姜 震

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

1 引言

國家糧食安全、水資源安全始終是推動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)民增收的關(guān)鍵。但是我們國家水資源非常短缺，特別是我國北方地區(qū)水資源供需矛盾非常尖銳，干旱已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要制約因素。通過近幾年東北地區(qū)“節(jié)水增糧行動”實施的效果，膜下滴灌工程為提高糧食綜合生產(chǎn)能力、農(nóng)業(yè)節(jié)水能力，為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)提供了有力的支撐，以水資源的可持續(xù)利用保障了經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。

膜下滴灌工程，是在膜下應(yīng)用滴灌技術(shù)。這是一種結(jié)合了以色列滴灌技術(shù)和國內(nèi)覆膜技術(shù)優(yōu)點的新型節(jié)水技術(shù)，即在滴灌帶或滴灌毛管上覆蓋一層地膜。這種技術(shù)是通過可控管道系統(tǒng)供水，將加壓的水經(jīng)過過濾設(shè)施濾―清”后，和水溶性肥料充分融合，形成肥水溶液，進入輸水干管—支管—毛管，再由毛管上的滴水器一滴一滴地均勻、定時、定量浸潤作物根系發(fā)育區(qū)，供根系吸收。

在滴灌方式輸水灌溉中，通常是用水泵給灌溉系統(tǒng)加壓的。水泵是一種輸送和提升水的機器，它可以把原動機的機械能轉(zhuǎn)換為被輸送水的動能或勢能。因為它用途廣泛，所以它既是一種水力機械，也是一種通用機械。水泵選型的主要內(nèi)容是確定水泵的類型、型號和臺數(shù)等等。水泵選擇的是否合理，不僅影響到灌溉系統(tǒng)能否按設(shè)計的工況實現(xiàn)正常運行，而且還將影響到今后長期運行期間費用的高低。因此，在進行膜下滴灌管道輸水灌溉工程的技術(shù)設(shè)計時，水泵的選型顯得尤為重要。

2 水泵選型

2.1 水泵選型的原則

（1）必須根據(jù)滴灌系統(tǒng)的需要滿足流量和揚程（或壓力）的要求。

（2）水泵應(yīng)該在高效范圍內(nèi)運行。

（3）水泵在滴灌運行周期時間內(nèi)，水泵運行效率較高，能量消耗較少，運行費用較低。

（4）按所選的水泵型號和臺數(shù)設(shè)置合理的配套系統(tǒng)，工程投資較少。

（5）在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的各種工況下，水泵能正常安全運行，即不允許發(fā)生汽蝕、振動和超載等現(xiàn)象。

（6）便于安裝、維修和運行管理。

2.2 水泵的類型

在節(jié)水灌溉工程中常用的水泵通常是葉片式泵，它是通過裝有葉片的葉輪在泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)來完成能量轉(zhuǎn)換的。葉片泵可分為三類：離心泵、混流泵、軸流泵。

由于節(jié)水灌溉工程中單個地塊控制的面積不大，所需要的流量一般都比較小，揚程除噴灌外也不算高，而且逐步有向低壓灌溉發(fā)展的趨勢，因此目前東北地區(qū)膜下滴灌工程中常用的水泵大多是離心泵，常用的離心泵泵型有：單級單吸離心泵、單級雙吸離心泵、潛水電泵、自吸泵。

2.3 離心泵的性能參數(shù)

離心泵的性能參數(shù)是用來表征離心泵性能的一組數(shù)據(jù)，包括：流量、揚程、功率、效率、轉(zhuǎn)速、允許吸上真空高度，一共有六個。

2.4 離心泵的性能曲線

由于水泵的六個性能參數(shù)之間既相互聯(lián)系，又相互制約，關(guān)系比較復(fù)雜，因此目前尚不能用數(shù)學(xué)上的函數(shù)關(guān)系準(zhǔn)確地表達它們之間的變化規(guī)律。通常，水泵的六個性能參數(shù)之間的關(guān)系是通過水泵實驗的方法，采集水泵各相應(yīng)的性能參數(shù)，在坐標(biāo)圖上用性能關(guān)系曲線來表達。這個關(guān)系曲線即為水泵的基本性能曲線。指導(dǎo)水泵實驗的理論依據(jù)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）設(shè)計新泵型—模型泵試驗；

（2）確定相似泵性能—已知泵實驗性能；

（3）換算性能參數(shù)—已知水泵的額定工況。

對同一臺泵來說，不同轉(zhuǎn)速下性能參數(shù)之間的換算關(guān)系，即：Q1／Q2=n1／n2流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比；H1／H2=(n1／n2)2揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比；N1／N2=(n1／n2)3功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。

將泵的轉(zhuǎn)速n作為常量，將流量Q、揚程H、功率P、效率?和允許吸上真空高度Hs，隨流量Q變化而變化的關(guān)系，在以流量為橫坐標(biāo)，揚程、軸功率、效率、允許吸上真空高度為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)圖上，分別繪制成的Q–H曲線、Q–P曲線、Q–?曲線、Q–Hs曲線，統(tǒng)稱為水泵性能曲線，見圖1。

2.5 離心泵正常運行工作點的確定

水泵在實際運行時，它的工作狀況取決于以下因素。

（1）水泵的性能—由水泵性能曲線（Q–H曲線）。

（2）管路的性能—由管路特性曲線（將管路的特性曲線與需要的凈揚程，在以流量為橫坐標(biāo)，揚程為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中進行疊加，即可得到需要揚程曲線，即管路中的水頭損失隨流量變化而變化的曲線Q–H損曲線）。

圖1 300JC130-12型長軸泵性能曲線

（3）上下水位差—凈揚程（指水源水位與管路中最不利點的地形高差）。

上述三個因素中任何一個發(fā)生變化，水泵的工作狀況都要隨著發(fā)生變化。也就是說水泵運行時的實際工作點是一個動態(tài)的工作點。要使水泵處于最優(yōu)化狀態(tài)，水泵實際工作點盡量少變動，而且盡量在水泵的高效區(qū)范圍內(nèi)變動。在這里必須引入一個需要揚程曲線的概念，需要揚程曲線指的是將管路的特性曲線與需要的凈揚程，在以流量為橫坐標(biāo)，揚程為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中進行疊加，即可得到需要揚程曲線，即Q–H需曲線（H需=H凈＋h損）。水泵工作點的確定，也就是水泵工作狀況的確定。

將所選水泵的流量–揚程曲線（Q–H曲線）和灌溉系統(tǒng)的需要揚程曲線（Q–H需）畫在同一坐標(biāo)系中，這兩條曲線的交點，就是這臺水泵的工作點。水泵運行中的實際工作點并不一定是水泵銘牌上標(biāo)注的額定工況點的值。工作點所對應(yīng)的流量和揚程，就是這臺水泵正常運行時，可提供給灌溉系統(tǒng)的流量和揚程。

工作點不僅確定了 Q和 H，而且還可從水泵的 Q–P曲線、Q–?曲線、Q–Hs曲線圖上查出相對應(yīng)的其他工作參數(shù) P、?、Hs等。以便校驗水泵工作效率的高低，相對應(yīng)的功率的大小，是否有汽蝕發(fā)生的危險。

同一臺水泵只要轉(zhuǎn)速不變，它的（Q–H）曲線是不變的；而灌溉系統(tǒng)運行時相對不同的輪灌組，其（Q–H需）曲線是變化的。所以這兩條曲線的交點—工作點是一個實時變動的點。

顯然，水泵的工作點是隨著灌溉系統(tǒng)的（Q–H需）曲線變化而沿著水泵的（Q–H）曲線移動的動態(tài)點。當(dāng)一臺水泵不能滿足灌溉工程的需求時，可根據(jù)需要選擇多臺泵進行并聯(lián)或串聯(lián)運行。

當(dāng)水泵并聯(lián)或串聯(lián)運行時，并聯(lián)或串聯(lián)后總流量揚程曲線可在流量—揚程坐標(biāo)系上，以參與并聯(lián)或串聯(lián)的水泵流量揚程曲線為基礎(chǔ)，用作圖法得到。

作圖方法有橫加法和縱加法，（1）橫加法是指將同揚程下的流量相加；（2）縱加法是指將同流量下的揚程相加。

水泵并聯(lián)是指由幾臺水泵向一條公共出水管供水，稱為水泵的并聯(lián)工作。水泵并聯(lián)通常用于一臺水泵不足以供給所需流量的場合。水泵并聯(lián)的總揚程曲線可用橫加法畫出。并聯(lián)后的總揚程曲線與需要揚程曲線的交點為并聯(lián)時的工作點，它反映了幾臺水泵并聯(lián)時共同向公共出水管提供的流量和揚程。由該工作點畫Q軸的平行線，與每臺水泵的 Q–H曲線的交點，為并聯(lián)時每臺水泵的工作點，它反映了并聯(lián)時每臺水泵分別向公共出水管提供的流量和揚程。水泵在并聯(lián)工作時，（1）各臺水泵提供給公共出水管聯(lián)結(jié)點的壓力是相同的。（2）并聯(lián)時每臺水泵的工作點均位于其單獨向同一出水管供水時的工作點的左側(cè)。（3）并聯(lián)時每臺水泵的流量均小于它單獨向同一條管路輸水時的流量。（4）并聯(lián)時每臺水泵的功率均小于它單獨向同一條管路輸水時的功率。（5）但為水泵選配動力機時應(yīng)按其單獨工作時的功率配套。

水泵串聯(lián)是指幾臺水泵順次連接，前一臺水泵向后一臺水泵的進水管供水，稱為串聯(lián)工作。通常用于一臺水泵不足以供給所需揚程的場合。水泵串聯(lián)的總流量揚程曲線可用縱加法畫出。串聯(lián)后的總揚程曲線與需要揚程曲線的交點為串聯(lián)時的工作點，它反映了幾臺水泵串聯(lián)時共同向出水管提供的流量和揚程。水泵串聯(lián)工作時，各臺水泵中通過的流量是相同的，其總揚程為該流量下各臺水泵的揚程之和。

2.6 離心泵工作點的調(diào)節(jié)

選擇或使用水泵時，當(dāng)其工作點偏離高效區(qū)較遠(yuǎn)，造成水泵運行效率太低、耗能較高、或易發(fā)生汽蝕，又找不到可以用來替代的合適的離心泵時，可對現(xiàn)有的離心泵進行工況調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的方法有：節(jié)流調(diào)節(jié)、分流調(diào)節(jié)、變速調(diào)節(jié)、車削調(diào)節(jié)。

2.6.1 節(jié)流調(diào)節(jié)

節(jié)流調(diào)節(jié)是指通過關(guān)小水泵出水管路上的閘閥來改變離心泵工作點位置的方法。節(jié)流調(diào)節(jié)雖簡單易行，但很不經(jīng)濟。一般多用在實驗室的水泵性能試驗中，實際生產(chǎn)中很少采用。當(dāng)離心泵實際運行中工作點的位置在高效區(qū)外的右側(cè)偏離較多時，關(guān)小閘閥就相當(dāng)于在管路上增加了一個局部阻力，使原管路特性曲線變陡，隨著閥門逐漸關(guān)小，其工作點就會沿著水泵的 Q–H曲線朝著流量減小的方向移動，直到工作點向左移到高效區(qū)范圍內(nèi)。

2.6.2 分流調(diào)節(jié)

分流調(diào)節(jié)是指在水泵出水管上接裝一條支管或旁通管，分出部分流量來改變水泵的工作點。

當(dāng)離心泵實際運行中工作點的位置在高效區(qū)外的左側(cè)偏離較多時，可安裝一條分流管以增大水泵的出水量，則其工作點就會沿著水泵的Q–H曲線朝著流量增大的方向移動，直到工作點向右移到高效區(qū)范圍內(nèi)。

2.6.3 變速調(diào)節(jié)

變速調(diào)節(jié)是指改變離心泵的轉(zhuǎn)速使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工作點的目的。

變速調(diào)節(jié)的步驟為：

（1）需要的水泵工況點 B(QB、HB)不在已知轉(zhuǎn)速為nA的水泵Q–H曲線上。

（2）由比例率求出相似工況拋物線公式：k = H1／；將 QB、HB值代入，求出 k，則有：H=k Q2。

（3）在水泵的流量—揚程坐標(biāo)系中畫出相似工況拋物線，與已知水泵 Q–H曲線相交于點A(QA、HA)。

（4）將需要工況點B的流量值和A點的流量值以及已知水泵額定轉(zhuǎn)速值代入比例率公式，即可求出調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)速 nB=nAQB／QA。則點 B即為轉(zhuǎn)速為nB的Q–H曲線上的點。

（5）根據(jù)比例率得出式：HB／每給出已知水泵(Q–H)A曲線上的一組(QA、HA)值和 QB的值，即可求出與 QB對應(yīng)的 HB的值。照此辦理，陸續(xù)求出 6～7組（QB、HB)值，并在已知水泵(Q–H)A曲線的坐標(biāo)圖上點出他們的位置，將這些點連成曲線，即可得到調(diào)速后轉(zhuǎn)速為nB且過點B的(Q–H)B曲線來。

（6）由曲線(Q–H)B與Q–H需曲線可求水泵變速后的工作點。

2.6.4 車削調(diào)節(jié)

車削調(diào)節(jié)是指沿外徑車小離心泵的葉輪，以改變水泵性能曲線，達到調(diào)節(jié)水泵工作點的目的。

利用車削拋物線和車削換算公式可求出葉輪的車削量，并可畫出車削后，過需要的水泵工況點 B(QB、HB)的 Q–HB曲線。由曲線 Q–HB與Q–H需曲線可求水泵變速后的工作點。

車削調(diào)節(jié)的特點為：

（1）車削具有不可恢復(fù)性，因此應(yīng)慎重選擇。

（2）車削不改變?nèi)~輪進口的尺寸，不會降低水泵的汽蝕性能。

（3）車削量有限制，不同比轉(zhuǎn)數(shù)的葉輪允許的車削量不同，在葉輪上車削的位置也不同。

3 離心泵應(yīng)注意的其他問題

（1）水泵銘牌上的流量與揚程是水泵的額定流量和額定揚程。

（2）水泵制造廠家還應(yīng)提供水泵的性能曲線，即流量—揚程曲線、流量—功率曲線、流量—效率曲線、流量—允許吸上真空高度曲線。選擇水泵不能僅看水泵銘牌，更重要的是應(yīng)看水泵能否經(jīng)常保持在高效區(qū)內(nèi)運行。

（3）離心泵出口處必須安裝閘閥，不能采用快速開啟和關(guān)閉的球閥。啟動時為關(guān)閥啟動，首部應(yīng)設(shè)置真空表（安裝在水泵進口處）、壓力表（安裝在水泵出口處）、流量計（安裝在水泵出水管上閘閥的后面）、逆止閥（安裝在水泵出水管上閘閥的前面），水泵揚程較高（大于 25米）時，應(yīng)安裝安全閥（安裝在水泵出水管上閘閥的后面）。應(yīng)利用計量儀表，配合水泵出水管路上的主閘閥，實時監(jiān)控水泵的運行。灌溉系統(tǒng)運行時，應(yīng)按照每個輪灌組要求的流量，觀察流量計顯示的讀數(shù)，調(diào)整主閘閥的開度，使水泵運行時提供給灌溉系統(tǒng)的流量能滿足灌溉系統(tǒng)的實際需求。

離心泵出水管路上安裝主閘閥，不僅是實現(xiàn)關(guān)閥啟動減輕電機啟動荷載的要求，而且也是實現(xiàn)輪灌組按設(shè)計要求正常運行的保證。

（4）離心泵運行時，真空表和壓力表讀數(shù)之差，即為讀數(shù)時水泵的實際揚程。水泵進水口應(yīng)安裝在動水位以下2m處。井用潛水泵配套的出水管，在經(jīng)濟合理且不影響安裝和檢修的前提下，泵管可選配增大一級的管徑。

4 結(jié)語

根據(jù)以上探討，得出水泵選型步驟：

（1）根據(jù)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計流量和設(shè)計揚程值，利用水泵產(chǎn)品樣本或其他技術(shù)資料中的水泵系列譜圖、性能曲線或性能參數(shù)表，初步選出揚程符合要求、流量不等的幾種水泵，并根據(jù)灌溉設(shè)計流量和每種泵型的額定流量，算出所需泵型的臺數(shù)。

（2）根據(jù)初步選出的水泵，確定管徑大小及管路布置方式，繪制管路特性曲線。根據(jù)水泵性能曲線和管路特性曲線求出在設(shè)計、平均、最高和最低揚程下的工作點。校核所選水泵在設(shè)計揚程下的流量是否滿足要求，在平均揚程下是否在高效區(qū)運行，在其他揚程下能否穩(wěn)定、安全運行。

（3）根據(jù)吸入裝置條件計算泵站裝置汽蝕余量，并根據(jù)必需汽蝕余量校核所選水泵在所有工況點能否滿足汽蝕要求。

（4）只有所選水泵能夠同時滿足上述步驟（2）和步驟（3）兩點要求，才能確定所選泵型為最優(yōu)選型。如不符合要求，可采用調(diào)節(jié)措施或另選泵型。

1 丘傳忻. 《泵站》. 中國水利水電出版社.

2 欒鴻儒. 《水泵及水泵站》. 中國水利水電出版社.

3 張志新等. 《滴灌工程規(guī)劃設(shè)計原理與應(yīng)用》. 中國水利水電出版社.