，扬程、轴功率、效率、允许吸上真空高度为纵坐标的坐标图上，分别绘制成的Q–H曲线、Q–P曲线、Q–ŋ曲线、Q–Hs曲线，统称为水泵性能曲线，见图1。

2.5 离心泵正常运行工作点的确定

水泵在实际运行时，它的工作状况取决于以下因素。

（1）水泵的性能—由水泵性能曲线（Q–H曲线）。

（2）管路的性能—由管路特性曲线（将管路的特性曲线与需要的净扬程，在以流量为横坐标，扬程为纵坐标的坐标系中进行叠加，即可得到需要扬程曲线，即管路中的水头损失随流量变化而变化的曲线Q–H损曲线）。

图1 300JC130-12型长轴泵性能曲线

（3）上下水位差—净扬程（指水源水位与管路中最不利点的地形高差）。

上述三个因素中任何一个发生变化，水泵的工作状况都要随着发生变化。也就是说水泵运行时的实际工作点是一个动态的工作点。要使水泵处于最优化状态，水泵实际工作点尽量少变动，而且尽量在水泵的高效区范围内变动。在这里必须引入一个需要扬程曲线的概念，需要扬程曲线指的是将管路的特性曲线与需要的净扬程，在以流量为横坐标，扬程为纵坐标的坐标系中进行叠加，即可得到需要扬程曲线，即Q–H需曲线（H需=H净＋h损）。水泵工作点的确定，也就是水泵工作状况的确定。

将所选水泵的流量–扬程曲线（Q–H曲线）和灌溉系统的需要扬程曲线（Q–H需）画在同一坐标系中，这两条曲线的交点，就是这台水泵的工作点。水泵运行中的实际工作点并不一定是水泵铭牌上标注的额定工况点的值。工作点所对应的流量和扬程，就是这台水泵正常运行时，可提供给灌溉系统的流量和扬程。

工作点不仅确定了 Q和 H，而且还可从水泵的 Q–P曲线、Q–ŋ曲线、Q–Hs曲线图上查出相对应的其他工作参数 P、ŋ、Hs等。以便校验水泵工作效率的高低，相对应的功率的大小，是否有汽蚀发生的危险。

同一台水泵只要转速不变，它的（Q–H）曲线是不变的；而灌溉系统运行时相对不同的轮灌组，其（Q–H需）曲线是变化的。所以这两条曲线的交点—工作点是一个实时变动的点。

显然，水泵的工作点是随着灌溉系统的（Q–H需）曲线变化而沿着水泵的（Q–H）曲线移动的动态点。当一台水泵不能满足灌溉工程的需求时，可根据需要选择多台泵进行并联或串联运行。

当水泵并联或串联运行时，并联或串联后总流量扬程曲线可在流量—扬程坐标系上，以参与并联或串联的水泵流量扬程曲线为基础，用作图法得到。

作图方法有横加法和纵加法，（1）横加法是指将同扬程下的流量相加；（2）纵加法是指将同流量下的扬程相加。

水泵并联是指由几台水泵向一条公共出水管供水，称为水泵的并联工作。水泵并联通常用于一台水泵不足以供给所需流量的场合。水泵并联的总扬程曲线可用横加法画出。并联后的总扬程曲线与需要扬程曲线的交点为并联时的工作点，它反映了几台水泵并联时共同向公共出水管提供的流量和扬程。由该工作点画Q轴的平行线，与每台水泵的 Q–H曲线的交点，为并联时每台水泵的工作点，它反映了并联时每台水泵分别向公共出水管提供的流量和扬程。水泵在并联工作时，（1）各台水泵提供给公共出水管联结点的压力是相同的。（2）并联时每台水泵的工作点均位于其单独向同一出水管供水时的工作点的左侧。（3）并联时每台水泵的流量均小于它单独向同一条管路输水时的流量。（4）并联时每台水泵的功率均小于它单独向同一条管路输水时的功率。（5）但为水泵选配动力机时应按其单独工作时的功率配套。

水泵串联是指几台水泵顺次连接，前一台水泵向后一台水泵的进水管供水，称为串联工作。通常用于一台水泵不足以供给所需扬程的场合。水泵串联的总流量扬程曲线可用纵加法画出。串联后的总扬程曲线与需要扬程曲线的交点为串联时的工作点，它反映了几台水泵串联时共同向出水管提供的流量和扬程。水泵串联工作时，各台水泵中通过的流量是相同的，其总扬程为该流量下各台水泵的扬程之和。

2.6 离心泵工作点的调节

选择或使用水泵时，当其工作点偏离高效区较远，造成水泵运行效率太低、耗能较高、或易发生汽蚀，又找不到可以用来替代的合适的离心泵时，可对现有的离心泵进行工况调节。调节的方法有：节流调节、分流调节、变速调节、车削调节。

2.6.1 节流调节

节流调节是指通过关小水泵出水管路上的闸阀来改变离心泵工作点位置的方法。节流调节虽简单易行，但很不经济。一般多用在实验室的水泵性能试验中，实际生产中很少采用。当离心泵实际运行中工作点的位置在高效区外的右侧偏离较多时，关小闸阀就相当于在管路上增加了一个局部阻力，使原管路特性曲线变陡，随着阀门逐渐关小，其工作点就会沿着水泵的 Q–H曲线朝着流量减小的方向移动，直到工作点向左移到高效区范围内。

2.6.2 分流调节

分流调节是指在水泵出水管上接装一条支管或旁通管，分出部分流量来改变水泵的工作点。

当离心泵实际运行中工作点的位置在高效区外的左侧偏离较多时，可安装一条分流管以增大水泵的出水量，则其工作点就会沿着水泵的Q–H曲线朝着流量增大的方向移动，直到工作点向右移到高效区范围内。

2.6.3 变速调节

变速调节是指改变离心泵的转速使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工作点的目的。

变速调节的步骤为：

（1）需要的水泵工况点 B(QB、HB)不在已知转速为nA的水泵Q–H曲线上。

（2）由比例率求出相似工况抛物线公式：k = H1／；将 QB、HB值代入，求出 k，则有：H=k Q2。

（3）在水泵的流量—扬程坐标系中画出相似工况抛物线，与已知水泵 Q–H曲线相交于点A(QA、HA)。

（4）将需要工况点B的流量值和A点的流量值以及已知水泵额定转速值代入比例率公式，即可求出调节后的转速 nB=nAQB／QA。则点 B即为转速为nB的Q–H曲线上的点。

（5）根据比例率得出式：HB／每给出已知水泵(Q–H)A曲线上的一组(QA、HA)值和 QB的值，即可求出与 QB对应的 HB的值。照此办理，陆续求出 6～7组（QB、HB)值，并在已知水泵(Q–H)A曲线的坐标图上点出他们的位置，将这些点连成曲线，即可得到调速后转速为nB且过点B的(Q–H)B曲线来。

（6）由曲线(Q–H)B与Q–H需曲线可求水泵变速后的工作点。

2.6.4 车削调节

车削调节是指沿外径车小离心泵的叶轮，以改变水泵性能曲线，达到调节水泵工作点的目的。

利用车削抛物线和车削换算公式可求出叶轮的车削量，并可画出车削后，过需要的水泵工况点 B(QB、HB)的 Q–HB曲线。由曲线 Q–HB与Q–H需曲线可求水泵变速后的工作点。

车削调节的特点为：

（1）车削具有不可恢复性，因此应慎重选择。

（2）车削不改变叶轮进口的尺寸，不会降低水泵的汽蚀性能。

（3）车削量有限制，不同比转数的叶轮允许的车削量不同，在叶轮上车削的位置也不同。

3 离心泵应注意的其他问题

（1）水泵铭牌上的流量与扬程是水泵的额定流量和额定扬程。

（2）水泵制造厂家还应提供水泵的性能曲线，即流量—扬程曲线、流量—功率曲线、流量—效率曲线、流量—允许吸上真空高度曲线。选择水泵不能仅看水泵铭牌，更重要的是应看水泵能否经常保持在高效区内运行。

（3）离心泵出口处必须安装闸阀，不能采用快速开启和关闭的球阀。启动时为关阀启动，首部应设置真空表（安装在水泵进口处）、压力表（安装在水泵出口处）、流量计（安装在水泵出水管上闸阀的后面）、逆止阀（安装在水泵出水管上闸阀的前面），水泵扬程较高（大于 25米）时，应安装安全阀（安装在水泵出水管上闸阀的后面）。应利用计量仪表，配合水泵出水管路上的主闸阀，实时监控水泵的运行。灌溉系统运行时，应按照每个轮灌组要求的流量，观察流量计显示的读数，调整主闸阀的开度，使水泵运行时提供给灌溉系统的流量能满足灌溉系统的实际需求。

离心泵出水管路上安装主闸阀，不仅是实现关阀启动减轻电机启动荷载的要求，而且也是实现轮灌组按设计要求正常运行的保证。

（4）离心泵运行时，真空表和压力表读数之差，即为读数时水泵的实际扬程。水泵进水口应安装在动水位以下2m处。井用潜水泵配套的出水管，在经济合理且不影响安装和检修的前提下，泵管可选配增大一级的管径。

4 结语

根据以上探讨，得出水泵选型步骤：

（1）根据灌溉系统的设计流量和设计扬程值，利用水泵产品样本或其他技术资料中的水泵系列谱图、性能曲线或性能参数表，初步选出扬程符合要求、流量不等的几种水泵，并根据灌溉设计流量和每种泵型的额定流量，算出所需泵型的台数。

（2）根据初步选出的水泵，确定管径大小及管路布置方式，绘制管路特性曲线。根据水泵性能曲线和管路特性曲线求出在设计、平均、最高和最低扬程下的工作点。校核所选水泵在设计扬程下的流量是否满足要求，在平均扬程下是否在高效区运行，在其他扬程下能否稳定、安全运行。

（3）根据吸入装置条件计算泵站装置汽蚀余量，并根据必需汽蚀余量校核所选水泵在所有工况点能否满足汽蚀要求。

（4）只有所选水泵能够同时满足上述步骤（2）和步骤（3）两点要求，才能确定所选泵型为最优选型。如不符合要求，可采用调节措施或另选泵型。

1 丘传忻. 《泵站》. 中国水利水电出版社.

2 栾鸿儒. 《水泵及水泵站》. 中国水利水电出版社.

3 张志新等. 《滴灌工程规划设计原理与应用》. 中国水利水电出版社.