折引特性曲线法在扬黄灌溉泵站更新改造中的应用

王全锋，杨 璐，马会珍，董滇红

(黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003)

1 工程概况

某扬黄灌溉泵站设计流量10.95 m3/s，安装8大2小共10台水泵，运行方式为7大+2小，备用1台大泵，水泵采用交错式布置，压力钢管1～3号、8～10号为3机1管布置，4～7号为4机1管布置。大泵单机出水量1.405 m3/s，小泵单机出水量0.88 m3/s，净扬程41.02 m，泵站总扬程48.4 m，压力出水管道为3排DN1 600 PCP管道。

由于泵站机电设备投运时间过长，遭受泥沙磨损严重，泵站出水流量不能满足灌溉流量需求。经安全鉴定，已不能满足安全运行要求，需要将水泵、电动机、进水阀、进出水管道、桥机等主要水机设备进行更新。

根据规划复核结果，在维持设计流量不变的前提下，通过改变水泵型号和装机台数的措施对泵站进行更新改造。考虑与现状上一级泵站流量匹配需要，采用大小泵搭配运行，经方案比选之后拟采用8台泵方案(7台大泵1台小泵)，水泵形式为卧式离心泵。该泵站属于扬黄灌溉泵站，水泵台数为8台(大于3台小于9台)，根据《泵站设计规范》(GB50265-2010)相关规定，备用1台大泵。

2 水泵主要技术参数

改造后的泵站净扬程为40.37 m，压力出水管道为3排PCP管道，单排长度1 938 m。大泵设计流量为1.82 m3/s，设计扬程为47.99 m，小泵设计流量为0.52 m3/s，设计扬程为47.14 m，所选水泵性能参数见表1。

3 采用折引特性曲线法分析运行工况

泵站水泵布置示意图见图1，泵站分为3个泵组，3排出水管道，其中泵组1由2台大泵和1台小泵组成，出水管道直径为1 600 mm；泵组2由2台大泵组成，出水管道直径为1 600 mm；泵组3由3台大泵组成，出水管道直径为1 800 mm。根据3个泵组存在的各种运行工况，分别绘制管路特性曲线和水泵并联曲线，采用图解法对各泵组运行工况进行分析计算。

表1 水泵选型参数

由于不同型号水泵的特性曲线不同，汇合点前管道损失不一样，水泵并联后，每台泵的工况点扬程也不相同。同型号水泵由于布置不对称，造成管道损失不一样，出水压力管径不相同，管路特性曲线不相同。综合以上分析，不能使用等扬程下流量叠加的原理绘制并联曲线。针对工程实际情况，通过采用折引特性曲线法来绘制并联曲线求水泵装置的工况点。

在水泵的Q～H特性曲线上减去相应流量下汇合点之前的水头损失，得到(Q～H)′曲线，即为折引特性曲线，此曲线上各点的纵坐标值，表示水泵在扣除了汇合点之前管道中相应流量时的水头损失后，尚剩的能量。本工程的具体做法是：采用折引特性曲线法先将大小泵的Q～H特性曲线分别折减到汇合点，得到大小泵的(Q～H)′曲线，即后续泵组工况分析图中的大小泵单泵虚线所示，然后使用等扬程下流量叠加的原理绘制水泵并联后的总和(Q～H)'曲线，即后续泵组工况分析图中的并联虚线所示。

根据《水泵及水泵站》(第5版)教材，水泵厂样本中所提供Q～H曲线上的高效段，单泵折减计算可以采用下列方程的形式表示：

图1 泵站水泵布置示意图

HZ=H-SQ2

式中：HZ为水泵折减后的扬程，泵组工况分析图中单泵虚线纵坐标值；H为水泵的实际扬程，泵组工况分析图中单泵实线纵坐标值；Q为水泵的实际流量，泵组工况分析图中单泵横坐标值；S为汇合点之前管路阻力系数。

从上述公式可以看出，当S一定情况下，Q越大，SQ2越大，H与HZ的差值越大，折减后的水泵特性曲线与原曲线偏移越大。

(1)泵组1运行工况分析。该泵组存在有5种运行工况，即：2台大泵1台小泵、2台大泵、1台大泵1台小泵、1台大泵、1小台小泵，各种运行工况统计见图2和表2。

从图2可以看出，单泵折减后的水泵特性曲线，大泵折减偏移明显大于小泵。从表2泵组1单泵工况点统计表中数据可以看出，随着泵组1运行台数的减少，大小泵均呈现流量增大、扬程减小、效率降低的趋势，说明泵组1运行水泵台数越少，水泵偏离高效区越远，大泵单泵运行最大流量1.972 m3/s小于2.08 m3/s，小泵单泵运行最大流量0.573 m3/s小于0.6 m3/s，大小泵均在水泵高效区范围内。

图2 泵组1水泵并联曲线和管路特性曲线

运行工况单泵工况点泵型流量/(m3·s-1)扬程/m效率/%水泵轴功率/kW所选电机功率/kW功率备用系数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)泵组2运行工况分析。该泵组存在有2种运行工况，即：2台大泵、1台大泵，各种工况组合工况点见图3和表3。

图3 泵组2水泵并联曲线和管路特性曲线

运行工况单泵工况点泵型流量/(m3·s-1)扬程/m效率/%水泵轴功率/kW所选电机功率/kW功率备用系数k2大大泵1.85547.21388.881015.48912501.2311大大泵1.97244.48888.191025.17712501.219

从表3泵组2单泵工况点统计表中数据可以看出，由于出水压力管道为DN1 600的PCP管，故泵组2管路特性曲线与泵组1的相同，2大、1大运行工况与泵组1的2大、1大运行工况相同，从工况点的数据相同得到验证。

(3)泵组3运行工况分析。该泵组存在有3种运行工况，即：3台大泵、2台大泵、1台大泵，各种工况组合工况点见表4和图4。

从表4泵组3单泵工况点统计表中数据可以看出，由于出水压力管道为DN1 800的PCP管，管路特性曲线比泵组1和泵组2更缓，故2大、1大运行工况下，大泵单泵流量增大。大泵单泵运行最大流量1.992 m3/s小于2.08 m3/s，在水泵高效区范围内。

表4 泵组3不同运行工况单泵工况点统计

图4 泵组3水泵并联曲线和管路特性曲线

综上所述，所选水泵在3个泵组的各种运行工况下，均能保持在水泵高效区范围内运行，通过运行不同水泵台数，与上一级泵站形成很好的流量匹配，满足泵站不同流量需求。

(4)配套电机功率选择。根据《泵站更新改造技术规范》(GB/T50510-2009)相关要求：“当泵站为抽含沙水或污水时，对其功率备用系数k，宜采用1.2～1.4”，通过对泵站各泵组可能出现的运行工况进行分析可知，所选配套电机功率均满足规范要求。

(5)泵组不同组合工况分析。根据泵站运行方式(6台大泵+1台小泵，备用1台大泵)，将1台备用大泵设置在不同泵组，对3个泵组的组合运行工况进行分析，泵组不同组合方式单泵效率统计见表5。

表5 泵组不同组合方式单泵效率统计

从表5分析可知，根据泵站运行方式(6台大泵+1台小泵，备用1台大泵)，备用大泵在不同泵组运行工况下，大泵效率最高为88.99%，最低为88.19%，小泵效率最高为86.04%，最低为85.58 %，大小泵效率均在高效区范围内，满足不同泵组大泵出现故障时，设备检修需要，各泵组水泵仍能高效运行，提高了泵站的供水保证率和流量适应性。

4 结 语

采用折引特性曲线法对扬黄灌溉泵站不同型号水泵并联泵组不同工况进行分析计算可知，所选水泵在各种运行工况下均在高效区，配套电机功率均满足规范要求；通过对泵站运行方式下泵组不同组合方式单泵效率分析，验证备用大泵在不同泵组运行工况下，各泵组仍能高效运行。本次改造考虑泥沙对水泵的影响，过流部件选用耐磨损的材质，选用汽蚀性能好的水泵，使泥沙对水泵所造成的磨损减到最小，从而提高水泵效率，降低水泵能耗，达到节能高效的目的。

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[1] GB50265-2010,泵站设计规范[S].

[2] 姜乃昌,许仕荣,张朝升.泵与泵站[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2007.

[3] GB/T50510-2009,泵站更新改造技术规范[S].