泵站工程中水泵選型的探討

泵站工程中水泵選型的探討

在中國(guó)，由于地理?xiàng)l件的不同，建設(shè)車(chē)站的任務(wù)不同，可分為以下幾種類(lèi)型：旁路泵站、井灌泵站、旁路泵站和各種小型泵站。提灌泵站主要分布于地處黃土高原的陜西、甘肅、寧夏、山西等省(區(qū)),這些地區(qū)由于地勢(shì)高、雨量少、水資源主要集中于黃河及其支流上,干旱缺水一直困擾著工業(yè)生產(chǎn)和人民生活。20世紀(jì)50年代以后,在山西、甘肅等省相繼建成幾十處大型提灌泵站,這些泵站的建成,為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高發(fā)揮了不可估量的做用。今后,泵站工程發(fā)展的趨勢(shì)是:在規(guī)劃設(shè)計(jì)上注重動(dòng)能經(jīng)濟(jì)和綜合利用,更加講究工程的經(jīng)濟(jì)效益;在機(jī)組選用上趨于大型化、高速化和裝置型式多樣化;在運(yùn)行管理上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和節(jié)能節(jié)水。泵站設(shè)計(jì)參數(shù)包括設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程。修建泵站是為了把一定水量提升至一定的高度或者增加一定的壓力,使其能滿(mǎn)足相關(guān)的需求。因此必須根據(jù)不同泵站所承擔(dān)任務(wù)的不同,合理選擇流量和揚(yáng)程指標(biāo),然后根據(jù)設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程,來(lái)確定泵的型號(hào)、等別,泵站建筑物級(jí)別。本文主要對(duì)泵站設(shè)計(jì)參數(shù)的確定以及泵站選型進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。1設(shè)計(jì)流量計(jì)算及調(diào)節(jié)灌溉設(shè)計(jì)流量是在一定的灌溉設(shè)計(jì)保證率情況下的灌溉用水量,對(duì)于大、中型灌區(qū),可根據(jù)灌溉面積、歷年的灌水率圖及灌水利用系數(shù)、求得歷年灌溉用水流量過(guò)程線,選擇灌水持續(xù)時(shí)間大于20天的最大灌水流量作為該年的最大灌溉引水流量。然后以此進(jìn)行頻率分析,選擇符合灌溉設(shè)計(jì)保證率的流量作為設(shè)計(jì)引水流量。在設(shè)計(jì)灌水率確定情況下,可以由公式(1)確定泵站的設(shè)計(jì)流量。Q=24qωtηω(1)Q=24qωtηω(1)式中:Q為設(shè)計(jì)流量,m3/s;q為設(shè)計(jì)灌水率,m3/(s·hm2);ω為泵站控制灌溉面積,hm2;ηω為灌溉水利用系數(shù),1/h;t為泵站日開(kāi)機(jī)時(shí)數(shù),h,一般為22～24h。對(duì)于小型灌區(qū),可以參照當(dāng)?shù)氐淖匀唤?jīng)濟(jì)條件,參照同類(lèi)灌區(qū)的用水經(jīng)驗(yàn),擬定出一兩種主要作物的最大一次灌水定額,然后根據(jù)公式(2)計(jì)算泵站的設(shè)計(jì)流量。Q=∑miωi3600Ttηω(2)Q=∑miωi3600Τtηω(2)式中:mi為某種主要作物的最大一次灌水定額,m3/(s·hm2);ωi為該種作物的種植面積,hm2;T為一次灌水延續(xù)天數(shù),d。對(duì)于有調(diào)蓄容積的抽水灌區(qū),泵站可在非灌溉季節(jié)向調(diào)蓄容積供水。這時(shí)可以根據(jù)調(diào)蓄容積的大小和灌溉用水量過(guò)程線,通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)泵站的開(kāi)機(jī)天數(shù)來(lái)減少設(shè)計(jì)流量,在確定設(shè)計(jì)流量的同時(shí),還要確定最大流量和最小流量,以作為泵站機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇的參考依據(jù)。2損失水頭確定的設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程灌溉泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程是由設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程加上進(jìn)、出水流道的損失水頭確定的,設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程是指出水池與進(jìn)水池的設(shè)計(jì)水位之差?？梢?jiàn),泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程的確定因素有3個(gè),即出水池和進(jìn)水池的設(shè)計(jì)水位、進(jìn)出水流道的損失水頭。2.1池的水位分析灌溉泵站出水池設(shè)計(jì)水位取決于輸水干渠渠道的設(shè)計(jì)水位,可根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃所確定的控制高程和灌溉設(shè)計(jì)流量的要求,按灌區(qū)末級(jí)渠道的設(shè)計(jì)水位推算至出水池的水位。該水位應(yīng)當(dāng)保證灌區(qū)90%以上(有條件時(shí),應(yīng)能保證全部)的耕地獲得自流灌溉,因此,出水池設(shè)計(jì)水位要從田間逐級(jí)推算到渠首求得,計(jì)算公式如式(3)所示。H出=Z+ΔZ+∑Li+∑Δh(3)式中:H出為出水池設(shè)計(jì)水位高程,m;Z為設(shè)計(jì)灌溉面積的最高或最遠(yuǎn)點(diǎn)的地面高程,m;ΔZ為末級(jí)渠道水面與所灌溉農(nóng)田地面的高差,取0.05～0.1m;L為各級(jí)渠道的長(zhǎng)度,m;i為各級(jí)渠道的比降;Δh為通過(guò)建筑物的水頭損失。2.2設(shè)計(jì)進(jìn)出水設(shè)計(jì)灌溉泵站進(jìn)水池水位的變化取決于水源的流動(dòng)變化情況。對(duì)于渠道上的提水泵站,泵站設(shè)計(jì)流量等于渠道的設(shè)計(jì)流量,進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位應(yīng)與渠道的設(shè)計(jì)水位相對(duì)應(yīng)。對(duì)于臨河(渠)式泵站,泵站設(shè)計(jì)流量小于河(渠)道的流量,對(duì)灌溉泵站來(lái)說(shuō),應(yīng)考慮灌溉季節(jié)水源水位情況及能保證的程度。從河流、湖泊或水庫(kù)取水時(shí),以歷年灌溉期水源保證率為85%～95%的日平均或旬平均水位作為設(shè)計(jì)水位,從渠道取水時(shí),以渠道通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)的水位為設(shè)計(jì)水位。2.3按按水量加權(quán)平均凈揚(yáng)程水泵平均凈揚(yáng)程是泵站正常運(yùn)行歷時(shí)最長(zhǎng)的工作揚(yáng)程。選擇水泵時(shí)應(yīng)使其在該揚(yáng)程工況下處于最高效區(qū),這樣可以使水泵運(yùn)行的平均效率最高,單位能量消耗最少。對(duì)于中、小型泵站,可以將進(jìn)、出水池的平均水位之差作為泵站平均凈揚(yáng)程。對(duì)于流量和水位變化復(fù)讀都比較大的大、中型泵站,應(yīng)按水量加權(quán)平均的方法來(lái)確定平均凈揚(yáng)程。該方法是根據(jù)水文系列資料在泵站運(yùn)行期的分段平均揚(yáng)程、流量和歷時(shí)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算,計(jì)算如公式(4)。HˉˉˉΗˉ實(shí)=∑H實(shí)iQiti∑Qiti(4)=∑Η實(shí)iQiti∑Qiti(4)式中:HˉˉˉΗˉ實(shí)為加權(quán)平均凈揚(yáng)程,m;Q為相應(yīng)時(shí)段ti時(shí)的泵站供水流量,L/s;ti為不同灌溉時(shí)段的泵站工作天數(shù),d。3水泵準(zhǔn)備3.1按水泵流量為導(dǎo)向,選用大泵(1)充分滿(mǎn)足灌溉供水設(shè)計(jì)保證率下各時(shí)期的流量和揚(yáng)程的要求;(2)選擇性能良好并對(duì)泵站流量、揚(yáng)程變化具有較強(qiáng)適應(yīng)型與保證性的泵型;(3)在能夠適應(yīng)灌溉流量變化的前提下,盡量選用較大的水泵,以減少臺(tái)數(shù),節(jié)省基建、維修費(fèi)用。另外大泵的效率較高;(4)盡量接近其設(shè)計(jì)工作點(diǎn),在最高和最低揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)不離開(kāi)其高效區(qū)工作范圍;(5)在一個(gè)泵站中,盡可能選用同型號(hào)的水泵,在滿(mǎn)足流量和揚(yáng)程的前提下,盡量選用吸水性能好的水泵。3.2按水泵流量計(jì)算的泵型設(shè)計(jì)流量過(guò)程線根據(jù)公式(4)計(jì)算得出的平均凈揚(yáng)程和泵站抽水量的要求,可以確定需要的泵裝置的性能曲線,如圖1所示。如設(shè)計(jì)點(diǎn)為A(QZ,HZ),泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程可以根據(jù)公式(5)進(jìn)行計(jì)算:HZ=HˉˉˉΗΖ=Ηˉ實(shí)+SQ2(5)式中:HZ為泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程,m;S為管道阻力參數(shù);Q為流量,m3/s。傳統(tǒng)方法一般采用的等流量加大揚(yáng)程,根據(jù)B點(diǎn)所表示的參數(shù)來(lái)選擇泵,如果B點(diǎn)為泵的最高效率點(diǎn),則認(rèn)為所選擇的泵型比較好,然后根據(jù)綜合分析對(duì)比來(lái)確定合適的泵。但是,根據(jù)試驗(yàn)分析比較以及大量的實(shí)測(cè)資料證明,最高效率點(diǎn)在B點(diǎn)的泵,它的泵裝置最高效率不是在B點(diǎn),而是在流量較小,揚(yáng)程較高的C點(diǎn)。如按傳統(tǒng)方法選擇泵型,水泵將運(yùn)行在低揚(yáng)程大流量區(qū)域。對(duì)于高揚(yáng)程泵站,由于管路水力損失所占比例較小,C點(diǎn)偏移A點(diǎn)不大,所以傳統(tǒng)選泵方對(duì)選擇泵型沒(méi)有多大的影響,但對(duì)于低揚(yáng)程泵,管路損失所占的比重相對(duì)較大,傳統(tǒng)的方法必然會(huì)導(dǎo)致泵站效率偏低,在這里推薦使用變揚(yáng)程、加大流量的選型方法。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于軸流泵,流量與設(shè)計(jì)流量相比減少8%～10%,揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程相比增加5%～8%;對(duì)于混流泵,流量與設(shè)計(jì)流量相比減少5%～10%,揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程相比增加1%～5%;對(duì)于離心泵,流量與設(shè)計(jì)流量相比減少10%～15%,揚(yáng)程與設(shè)計(jì)揚(yáng)程相比減少2%～4%。根據(jù)上述方法選擇好水泵后,再根據(jù)泵站的設(shè)計(jì)流量和單泵流量確定不同泵型的水泵臺(tái)數(shù),使其滿(mǎn)足關(guān)系公式(6):Q設(shè)=∑niQi(6)式中:Q設(shè)為泵站的設(shè)計(jì)流量,m3/s;Qi為所選泵型的單泵流量,m3/s。繪制灌溉區(qū)設(shè)計(jì)流量過(guò)程線,將所選水泵不同臺(tái)數(shù)運(yùn)行時(shí)的泵站出流量過(guò)程線與用水過(guò)程線進(jìn)行擬合(圖2),檢查能否滿(mǎn)足灌排流量變化的要求。如果擬合過(guò)程線與灌溉設(shè)計(jì)流量過(guò)程線比較接近,則表明所選泵型的臺(tái)數(shù)能夠適應(yīng)灌溉要求。在灌溉時(shí)限允許的范圍內(nèi),可適當(dāng)修訂設(shè)計(jì)流量過(guò)程線,使兩者吻合。如果兩者差異較大,應(yīng)考慮更換泵型與水泵臺(tái)數(shù),并重新進(jìn)行上述檢驗(yàn)。最后選擇出合適的泵型。4按水泵容量的確定分(1)灌溉泵站常用的葉片泵類(lèi)型有離心泵、軸流泵和混流泵三種類(lèi)型,在選取水泵時(shí)要根據(jù)不同泵類(lèi)型的特點(diǎn)選取合適的水泵。由于混流泵具有高效區(qū)范圍寬廣、運(yùn)行效率較高、不同工況下軸功率變化小且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、土建投資省等優(yōu)越的綜合特征,因而,在同時(shí)可以選用離心泵和混流泵或軸劉泵與混流泵的情況下,應(yīng)有限采用混流泵。(2)單機(jī)容量的大小,水泵臺(tái)數(shù)的多少,對(duì)泵站有很大的影響。在設(shè)備總?cè)萘恳欢ǖ那疤嵯?臺(tái)數(shù)越多,越容易適應(yīng)不同時(shí)期灌排流量的要求,運(yùn)行中個(gè)別機(jī)組發(fā)生故障時(shí)對(duì)灌排的影響也越小,但設(shè)備的購(gòu)置費(fèi)、土建工程費(fèi)及運(yùn)行管理費(fèi)較高;機(jī)組臺(tái)數(shù)越少時(shí),對(duì)不同時(shí)期灌溉流量的適應(yīng)性與保證性都較差,而設(shè)備費(fèi)、土建費(fèi)、運(yùn)行管理費(fèi)將會(huì)減少。因此,水泵臺(tái)數(shù)的選擇,應(yīng)從工程造價(jià)、運(yùn)行管理、設(shè)備運(yùn)輸安裝以及土建施工等各個(gè)方面的優(yōu)劣程度,進(jìn)行綜合論證后確定。對(duì)灌溉泵站當(dāng)流量小于1m3/s