劉興華 袁 芳

（西北勘測設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710065）

一直以來，中小型泵站是保證小康社會(huì)建設(shè)、發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要水利工程。怎樣提高中小型泵站的裝置效率，使其充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益，是當(dāng)前需要解決的重要問題之一。隨著全國水管體制改革的不斷深入和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要，中小型泵站在農(nóng)田水利工程中的作用越顯突出。隨之也暴露出中小型泵站在設(shè)計(jì)中存在的一些需待解決的問題。本問通過對一座中型泵站和一座小型泵站并聯(lián)運(yùn)行工況點(diǎn)的計(jì)算對比，提出小流量、高揚(yáng)程水泵在設(shè)計(jì)中常見的問題，并分析原因，尋求合理的解決方法。

1 工程概況

泵站1設(shè)計(jì)灌溉面積1.81萬畝，計(jì)算灌溉流量1.46m3/s，工程為Ⅲ等中型工程，輸水管長度412m，管徑DN1000，泵站凈揚(yáng)程63.8m。

泵站2設(shè)計(jì)灌溉面積0.11萬畝，計(jì)算灌溉流量0.08m3/s，工程為Ⅳ等?。?）型工程，輸水管長度1296m，管徑DN300，泵站凈揚(yáng)程77m。

泵站1和泵站2均為灌溉提水泵站，輸水管道均為鑄鐵管，單管布置。

2 水泵初步選型

水泵選型的主要內(nèi)容是確定水泵的類型、型號(hào)和臺(tái)數(shù)等。根據(jù)本工程功能需求及運(yùn)行要求，考慮泵站設(shè)計(jì)流量及揚(yáng)程范圍，確定選擇DFSS型雙吸泵。該系列水泵的高效率區(qū)較廣，能適應(yīng)揚(yáng)程的變化，水力效率高，汽蝕性能好。多級(jí)離心泵流量偏小，單級(jí)立式離心泵揚(yáng)程偏小，均不適合本工況實(shí)際情況，而雙吸泵具有揚(yáng)程高、流量大、性能可靠、高效節(jié)能、維修方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)兩座泵站的設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程，由泵站運(yùn)行需要，考慮一定的揚(yáng)程保證率，初選兩座泵站的水泵型號(hào)及性能如表1。泵站1為三臺(tái)水泵，泵站2為兩臺(tái)水泵，不考慮備用。

3 設(shè)備指標(biāo)校核

3.1 并聯(lián)管道水泵工作點(diǎn)推求

為了檢驗(yàn)泵型及管路配置是否合適，應(yīng)進(jìn)行水泵裝置工作點(diǎn)校核，要求工作點(diǎn)落在水泵高效率范圍內(nèi)，否則應(yīng)重新選泵，或改變管路配置情況，或進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.1.1 裝置性能參數(shù)（H需、Q）計(jì)算

由下式計(jì)算：

式中，H凈—泵站凈揚(yáng)程，m；

S沿—管路沿程阻力系數(shù)，用下式計(jì)算：

S局—管路局部阻力參數(shù)，用下式計(jì)算：

Q—通過管路的流量，m3/s；

n—管路材料糙率，本次取0.013；

D—管路直徑，m；L—管線長度；

ξ—管路局部阻力系數(shù)；

D局—局部阻力系數(shù)相應(yīng)流速處管徑；K—修正系數(shù)，取1.1。

3.1.2 水泵工作點(diǎn)推求

工程設(shè)計(jì)情況：泵站1三泵并聯(lián)運(yùn)行；泵站2兩泵并聯(lián)運(yùn)行。

表1 水泵型號(hào)及性能參數(shù)

表2 泵站1水泵工作點(diǎn)參數(shù)

表3 泵站2水泵工作點(diǎn)參數(shù)

圖1 泵站1水泵工作點(diǎn)推求圖

圖2 泵站2水泵工作點(diǎn)推求圖

運(yùn)行水泵并聯(lián)運(yùn)行工作點(diǎn)的校核，需確定不同工作揚(yáng)程下的水泵工作點(diǎn)，然后分析是否滿足設(shè)計(jì)要求。

首先，按同一比例將三臺(tái)或水泵并聯(lián)后總性能曲線與并聯(lián)管路系統(tǒng)特性曲線Q-H需繪到同一坐標(biāo)系中，得兩曲線的交點(diǎn)A，A為并聯(lián)工作點(diǎn)，再由A向左作水平線與水泵性能曲線Q-H交于A’，A’即為并聯(lián)運(yùn)行時(shí)每臺(tái)水泵的工作點(diǎn)。兩座泵站工作點(diǎn)分別見圖1、圖2所示。

根據(jù)上圖，可知兩座泵站的水泵在三泵并聯(lián)、雙泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2、表3。

根據(jù)上述計(jì)算可知，兩座泵站的水泵無論哪種工況均在高效區(qū)運(yùn)行，故選取的水泵是合適的。

3.2 終選水泵型號(hào)

通過對并聯(lián)管道水泵運(yùn)行工況點(diǎn)計(jì)算和電機(jī)功率的復(fù)核，初選水泵無論哪種工況均在高效區(qū)運(yùn)行，所配電機(jī)功率均滿足負(fù)荷要求，設(shè)計(jì)流量均滿足灌溉要求，故初選水泵型號(hào)是合適的。

3.3 泵站裝置效率預(yù)測

泵站裝置主要由動(dòng)力機(jī)、水泵、管路、出水池組成，泵站裝置效率是反映抽水設(shè)備及泵站各部分效率的綜合指標(biāo)，一般按下式計(jì)算：

式中，η裝——泵站裝置效率，%；

η泵——運(yùn)行工況下水泵運(yùn)行效率，%；

η動(dòng)——電動(dòng)機(jī)的效率，取95%；

η傳——傳動(dòng)裝置效率，直接傳動(dòng)，取值1；

η管——進(jìn)、出水管路效率，η管=H管/H總，%；

兩座泵站的裝置效率預(yù)測結(jié)果詳見表4。

表4 泵站裝置效率預(yù)測

上述計(jì)算結(jié)果顯示，泵站1的裝置效率高于規(guī)范要求的最低值65%，而泵站2則不滿足規(guī)范要求的該值。

3.4 能源單耗計(jì)算

能源單耗是水泵機(jī)組將1000m3（t）的水抽高1m所消耗的電能（kW·h），其單位為“kW·h/kt·m”。能源單耗是反映泵站的機(jī)泵配套、設(shè)備效率和機(jī)組運(yùn)行工況等情況的一項(xiàng)綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)?？砂聪率接?jì)算：

經(jīng)計(jì)算，兩座泵站的能源單耗E詳見表5。

表5 能源單耗計(jì)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，泵站1的能源單耗低于國家標(biāo)準(zhǔn) 5 kW·h/kt·m，滿足要求，而泵站2則不滿足該規(guī)定。

4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，水泵選型及電機(jī)功率均滿足規(guī)范要求，但裝置效率預(yù)測和能源單耗計(jì)算結(jié)果顯示，泵站1的裝置效率及能源單耗均滿足規(guī)范及國家相關(guān)規(guī)定，而泵站2裝置效率低于規(guī)范要求的65%，能源單耗超出國家規(guī)定的5 kW·h/kt·m。分析其原因，主要有以下兩點(diǎn)：①泵站2管道較長、水頭損失較大，管道效率較低；②泵站2流量小，揚(yáng)程高，適用的水泵普遍效率較低。

5 方案優(yōu)化

針對泵站2裝置效率和能源單耗不符合規(guī)范要求的問題，由主要影響因素可知，方案優(yōu)化的重點(diǎn)是提高管道效率η管，因此優(yōu)化方案采取的措施為增大管徑，即由原方案的DN300鑄鐵管調(diào)整為DN450鑄鐵管，再根據(jù)調(diào)整后的Q-H需重新選水泵，進(jìn)行設(shè)備指標(biāo)校核，計(jì)算結(jié)果與原方案對比見表6。

表6 原方案和優(yōu)化方案結(jié)果對比

通過上表可知，方案調(diào)整后，所選水泵功率有所減??；管道加大后，流速明顯減小，水頭損失也因此減小，管道效率η管提高約10%，裝置效率η裝提高17%，達(dá)到61%，能源單耗降低到國家規(guī)定范圍內(nèi)。由此可見，增大管徑對提高泵站裝置效率起著關(guān)鍵性作用。

但是，優(yōu)化方案也存在不足之處，即管道流速減小太多，低于管道的經(jīng)濟(jì)流速0.6m/s，管道容易產(chǎn)生淤堵；同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度講，管徑增大，單價(jià)由原來的450元/m增加至810元/m（材料費(fèi)+安裝費(fèi)），增長幅度高達(dá)80%，使得工程一次性投資較大。在這種情況下，是否采用優(yōu)化方案還需進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

6 總結(jié)

綜上所述，對比泵站1和泵站2，泵站1選擇水泵的范圍更廣，適用的水泵效率普遍較高，加之管徑選擇合適，因此裝置效率能達(dá)到較高的水平。而對于相比較之下的泵站2，因其流量小、揚(yáng)程高、管道長的特點(diǎn)，適用的水泵效率普遍較低（經(jīng)查閱很多資料，目前小流量、高揚(yáng)程水泵效率普遍低于75%），在管道流速合適時(shí)，泵站裝置效率很難達(dá)到規(guī)范要求的最小值，而增加管徑雖能提高裝置效率，卻使管道流速降低，同時(shí)工程投資增幅較大。在這種情況下，是否采取增大管徑的方法來提高裝置效率還有待進(jìn)一步討論和研究，業(yè)主可根據(jù)投資要求及泵站運(yùn)行管理特點(diǎn)等因素進(jìn)行取舍。

設(shè)計(jì)時(shí)，水泵選型主要是確定水泵需要的參數(shù)，而最終型號(hào)則由廠家通過招標(biāo)確定，因此在工程招標(biāo)時(shí)，應(yīng)提高水泵效率要求，盡可能選擇高效率的水泵。通常水泵效率應(yīng)要求在85%以上，而流量小、揚(yáng)程高的水泵效率應(yīng)要求在80%以上。泵站實(shí)際裝置效率應(yīng)以最終采購的水泵計(jì)算為準(zhǔn)。陜西水利