基于潛水泵串并聯技術的移動電力提灌站研究

2016-03-22 04:57:15周小波曾文明李光輝阮紅麗李玉玲四川省農業機械研究設計院成都610066

中國農村水利水電 2016年12期

周小波，曾文明，李光輝，阮紅麗，梁君，李玉玲，盧珍(四川省農業機械研究設計院，成都 610066)

1 概述

提灌站是保證丘陵地區農業灌溉用水的重要基礎設施。以四川為例，目前全省各類型的農村機電提灌站超過4萬座，總裝機功率達到120 萬kW以上，有效灌面106.67萬hm2以上。機電提灌站擔負著全省1/3以上的水稻常年提水保栽保苗任務，為全省較大規模的現代農業園區、特色農業產業基地保駕護航作用顯著，負責旱情發生時保生產、解人畜飲水困難的巨大作用。丘陵地區地形復雜，地形情況不同, 則對機電提灌設施的要求也不同, 通常來講, 處于丘陵山地頂部的地塊面積相對山下地塊面積較小，滿足這一部分地塊的灌溉需求，則要求提灌站具有較高揚程, 反之，處于丘陵山坡中下部的地塊，由于自然原因，土地面積相對山頂要大一些，這部分地塊的灌溉蓄水量相對山頂要大一些，則要求提灌站能提供較大流量[1]，以提高作業效率。基于這樣的技術需求，為了進一步擴大移動電力提灌站的使用范圍，研究開發了以井用多級潛水泵為抽水機組的移動式電力提灌站。當地形落差超過100 m時，單級離心泵就很難滿足要求，多級離心泵則體積大，結構復雜，不適合在移動提灌站中采用。井用潛水泵由于結構緊湊，技術成熟，安裝方便，正被廣泛應用于農業灌溉、市政供水、石油、化工等領域。其機組型號系列豐富，揚程和流量范圍廣，非常適合在丘陵山區使用。

2 系統設計

2.1 原理設計

根據丘陵山區地形和田塊特點，為了達到一套機組滿足高低地形不同的抽水需求，期望機組能方便地在串聯和并聯兩種運行模式中自由切換，這是本研究重點解決的技術難點之一。與其他類型的水泵不同，井用潛水泵的電機在泵體下端，進水口在電機與泵體的連接處，處于整個機組的中部。由于沒有進水管作為連接基礎，井用潛水泵很少用于串聯運行，并聯運行則很容易實現。對水泵串、并聯結構進行了設計，應用我們自有的“潛水泵集成裝置”專利技術，通過合理設計進出水管道和控制閥門，實現了潛水泵出串并聯運行，系統原理圖如圖1所示。

①-1號潛水泵；②-2號潛水泵；③-1號真空罐；④-2號真空罐；⑤-1號換向閥；⑥-2號換向閥；⑦-1號止回閥；⑧-2號止回閥；⑨-吸入口網罩；⑩-吸水管；-出水管。圖1 系統原理圖Fig.1 System schematic diagram

當水泵并聯運行時，水從吸入口網罩9進入吸水管10，通過管道分別進入兩臺水泵真空罐中，換向閥6開啟下和右通路，換向閥5開啟左和右通路，整套機組進行并聯作業；當需要水泵串聯運行時，水從吸入口網罩9進入吸水管10，通過管道分別進入1號水泵真空罐中，換向閥6開啟上和右通路，換向閥5開啟左和下通路，經過1號潛水泵加壓的水從管道進入到2號潛水泵的真空罐中，再從2號潛水泵的吸入口進入泵體，經過2次加壓，從出水管11流出，機組進行串聯作業。串聯和并聯的轉換，主要通過調節兩只換向閥來進行，操作十分方便。

2.2 結構設計

在原理設計的基礎上，采用三維設計軟件進行結構設計，并對細部結構進行優化。結構設計圖如圖2所示，加工完成后的機組如圖3所示：

圖2 車體三維軸測圖Fig.2 3D axis measurement of car body

圖3 車體實拍圖Fig.3 Actual figure of car body

結構上利用潛水泵集成裝置，解決了二級潛水泵的吸水問題，實現了井用潛水泵的串聯運行。同時在并聯運行時，潛水泵集成裝置也大大地改善了潛水泵進水口吸入條件，保證了設備平穩運行。

2.3 控制系統設計

由于本設備研制的初衷，是要解決復雜多變情況下的提灌站抽水問題，期望該套設備能夠盡可能拓寬其使用范圍，并保證其節能功效運行，在控制上采用了變頻控制技術。其中，一級泵采用工頻運行，二級泵采用變頻運行。這樣，當現場情況發生變化時，可以自如地調節二級泵的電流頻率，從而改變其運行轉速，達到調節工況的目的。

3 性能實驗

3.1 水泵串聯運行的基本原理

傳統意義上的水泵串聯就是將前一臺水泵的壓水管作為后一臺水泵的吸水管，使水依次以同一流量通過各臺水泵，從而得到多次加壓，取得更大揚程的一種運行方法[2]。由于潛水泵是直接淹沒在水下運行，在結構上沒有吸水管，因此，在實際工程應用中，幾乎沒有將潛水泵應用與串聯運行的先例。但是在丘陵地區的提灌站工程中，由于地形落差大，水源情況復雜，普通離心泵不能完全滿足要求，潛水泵仍然在提灌站工程中大量采用。潛水泵串聯與普通離心泵串聯的基本原理是相同的，在串聯時理論上認為各臺水泵的原有特性不變，在整個裝置不斷流的情況下，根據水流連續原理，各臺水泵的流量應一致，而總揚程為各水泵在該流量下的揚程之和。

3.2 水泵并聯運行的基本原理

丘陵地區的坡地中下部，地塊面積比丘陵山地頂部要多，這時我們期望提灌站能提供更多的流量，而不需要太高的揚程，因此將水泵并聯起來就能很好地解決這一個問題。潛水泵并聯相對于串聯要更容易實現，但也要注意一些問題。并聯運轉的幾臺水泵的揚程應該基本相等，并且揚程曲線應該是下降的，否則揚程低的水泵不能發揮作用，甚至可能從揚程低的那臺泵倒流。為了防止這一現象發生，通常在幾臺并聯的水泵出口應該設置止回閥。并聯運行后，各臺水泵的揚程基本保持不變，流量小于幾臺并聯泵流量的總和[3]。

3.3 水泵性能測試

全部設備安裝制作完成后，在四川省泵類及通用設備質量監督檢驗站的B級精度的水泵臺架上對樣機進行了性能測試。測試方法按照GB/T3216-2005《回轉動力泵水力性能驗收試驗1級和2級》的相關要求，分別對單機、串聯運行和并聯運行進行了測試，標準中對被測水泵機組是否滿足性能要求的判定方法有具體條款規定，規定性能點QSP、HSP為中心,以容差QSPXQ和HSPXH為長短半軸畫一個橢圓。如果試驗曲線與公差帶橢圓相交或相切,可認為滿足規定性能,否則就不滿足規定性能[4]。

配套水泵的性能參數如表1所示。

表1 250QJ100-54-25型潛水泵參數表Tab.1 Submersible pump parameter table of 250QJ100-54-25

對單機測試的數據如表2所示。

表2 1號機組單機運行測試數據結果Tab.2 Test data results of unit 1 unit operation

根據實測結果，水泵性能特性曲線如圖4所示。

圖4 250QJ100-54-25型潛水泵性能特性曲線圖Fig 4 Performance characteristic curve of 250QJ100-54-25 type submersible pump

根據該泵的性能特性曲線可以看出，采用十字線判定法，樣機水泵的性能參數滿足要求。

對機組串聯測試的數據如表3所示。

根據實測結果，水泵串聯運行的性能特性曲線如圖5所示。

圖5 250QJ100-54-25型水泵串聯運行性能特性曲線圖Fig.5 Performance characteristic curve of 250QJ100-54-25 type Submersible pump

根據該水泵串聯運行性能特性曲線可以看出，采用十字線判定法，機組運行特性曲線滿足設計要求。

對機組并聯測試的數據如表4所示。

根據實測結果，水泵并聯運行的性能特性曲線如圖6所示。

根據該水泵串聯運行性能特性曲線可以看出，采用十字線判定法，機組運行特性曲線滿足設計要求。

4 結語

在本研究中，通過巧妙的結構設計，解決了潛水泵串聯的問題，從而擴大了潛水泵的使用范圍，一套機組實現了多工況運行，非常適合在丘陵山區進行推廣應用。同時，該套設備經過簡單改進，可以和水肥一體化技術相融合，進一步擴大其應用范圍。機組采用移動式管理，擴大了機組的作業面積和使用范圍，同時也便于維護和保養，除了解決灌溉問題，還可以用于抗旱、供水、排澇等場合，使用范圍非常廣泛，值得研究和推廣。