灌溉泵站设计参数确定及水泵选型

任华红

（洪洞县水利局，山西 临汾 041600）

1 工程背景

临汾市洪洞县2016年小型农田水利设施项目县工程拟在二十里铺村西北方向1 km 处的汾河东岸修建泵站一座，提水至石滩村和东沟村之间的高地处，并修建1 000 m3蓄水池一座，再由蓄水池向项目区内耕地输水灌溉。新建泵站设计流量0.26 m3/s，配型号KQSN200-M5/378 水泵1 套，配套电机型号Y355M-2，功率为315 kW；配型号KQSN200-N4/388 水泵2 套，配套电机型号Y315M-2，功率为220 kW；泵房附近设变压器1台，配型号为S11-1250KVA/10KV/0.4KV 型变压器一套。以上3台泵各配备用泵一套。泵站南侧设管理站，建筑面积102 m2。

为保证灌溉泵站的正常运行及性能的正常发挥，应加强泵站参数设计，且主要是设计流量及设计扬程的合理确定，即通过泵站的建设将设计水量提升至设计高度并增压处理，以满足农业灌溉用水等方面的要求。因不同泵站承担着不同的灌溉任务，所以，为加强泵站管理并保证运行效率，必须根据设计流量、扬程等指标进行泵站类型、型号、建筑物等级等的确定。

2 泵站设计参数确定

2.1 泵站设计流量确定

在灌溉设计保证率下的实际灌溉水量即为设计流量，通常情况下，对于大中型灌区而言，一般根据灌区实际灌溉面积、灌水率图和灌溉水利用系数等参数取值进行所研究灌区灌溉用水流量过程线的计算，并以持续灌溉时间在20 d以上的灌溉水量最大值进行对应年份灌溉引水流量最大值的确定，根据此引水流量进一步确定满足设计保证率的流量，即为水泵设计流量。具体而言灌区泵站设计引水流量可按下式确定：

式（1）中：Q—泵站设计引水流量（m3/s）；q—设计灌溉率［m3/（s·hm2）］；ω—泵站控制灌溉面积（hm2）；t—泵站实际开机时间（h/d）；η—灌区灌溉水利用系数。

对于小型灌区而言，一般根据灌区实际并借鉴同规模灌区灌溉用水经验，确定出主要作物一次灌水定额最大值，再根据下式确定泵站设计引水流量：

式（2）中：mi—灌区主要作物一次灌溉定额最大值［m3/（s·hm2）］；ωi—灌区主要作物实际种植面积（hm2）；T—一次灌溉持续时间（d）；其余参数含义同前。

2.2 泵站设计扬程确定

2.2.1 进水池设计水位水源流动变化是决定和影响进水池设计水位的主要因素之一。提水泵站的设计流量与渠道设计流量相同，故进水池设计水位也对应着渠道设计水位；临河泵站设计流量比渠道实际流量小，因为要考虑水源实际水位及保证率。从河流内取水时，设计水位按照平常灌溉期内85%～95%的水源保证率下日平均水位确定，从渠道取水时，设计水位则按照渠道设计流量水位确定。

2.2.2 出水池设计水位

输水干渠设计水位是决定泵站出水池设计水位的主要因素，通常结合灌区规划中的控制高程、设计流量等参数，依据末级渠道设计水位进行出水池设计水位的推求。为保证灌区耕地中90%及以上均能进行自流灌溉，必须从田间向渠首逐级推求出水池设计水位，公式如下：

式（3）中：H出—出水池设计水位（m）；Z—灌区地面高程最大值（m）；ΔZ—灌区与其末级渠道高差（m）；Li—渠道实际长度（m）；Δh—水头损失。

2.2.3 水泵净扬程

灌溉泵站历时最长的工作扬程即为水泵净扬程，为保证灌溉效率，降低能耗，应在水泵净扬程工况下进行泵站设计参数确定。通常情况下按照灌区运行期内水文系列资料进行水量加权平均进行净扬程的确定，公式如下：

式（4）中：H实—水泵净扬程（m）；H实i—分段扬程实际值（m）；Qi—分段流量实际值（m3/s）；ti—分段历时实际值（d）；其余参数含义同前。

3 水泵选型

3.1 水泵选型方法

在进行灌溉泵站水泵选型前，必须充分考虑设计供水保证率下的设计扬程和实际流量，并保证泵型的适应性和效率性，在满足灌溉设计流量的基础上，尽可能选择较大功率的水泵，以减少水泵数量，提升灌溉效率，节省灌溉时间。对于同一泵站，最好选择使用同型号且吸水性能好的水泵。

根据所得出的泵站净扬程和泵站抽水量值进行泵站装置性能曲线的确定，具体见图1，对于A、B、C等任意设计点，均可根据下式计算泵站设计扬程值：

图1 泵站装置性能曲线图

式（5）中：HZ—泵站设计扬程值（m）；S—泵站供水管道阻力系数；Q—泵站供水管道实际流量（m3/s）；其余参数含义同前。

在通过等流量加大扬程的传统处理方式下，会根据B点所代表的参数值进行水泵选型，若该点处泵站运行效率最高，则所确定的泵型较好，可据此进行泵型选择的综合分析。但结合大量工程实践及试验结果来看，根据B点所代表的参数值进行选型的水泵其最高效率点并非在B点，而在相对流量较小、扬程较高的C点。随着抽水量的一味增大，水泵实际上会在大流量低扬程的A点处运行。对于高扬程泵站而言，其供水管路水力损失小，C点和A点的偏移并不大，所以，上述做法对于高扬程泵站选型不会产生较大影响。但是，低扬程泵站因供水管路损失较大，通过以上传统方法进行泵站选型必然会降低泵站运行效率。为此，对于低扬程泵站推荐使用大流量、变扬程的选型策略。轴流泵、混流泵、离心泵的流量比设计流量分别小8%～10%、5%～10%、10%～15%，扬程比设计扬程大5%～8%、1%～5%、-2%～-4%。

根据文章所提出的方法进行水泵选型后，还应结合泵站流量进行不同类型水泵数量的确定，公式如下：

式（6）中：Q设—泵站设计流量（m3/s）；ni—某种类型水泵数量（台）；Qi—某种类型水泵单泵设计流量（m3/s）。

根据所绘制的灌溉泵站设计流量过程线进行水泵选型后泵站实际出流量和实际用水过程线的拟合处理，并同时进行灌溉排水流量变动趋势的检查。所得拟合过程线和设计流量过程线越接近，则泵型的选择越合理，也越能满足灌区灌溉需要。相反，如果所得拟合过程线和设计流量过程线存在较大程度的背离，则必须重新进行泵站选型分析并更换泵型和数量，而后重新进行线型拟合检验。

3.2 水泵选型应注意的问题

小型农田水利设施项目灌溉泵站通常使用离心泵、混流泵、轴流泵等叶片泵，为保证泵站运行的稳定性与效率性，应结合不同叶片泵型的性能特征进行选型。通常情况下，混流泵运行高效，结构简单，轴功率对于不同工况广泛适用，所以，在进行叶片泵选型时应优先考虑混流泵。灌溉泵站运行效率同时受单机容量、水泵数量等的影响，当水泵容量既定时，水泵数量越多，越有助于满足灌溉排量方面的要求，在泵站实际运行过程中因个别机组出现故障而影响灌溉的可能性也越小，但是势必会增加设备购置、土建施工、运行管理等方面的费用。所以，进行灌溉泵站选型及机组数量确定时，必须综合考虑水泵型号性能、采购成本、造价、土建施工、运行管理等方面。经综合论证后，临汾市洪洞县2016 年小型农田水利设施项目拟建灌溉泵站在流量低于1.00 m3/s 的情况下，水泵数量至少2 台，流量在1.00 m3/s以上时，水泵数量至少3台。

4 结论

通过对临汾市洪洞县2016年小型农田水利设施项目拟建灌溉泵站设计参数及水泵选型的分析表明，灌溉泵站设计流量、设计扬程、水泵型号、机组数量等对确保泵站工程稳定高效运行及灌溉效率的提升十分关键。中国当前小型农田水利设施项目灌溉效率普遍不高，既无法提高财政支农资金使用效率，又不利于农业生产灌溉条件的改善，为此，必须从灌溉泵站设计参数合理确定及泵站选型角度出发，切实提高小型农田水利设施项目灌溉及运行效率。