基于潜水泵串并联技术的移动电力提灌站研究

2016-03-22周小波曾文明李光辉阮红丽李玉玲四川省农业机械研究设计院成都610066

中国农村水利水电 2016年12期

周小波，曾文明，李光辉，阮红丽，梁君，李玉玲，卢珍(四川省农业机械研究设计院，成都 610066)

1 概述

提灌站是保证丘陵地区农业灌溉用水的重要基础设施。以四川为例，目前全省各类型的农村机电提灌站超过4万座，总装机功率达到120 万kW以上，有效灌面106.67万hm2以上。机电提灌站担负着全省1/3以上的水稻常年提水保栽保苗任务，为全省较大规模的现代农业园区、特色农业产业基地保驾护航作用显著，负责旱情发生时保生产、解人畜饮水困难的巨大作用。丘陵地区地形复杂，地形情况不同, 则对机电提灌设施的要求也不同, 通常来讲, 处于丘陵山地顶部的地块面积相对山下地块面积较小，满足这一部分地块的灌溉需求，则要求提灌站具有较高扬程, 反之，处于丘陵山坡中下部的地块，由于自然原因，土地面积相对山顶要大一些，这部分地块的灌溉蓄水量相对山顶要大一些，则要求提灌站能提供较大流量[1]，以提高作业效率。基于这样的技术需求，为了进一步扩大移动电力提灌站的使用范围，研究开发了以井用多级潜水泵为抽水机组的移动式电力提灌站。当地形落差超过100 m时，单级离心泵就很难满足要求，多级离心泵则体积大，结构复杂，不适合在移动提灌站中采用。井用潜水泵由于结构紧凑，技术成熟，安装方便，正被广泛应用于农业灌溉、市政供水、石油、化工等领域。其机组型号系列丰富，扬程和流量范围广，非常适合在丘陵山区使用。

2 系统设计

2.1 原理设计

根据丘陵山区地形和田块特点，为了达到一套机组满足高低地形不同的抽水需求，期望机组能方便地在串联和并联两种运行模式中自由切换，这是本研究重点解决的技术难点之一。与其他类型的水泵不同，井用潜水泵的电机在泵体下端，进水口在电机与泵体的连接处，处于整个机组的中部。由于没有进水管作为连接基础，井用潜水泵很少用于串联运行，并联运行则很容易实现。对水泵串、并联结构进行了设计，应用我们自有的“潜水泵集成装置”专利技术，通过合理设计进出水管道和控制阀门，实现了潜水泵出串并联运行，系统原理图如图1所示。

①-1号潜水泵；②-2号潜水泵；③-1号真空罐；④-2号真空罐；⑤-1号换向阀；⑥-2号换向阀；⑦-1号止回阀；⑧-2号止回阀；⑨-吸入口网罩；⑩-吸水管；-出水管。图1 系统原理图Fig.1 System schematic diagram

当水泵并联运行时，水从吸入口网罩9进入吸水管10，通过管道分别进入两台水泵真空罐中，换向阀6开启下和右通路，换向阀5开启左和右通路，整套机组进行并联作业；当需要水泵串联运行时，水从吸入口网罩9进入吸水管10，通过管道分别进入1号水泵真空罐中，换向阀6开启上和右通路，换向阀5开启左和下通路，经过1号潜水泵加压的水从管道进入到2号潜水泵的真空罐中，再从2号潜水泵的吸入口进入泵体，经过2次加压，从出水管11流出，机组进行串联作业。串联和并联的转换，主要通过调节两只换向阀来进行，操作十分方便。

2.2 结构设计

在原理设计的基础上，采用三维设计软件进行结构设计，并对细部结构进行优化。结构设计图如图2所示，加工完成后的机组如图3所示：

图2 车体三维轴测图Fig.2 3D axis measurement of car body

图3 车体实拍图Fig.3 Actual figure of car body

结构上利用潜水泵集成装置，解决了二级潜水泵的吸水问题，实现了井用潜水泵的串联运行。同时在并联运行时，潜水泵集成装置也大大地改善了潜水泵进水口吸入条件，保证了设备平稳运行。

2.3 控制系统设计

由于本设备研制的初衷，是要解决复杂多变情况下的提灌站抽水问题，期望该套设备能够尽可能拓宽其使用范围，并保证其节能功效运行，在控制上采用了变频控制技术。其中，一级泵采用工频运行，二级泵采用变频运行。这样，当现场情况发生变化时，可以自如地调节二级泵的电流频率，从而改变其运行转速，达到调节工况的目的。

3 性能实验

3.1 水泵串联运行的基本原理

传统意义上的水泵串联就是将前一台水泵的压水管作为后一台水泵的吸水管，使水依次以同一流量通过各台水泵，从而得到多次加压，取得更大扬程的一种运行方法[2]。由于潜水泵是直接淹没在水下运行，在结构上没有吸水管，因此，在实际工程应用中，几乎没有将潜水泵应用与串联运行的先例。但是在丘陵地区的提灌站工程中，由于地形落差大，水源情况复杂，普通离心泵不能完全满足要求，潜水泵仍然在提灌站工程中大量采用。潜水泵串联与普通离心泵串联的基本原理是相同的，在串联时理论上认为各台水泵的原有特性不变，在整个装置不断流的情况下，根据水流连续原理，各台水泵的流量应一致，而总扬程为各水泵在该流量下的扬程之和。

3.2 水泵并联运行的基本原理

丘陵地区的坡地中下部，地块面积比丘陵山地顶部要多，这时我们期望提灌站能提供更多的流量，而不需要太高的扬程，因此将水泵并联起来就能很好地解决这一个问题。潜水泵并联相对于串联要更容易实现，但也要注意一些问题。并联运转的几台水泵的扬程应该基本相等，并且扬程曲线应该是下降的，否则扬程低的水泵不能发挥作用，甚至可能从扬程低的那台泵倒流。为了防止这一现象发生，通常在几台并联的水泵出口应该设置止回阀。并联运行后，各台水泵的扬程基本保持不变，流量小于几台并联泵流量的总和[3]。

3.3 水泵性能测试

全部设备安装制作完成后，在四川省泵类及通用设备质量监督检验站的B级精度的水泵台架上对样机进行了性能测试。测试方法按照GB/T3216-2005《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》的相关要求，分别对单机、串联运行和并联运行进行了测试，标准中对被测水泵机组是否满足性能要求的判定方法有具体条款规定，规定性能点QSP、HSP为中心,以容差QSPXQ和HSPXH为长短半轴画一个椭圆。如果试验曲线与公差带椭圆相交或相切,可认为满足规定性能,否则就不满足规定性能[4]。

配套水泵的性能参数如表1所示。

表1 250QJ100-54-25型潜水泵参数表Tab.1 Submersible pump parameter table of 250QJ100-54-25

对单机测试的数据如表2所示。

表2 1号机组单机运行测试数据结果Tab.2 Test data results of unit 1 unit operation

根据实测结果，水泵性能特性曲线如图4所示。

图4 250QJ100-54-25型潜水泵性能特性曲线图Fig 4 Performance characteristic curve of 250QJ100-54-25 type submersible pump

根据该泵的性能特性曲线可以看出，采用十字线判定法，样机水泵的性能参数满足要求。

对机组串联测试的数据如表3所示。

根据实测结果，水泵串联运行的性能特性曲线如图5所示。

图5 250QJ100-54-25型水泵串联运行性能特性曲线图Fig.5 Performance characteristic curve of 250QJ100-54-25 type Submersible pump

根据该水泵串联运行性能特性曲线可以看出，采用十字线判定法，机组运行特性曲线满足设计要求。

对机组并联测试的数据如表4所示。

根据实测结果，水泵并联运行的性能特性曲线如图6所示。

根据该水泵串联运行性能特性曲线可以看出，采用十字线判定法，机组运行特性曲线满足设计要求。

4 结语

在本研究中，通过巧妙的结构设计，解决了潜水泵串联的问题，从而扩大了潜水泵的使用范围，一套机组实现了多工况运行，非常适合在丘陵山区进行推广应用。同时，该套设备经过简单改进，可以和水肥一体化技术相融合，进一步扩大其应用范围。机组采用移动式管理，扩大了机组的作业面积和使用范围，同时也便于维护和保养，除了解决灌溉问题，还可以用于抗旱、供水、排涝等场合，使用范围非常广泛，值得研究和推广。