变扬程水泵工况点（区）选择与经济运行问题探讨

姜财华

（太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024）

变扬程水泵工况点（区）选择与经济运行问题探讨

姜财华

（太原理工大学建筑设计研究院，山西 太原 030024）

灌溉泵站设计中，水泵的选型很重要。对水泵的经济运行进行分析研究，将有助于泵站的精细化管理和提高技术经济水平。通过对偏关县提水灌溉工程丰台梁三级站的水泵选型和运行分析，说明了分析和运用水泵本身特性、发挥水泵自身潜能以及通过调节泵站进水池水位等方法，可以使泵站实现经济运行。

泵站；水泵工作点（区）；变扬程；经济运行

1 概述

北方干旱山区灌溉扬水站的扬程通常较高，多选用离心式水泵。水泵选型采用水泵特性曲线图法，根据水泵的口径、流量和扬程范围以及效率水平来选择。首先确定泵站提水流量，然后计算总扬程（包括地形扬程、沿程水头损失和局部水头损失），查水泵特性曲线图确定水泵型号和工作台数。选择相同型号的水泵，有时根据用水流量变化情况采用大小搭配的方式。如单台水泵工作，工作点确定就较为简单；当选用多台水泵同时或组合运行时则比较复杂，多数情况下水泵运行不一定在一个点，而可能是一个范围（区），其效率也就不一定能保持在最高点，但应力求使水泵运行在高效率区。

2 影响水泵选型工况分析

总体把握水泵选型的影响因素，对水泵选型有显著影响的三个因素，地形扬程是否固定、地形扬程与损失扬程的大小关系，以及水泵扬水管的配置等作为三个变量进行组合，可得出八种工况，结果如表1。

除扬水管配置一项外，不同组合间并无明确的界限。可以看出，输水损失扬程在总扬程中所占比例较大，特别是多泵共用一管时，设计计算所涉及的影响因素最多，对水泵工作点选择最为不利。

3 影响水泵选型因素

3.1 水泵选型取决于流量和扬程两个变量

一是流量。在泵站设计中，单台水泵恒定流量供水的情况比较少见。农用灌溉泵站的灌溉流量，是依据季节、农作物种类和灌溉制度设计来确定全年供水过程。对于大的灌区，因其地区差异较大，更增加了供水过程的流量不均衡性。流量变化时流速随之变化，并以约二次方关系影响管道水头损失的大小。

表1 影响泵站水泵选型工况表

二是扬程。扬程可分为地形扬程和损失扬程两部分，而损失扬程又包含沿程损失和局部损失。多级泵站的二级以上各站通常地形扬程变化较小（但也有少数例外），而一级泵站的地形扬程大多在某一范围内变动。损失扬程的确定较为复杂，其中最关键的是糙率选取。

3.2 管道糙率是决定扬程的重要因素

管道糙率有两种常用的表达方式，在曼宁公式中为“n”，在哈森-威廉公式中为“Ch”。

糙率直接影响到损失扬程的计算，影响水泵的选型和水泵是否高效运行。工程实践中也发生过因糙率取值过大，使得计算扬程比实际扬程大太多而使水泵无法正常运行的实例。因此，正确选择管道糙率才能使计算扬程接近实际扬程，水泵才能在设定区域内正常运行。

管道糙率并非一成不变，泵站工作过一段时间后，管道的糙率可能发生变化。如：铸铁管道因长期运行而生瘤，使管道糙率明显加大。近年来由于老旧的铸铁管基本不再使用，这种情况已不多见；管壁衍生贝类、藻类生物。这种情况可能在南方高水温地区会出现。北方地区不常见；大直径钢管道的水泥砂浆内衬局部脱落，使管道内壁凹凸不平，糙率因此而加大。对于大直径钢管道采用挂钢丝网的水泥砂浆内衬，或者选用PCCP管，可以避免类似情况发生。

4 变扬程水泵工作区间确定和泵站的经济运行

以往在泵站设计中侧重对水泵的选型，而对泵站的运行则着力不多。以偏关县提黄灌溉工程丰台梁三级泵站设计为例，对水泵细分工作点（区）的确定，以及建成后的经济运行进行分析说明。

偏关县提黄灌溉工程丰台梁三级泵站从深10 m，容积10万m3的蓄水池取水，灌溉农田658.6 hm2。泵站吸水和扬水管路总长达7 834 m（其中进水管管径600 mm长3 013.1 m、500 mm长1 690.3 m，扬水管管径450 mm长3 130.6 m），水泵为负吸程安装，而且在吸水管路上还有蓄水池自压供水的灌溉支干管2条，泵站进水池水位在1 186.0～1 192.0 m之间变化，水泵中心线设计高程为1 168.497 m，出水池水位为1 212.6 m，地形扬程在20.6～26.6 m之间，两台水泵共用一条出水管道。

由此可见，该泵站地形扬程变化较大，管路输水扬程损失占比较大，且为多泵一管，属于水泵选型工况组合中最复杂的一类。

4.1 泵站设计流量

经灌溉制度设计，确定泵站提水峰值流量为0.21 m3/s，并以此作为设计流量。

4.2 泵站扬程计算

按照设计提水流量0.21 m3/s，在确定管材和管径的情况下，进行各种条件下的水力计算，得出其相应的总扬程，从中选择泵站最大工作扬程。计算结果见表2。

表2 水泵扬程计算结果

根据表2可知，泵站总扬程在40.21～49.83 m之间。损失扬程在总扬程中所占比例达到了42.44%～53.00%。因此，选择效率曲线较为平缓（即高效区较宽）的水泵，以适应本泵站扬程变化范围较大的特点。损失扬程的确定是否准确，对水泵工作点确定影响显著。

4.3 水泵选型

根据上述设计流量和总扬程，初步拟定选用SD200-420A（I）型水泵2台。按最高扬程49.83 m作为设计扬程，查该水泵特性曲线，相应流量为0.116 m3/s，两台水泵流量为0.232 m3/s；因其大于设计流量，经过校正计算，两台水泵同时工作时，扬程为50.66 m，相应流量为0.107 m3/h，两台流量为0.214 m3/s，稍大于设计流量。

4.4 运行过程分析

从设计用水过程线看，灌溉用水峰值流量为0.21 m3/s，但持续时间并不长，按照SD200-420A（I）型水泵的特性曲线判断，用水过程的大部分时段可能只启用一台水泵即可满足灌溉用水要求。

4.4.1 进水池高水位单台水泵可供流量计算

根据水泵特性曲线，在某一流量情况下，特性曲线上对应的扬程与实际扬程相等时，此时即为水泵工作点。

在进水池高水位（1 192.0 m）且吸水管不分流情况下，设计扬程最小，单台水泵供水流量最大。经计算，在这种情况下，即在进水池高水位时，单台水泵可供流量为0.203m3/s，扬程为38.95 m，轴功率95.7 kW。

4.4.2 进水池低水位单台水泵可供流量计算

在进水池低水位（1 186.0 m）且吸水管有分流情况下，设计扬程最大，单台水泵供水流量最小。即在进水池低水位时，单台水泵可供流量为0.174 m3/s，扬程为43.19m，轴功率89.75 kW。

4.4.3 泵站运行过程分析

根据偏关县提黄灌溉丰台梁灌区灌溉制度设计，全年在4月1日至11月5日之间灌溉，灌溉时间共计188 d。虽然设计确定为两台水泵，流量0.21 m3/s，但根据分析进水池水位在1 186.0～1 192.0 m范围变化时，单台水泵实际工作扬程在38.95～43.19 m之间变化，提水流量在0.206 m3/s～0.174 m3/s之间变化。因此，单台水泵工作即可满足绝大部分时间的灌溉用水需求，且水泵运行在效率曲线的高效区；只在灌溉高峰期的6月16日—9月10日，需要两台水泵同时工作。

4.4.4 经济运行及效益分析

通过分析可以看出，如果仅按水泵选型结果，采用包括调节阀门开度等方式在内的粗放式管理，以灌溉需水流量划分单台和两台水泵的工作范围，则全年灌水天数188 d中，单台水泵工作天数为40 d，其余148 d为两台水泵工作，则年工作台时数为6 048台时（按水泵每天工作18 h计），单台电机轴功率72.55 kW，则年用电量为46.19万kW·h（取电机效率为0.95）；如果以本文分析为基础，充分运用水泵特性、发挥水泵自身潜能和本工程两台共用一管的有利条件，尽可能多地在单台水泵工作区间运行，按进水池取平均水位计，则年灌水天数中两台水泵工作天数仅为30 d，单台水泵工作天数为158 d（电机轴功率平均为92.73 kW），年工作台时数为3 924台时，则用电量为38.30万kW·h。两者相比，年可节省电量7.89万kW·h。如通过前两级泵站合理运行，能将进水池的水位保持在高水位或接近于高水位，则年工作台时数将低至3 636台时，电费还可以更加节省。

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1004-7042（2017）04-0043-02

姜财华（1990－），男，2013年毕业于太原理工大学农业水利工程专业，助理工程师。

2017-02-07；

2017-03-19