长输水系统水泵全特性曲线研究综述

谷明行

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州450000；浙江水利水电学院水利与海洋工程研究所，浙江 杭州310018）

中国水资源南多北少，水资源时空分布差异大，为了解决北部以及西北的供水问题，中国近年来建设了一大批输水工程，完成对水资源的合理调度，推动国民经济发展，如南水北调工程[1]、山西省万家寨引黄工程、云南大理海东三岔河引水工程、辽宁观音阁水库输水工程等。在长输水工程中，有压管道输水是其中重要的输水方式，水锤问题是长距离有压管道输水工程最常见而又突出的问题，长距离输水线路发生严重水锤引起爆管问题频频发生，因此研究长距离有压输水工程中水泵特性对水锤的影响，对长距离输水管道的安全防护具有重要意义。

1 水泵特性及其水泵特性曲线的研究

水泵特性曲线是描绘水泵主要性能参数的关系曲线，从目前研究的深度和广度来看，其种类和数量已不能满足水力过渡过程计算的需要。所以当某一水泵的全特性曲线未知或不能实际测定时，往往要选择取用现有的、与该水泵同类型且Ns相近的全性能曲线。因而，广泛收集了不同比转速、不同型式的水泵全性能曲线。陕西省水电设计院与沈阳水泵厂等单位协作，通过模型试验和参数计算，绘制KD2-110x2型离心泵全面性能曲线图[2]。1957年，美国学者斯捷潘诺夫提出Ns=127的双吸离心泵、Ns=530混流泵和Ns=950的轴流泵的全性能曲线，记录在他所著的《离心泵和轴流泵》[3]一书中。前苏联学者Л·Ф·莫斯宁等将52B-11型离心泵的全特性曲线图[2]发表在他所著的《水锤防护指示》一书中。美国R·M·皮阿巴德通过测绘得到了Ns=110的立式单级离心泵的全面特性曲线。日本星光浩提出Ns=80（实际为77.5）的涡壳式离心泵的全面性能曲线和Ns=110的“沼沢沼”水泵全面性能曲线。由日本荏原制作所实测所得，发表在他所著的《水锤》[4]书中，美国专家J·泊马金提供了Ns值为140～150的离心泵四象限特性曲线[2]，记录在《巨型抽水系统中的水锤压力波》论文中。1981年，中国武汉水电学院抽水站教研室测得了Ns=358的混流泵全面特性曲线。综上所述，目前已有或测定水泵特性曲线资料不多，其种类和数量已不能满足水力过渡过程计算的需要。而对于目前突出的停泵水锤的危害问题，更需要深入探讨。对水泵进行试验测定水泵特性曲线难度很大，而对大型泵进行测定更加困难。

2 水泵全特性曲线数值化拟合方法研究概述

水泵比转速Ns是描述水泵特性和叶轮形状的参数，叶片泵比转速的Ns的范围大致为100～2500。根据比转速数值的大小，水泵形式依次由离心泵、混流泵向轴流泵过渡。宽泛的比转速范围和繁多形式规格的水泵，导致进行全特性曲线的测定十分困难。在计算水力过渡过程中，通常没有相同比速相同类型泵的全特性曲线数据，因此往往使用相近比转速相同类型水泵全特性曲线[5]。这种方法无疑会产生计算误差[6]。针对这一问题，刘竹溪等在《泵站水锤及其防护》[7]中提出四条分别以WH-x、WB-x为坐标，比转速Ns=90、Ns=260、Ns=530、Ns=950的全特性曲线，通过三次多项式建立通用公式法。金锥等在《停泵水锤及其防护》中提出利用水泵水力学相似律，在Ns较小的模型泵中测定曲线，再利用各相似定律换算成原型泵的工作参数。刘光临等[8]利用计算机仿真技术和矩形域正交多项式最小二乘曲面拟合数学模型拟合任意Ns水泵全性能曲线，可用计算机仿真预测得到水泵全性能曲线。卢伟等[9]提出利用BP神经网络拟合曲线得到新的水泵全特性曲线拟合模型。在水泵水轮机方面，王林锁等[10]采用矩形域最小二乘曲面拟合数学模型，通过计算机模拟拟合曲面方程，提出了曲面分层拟合曲线方法，得到了水泵水轮机的全特性曲线拟合方法。马军在论文《水泵全特性曲线数值化改造的补充及其在停泵水锤计算中不同应用方法的比较研究》中提出对通用模型的三次多项式拟合进行改造，得到五次多项式拟合以及分类三次多项式拟合的新型曲线拟合法。在建立水泵总体全特性曲线数学模型的基础上，路胜[11]给出了具体的计算机模拟方法和拟合结果，为计算机建立通用模型的打下了基础。梁山城等[12]为获得满足精度和效率要求的全性能曲线，采用最小二乘法原理进行曲线拟合。

3 拟合方法的评价

现对各个常用的数值化方法的预测情况进行概述。

3.1 对就近取值法的综述

就近取值法是当水泵的全面性能曲线资料未知的情况下，前期较为常见的一种方法，当水泵型号相同且比转速值相近时，水泵全特性曲线计算的结果影响很小，可用于指导长输水工程中的水锤保护。当使用差距较大比转速的不同类型的泵的全部性能曲线来模拟泵的水锤计算时，计算结果不能用于指导保护措施的使用，且不能用于指导对泵的保护[13]。

3.2 对通用公式法的综述

刘竹溪等在《泵站水锤及其防护》一书中提出了通用公式法，根据Ns=77、Ns=99和Ns=130的离心泵、Ns=530的混流泵、Ns=950的轴流泵的全特性曲线提出了通用公式法。绘制出WH-x和WM-x曲线，发现x值在一定条件下，WH（x）和WM（x）随Ns公式有对应的变化律。通过这个方法可以求出任意Ns对应的WH（x）和WM（x）值。此方法是拟合方法中的经典方法，但是由于书中只根据四种比转速、不同型式的水泵[14-15]推出通用公式，得到的通用模型并不是很精确。

3.3 对水泵全特性神经网络预测模型的综述

近年来，有人提出了一种BP神经网络预测模型来拟合水泵全性能曲线。此类方法是根据计算机实验，利用神经网络的学习能力，通过反馈拟合出曲线模型，具有很高的精度的新型计算机拟合水泵全特性曲线方法。预测得到的性能曲线精度相比通用公式法较高。但此方法需预处理大样本，计算难度较大。需要大量的数据以及开发完成的模型，开发成本相对前两种更高。

可见常用的三种水泵特性曲线预测方法都存在一定的限制，所以提出新型的预测方法显得尤为重要[16-18]。

4 结论

长距离有压输水过程运行工况复杂，对发生事故停泵的泵处进行水力过渡过程计算以及进行精确模拟十分困难，当水泵的全特性曲线未知时，主要采用改造后的水泵特性曲线对泵处进行水力过渡过程计算以及进行精确模拟。当水泵全特性曲线拟合技术还不成熟以及测量的数据存在偏差时，提高曲线的拟合精度、开发合适的拟合方法是非常重要的。构建更加简单的数学模型，使其具有普适性，提高曲线的拟合速度和精度也是今后的研究方向之一。水泵全特性曲线的拟合方法的成熟度将是智能计算停泵水利过渡过程的关键。