姜 震

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 吉林長(zhǎng)春 130021）

1 引言

國家糧食安全、水資源安全始終是推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)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(dòng)”實(shí)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(jì)社會(huì)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(diǎn)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(jìn)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(shí)、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(jī)器，它可以把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為被輸送水的動(dòng)能或勢(shì)能。因?yàn)樗猛緩V泛，所以它既是一種水力機(jī)械，也是一種通用機(jī)械。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(jì)的工況實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，而且還將影響到今后長(zhǎng)期運(yùn)行期間費(fèi)用的高低。因此，在進(jìn)行膜下滴灌管道輸水灌溉工程的技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，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(yáng)程（或壓力）的要求。

（2）水泵應(yīng)該在高效范圍內(nèi)運(yùn)行。

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

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

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

（6）便于安裝、維修和運(yùn)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(gè)地塊控制的面積不大，所需要的流量一般都比較小，揚(yáng)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(shì)，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：?jiǎn)渭?jí)單吸離心泵、單級(jí)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(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速、允許吸上真空高度，一共有六個(gè)。

2.4 離心泵的性能曲線

由于水泵的六個(gè)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(dá)它們之間的變化規(guī)律。通常，水泵的六個(gè)性能參數(shù)之間的關(guān)系是通過水泵實(shí)驗(yàn)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(dá)。這個(gè)關(guān)系曲線即為水泵的基本性能曲線。指導(dǎo)水泵實(shí)驗(yàn)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(jì)新泵型—模型泵試驗(yàn)；

（2）確定相似泵性能—已知泵實(shí)驗(yàn)性能；

（3）換算性能參數(shù)—已知水泵的額定工況。

對(duì)同一臺(tái)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yùn)行工作點(diǎn)的確定

水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，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(yáng)程，在以流量為橫坐標(biāo)，揚(yáng)程為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中進(jìn)行疊加，即可得到需要揚(yáng)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(zhǎng)軸泵性能曲線

（3）上下水位差—凈揚(yáng)程（指水源水位與管路中最不利點(diǎn)的地形高差）。

上述三個(gè)因素中任何一個(gè)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(yùn)行時(shí)的實(shí)際工作點(diǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的工作點(diǎn)。要使水泵處于最優(yōu)化狀態(tài)，水泵實(shí)際工作點(diǎn)盡量少變動(dòng)，而且盡量在水泵的高效區(qū)范圍內(nèi)變動(dòng)。在這里必須引入一個(gè)需要揚(yáng)程曲線的概念，需要揚(yáng)程曲線指的是將管路的特性曲線與需要的凈揚(yáng)程，在以流量為橫坐標(biāo)，揚(yáng)程為縱坐標(biāo)的坐標(biāo)系中進(jìn)行疊加，即可得到需要揚(yáng)程曲線，即Q–H需曲線（H需=H凈＋h損）。水泵工作點(diǎn)的確定，也就是水泵工作狀況的確定。

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

工作點(diǎn)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(duì)應(yīng)的其他工作參數(shù) P、?、Hs等。以便校驗(yàn)水泵工作效率的高低，相對(duì)應(yīng)的功率的大小，是否有汽蝕發(fā)生的危險(xiǎn)。

同一臺(tái)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(yùn)行時(shí)相對(duì)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(diǎn)—工作點(diǎn)是一個(gè)實(shí)時(shí)變動(dòng)的點(diǎn)。

顯然，水泵的工作點(diǎn)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(dòng)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)。當(dāng)一臺(tái)水泵不能滿足灌溉工程的需求時(shí)，可根據(jù)需要選擇多臺(tái)泵進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行。

當(dāng)水泵并聯(lián)或串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)或串聯(lián)后總流量揚(yáng)程曲線可在流量—揚(yáng)程坐標(biāo)系上，以參與并聯(lián)或串聯(lián)的水泵流量揚(yáng)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(yáng)程下的流量相加；（2）縱加法是指將同流量下的揚(yáng)程相加。

水泵并聯(lián)是指由幾臺(tái)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(tái)水泵不足以供給所需流量的場(chǎng)合。水泵并聯(lián)的總揚(yáng)程曲線可用橫加法畫出。并聯(lián)后的總揚(yáng)程曲線與需要揚(yáng)程曲線的交點(diǎn)為并聯(lián)時(shí)的工作點(diǎn)，它反映了幾臺(tái)水泵并聯(lián)時(shí)共同向公共出水管提供的流量和揚(yáng)程。由該工作點(diǎn)畫Q軸的平行線，與每臺(tái)水泵的 Q–H曲線的交點(diǎn)，為并聯(lián)時(shí)每臺(tái)水泵的工作點(diǎn)，它反映了并聯(lián)時(shí)每臺(tái)水泵分別向公共出水管提供的流量和揚(yáng)程。水泵在并聯(lián)工作時(shí)，（1）各臺(tái)水泵提供給公共出水管聯(lián)結(jié)點(diǎn)的壓力是相同的。（2）并聯(lián)時(shí)每臺(tái)水泵的工作點(diǎn)均位于其單獨(dú)向同一出水管供水時(shí)的工作點(diǎn)的左側(cè)。（3）并聯(lián)時(shí)每臺(tái)水泵的流量均小于它單獨(dú)向同一條管路輸水時(shí)的流量。（4）并聯(lián)時(shí)每臺(tái)水泵的功率均小于它單獨(dú)向同一條管路輸水時(shí)的功率。（5）但為水泵選配動(dòng)力機(jī)時(shí)應(yīng)按其單獨(dú)工作時(shí)的功率配套。

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

2.6 離心泵工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)

選擇或使用水泵時(shí)，當(dāng)其工作點(diǎn)偏離高效區(qū)較遠(yuǎn)，造成水泵運(yùn)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(shí)，可對(duì)現(xiàn)有的離心泵進(jìn)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(diǎn)位置的方法。節(jié)流調(diào)節(jié)雖簡(jiǎn)單易行，但很不經(jīng)濟(jì)。一般多用在實(shí)驗(yàn)室的水泵性能試驗(yàn)中，實(shí)際生產(chǎn)中很少采用。當(dāng)離心泵實(shí)際運(yùn)行中工作點(diǎn)的位置在高效區(qū)外的右側(cè)偏離較多時(shí)，關(guān)小閘閥就相當(dāng)于在管路上增加了一個(gè)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(diǎn)就會(huì)沿著水泵的 Q–H曲線朝著流量減小的方向移動(dòng)，直到工作點(diǎn)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(diǎn)。

當(dāng)離心泵實(shí)際運(yùn)行中工作點(diǎn)的位置在高效區(qū)外的左側(cè)偏離較多時(shí)，可安裝一條分流管以增大水泵的出水量，則其工作點(diǎn)就會(huì)沿著水泵的Q–H曲線朝著流量增大的方向移動(dòng)，直到工作點(diǎn)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(dá)到調(diào)節(jié)水泵工作點(diǎn)的目的。

變速調(diào)節(jié)的步驟為：

（1）需要的水泵工況點(diǎn) 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(yáng)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(diǎn)A(QA、HA)。

（4）將需要工況點(diǎn)B的流量值和A點(diǎn)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(diǎn) B即為轉(zhuǎn)速為nB的Q–H曲線上的點(diǎn)。

（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(duì)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(diǎn)出他們的位置，將這些點(diǎn)連成曲線，即可得到調(diào)速后轉(zhuǎn)速為nB且過點(diǎn)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(diǎn)。

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(dá)到調(diào)節(jié)水泵工作點(diǎn)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(diǎn) 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(diǎn)。

車削調(diào)節(jié)的特點(diǎn)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(jìn)口的尺寸，不會(huì)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(yáng)程是水泵的額定流量和額定揚(yáng)程。

（2）水泵制造廠家還應(yīng)提供水泵的性能曲線，即流量—揚(yáng)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(yùn)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(dòng)時(shí)為關(guān)閥啟動(dòng)，首部應(yīng)設(shè)置真空表（安裝在水泵進(jìn)口處）、壓力表（安裝在水泵出口處）、流量計(jì)（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(yáng)程較高（大于 25米）時(shí)，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(jì)量?jī)x表，配合水泵出水管路上的主閘閥，實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵的運(yùn)行。灌溉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)按照每個(gè)輪灌組要求的流量，觀察流量計(jì)顯示的讀數(shù)，調(diào)整主閘閥的開度，使水泵運(yùn)行時(shí)提供給灌溉系統(tǒng)的流量能滿足灌溉系統(tǒng)的實(shí)際需求。

離心泵出水管路上安裝主閘閥，不僅是實(shí)現(xiàn)關(guān)閥啟動(dòng)減輕電機(jī)啟動(dòng)荷載的要求，而且也是實(shí)現(xiàn)輪灌組按設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行的保證。

（4）離心泵運(yùn)行時(shí)，真空表和壓力表讀數(shù)之差，即為讀數(shù)時(shí)水泵的實(shí)際揚(yáng)程。水泵進(jìn)水口應(yīng)安裝在動(dòng)水位以下2m處。井用潛水泵配套的出水管，在經(jīng)濟(jì)合理且不影響安裝和檢修的前提下，泵管可選配增大一級(jí)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(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)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(yáng)程符合要求、流量不等的幾種水泵，并根據(jù)灌溉設(shè)計(jì)流量和每種泵型的額定流量，算出所需泵型的臺(tái)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(jì)、平均、最高和最低揚(yáng)程下的工作點(diǎn)。校核所選水泵在設(shè)計(jì)揚(yáng)程下的流量是否滿足要求，在平均揚(yáng)程下是否在高效區(qū)運(yùn)行，在其他揚(yáng)程下能否穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

（3）根據(jù)吸入裝置條件計(jì)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(diǎn)能否滿足汽蝕要求。

（4）只有所選水泵能夠同時(shí)滿足上述步驟（2）和步驟（3）兩點(diǎn)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(jì)原理與應(yīng)用》. 中國水利水電出版社.