長輸水系統水泵全特性曲線研究綜述

谷明行

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州450000；浙江水利水電學院水利與海洋工程研究所，浙江 杭州310018）

中國水資源南多北少，水資源時空分布差異大，為了解決北部以及西北的供水問題，中國近年來建設了一大批輸水工程，完成對水資源的合理調度，推動國民經濟發展，如南水北調工程[1]、山西省萬家寨引黃工程、云南大理海東三岔河引水工程、遼寧觀音閣水庫輸水工程等。在長輸水工程中，有壓管道輸水是其中重要的輸水方式，水錘問題是長距離有壓管道輸水工程最常見而又突出的問題，長距離輸水線路發生嚴重水錘引起爆管問題頻頻發生，因此研究長距離有壓輸水工程中水泵特性對水錘的影響，對長距離輸水管道的安全防護具有重要意義。

1 水泵特性及其水泵特性曲線的研究

水泵特性曲線是描繪水泵主要性能參數的關系曲線，從目前研究的深度和廣度來看，其種類和數量已不能滿足水力過渡過程計算的需要。所以當某一水泵的全特性曲線未知或不能實際測定時，往往要選擇取用現有的、與該水泵同類型且Ns相近的全性能曲線。因而，廣泛收集了不同比轉速、不同型式的水泵全性能曲線。陜西省水電設計院與沈陽水泵廠等單位協作，通過模型試驗和參數計算，繪制KD2-110x2型離心泵全面性能曲線圖[2]。1957年，美國學者斯捷潘諾夫提出Ns=127的雙吸離心泵、Ns=530混流泵和Ns=950的軸流泵的全性能曲線，記錄在他所著的《離心泵和軸流泵》[3]一書中。前蘇聯學者Л·Ф·莫斯寧等將52B-11型離心泵的全特性曲線圖[2]發表在他所著的《水錘防護指示》一書中。美國R·M·皮阿巴德通過測繪得到了Ns=110的立式單級離心泵的全面特性曲線。日本星光浩提出Ns=80（實際為77.5）的渦殼式離心泵的全面性能曲線和Ns=110的“沼沢沼”水泵全面性能曲線。由日本荏原制作所實測所得，發表在他所著的《水錘》[4]書中，美國專家J·泊馬金提供了Ns值為140～150的離心泵四象限特性曲線[2]，記錄在《巨型抽水系統中的水錘壓力波》論文中。1981年，中國武漢水電學院抽水站教研室測得了Ns=358的混流泵全面特性曲線。綜上所述，目前已有或測定水泵特性曲線資料不多，其種類和數量已不能滿足水力過渡過程計算的需要。而對于目前突出的停泵水錘的危害問題，更需要深入探討。對水泵進行試驗測定水泵特性曲線難度很大，而對大型泵進行測定更加困難。

2 水泵全特性曲線數值化擬合方法研究概述

水泵比轉速Ns是描述水泵特性和葉輪形狀的參數，葉片泵比轉速的Ns的范圍大致為100～2500。根據比轉速數值的大小，水泵形式依次由離心泵、混流泵向軸流泵過渡。寬泛的比轉速范圍和繁多形式規格的水泵，導致進行全特性曲線的測定十分困難。在計算水力過渡過程中，通常沒有相同比速相同類型泵的全特性曲線數據，因此往往使用相近比轉速相同類型水泵全特性曲線[5]。這種方法無疑會產生計算誤差[6]。針對這一問題，劉竹溪等在《泵站水錘及其防護》[7]中提出四條分別以WH-x、WB-x為坐標，比轉速Ns=90、Ns=260、Ns=530、Ns=950的全特性曲線，通過三次多項式建立通用公式法。金錐等在《停泵水錘及其防護》中提出利用水泵水力學相似律，在Ns較小的模型泵中測定曲線，再利用各相似定律換算成原型泵的工作參數。劉光臨等[8]利用計算機仿真技術和矩形域正交多項式最小二乘曲面擬合數學模型擬合任意Ns水泵全性能曲線，可用計算機仿真預測得到水泵全性能曲線。盧偉等[9]提出利用BP神經網絡擬合曲線得到新的水泵全特性曲線擬合模型。在水泵水輪機方面，王林鎖等[10]采用矩形域最小二乘曲面擬合數學模型，通過計算機模擬擬合曲面方程，提出了曲面分層擬合曲線方法，得到了水泵水輪機的全特性曲線擬合方法。馬軍在論文《水泵全特性曲線數值化改造的補充及其在停泵水錘計算中不同應用方法的比較研究》中提出對通用模型的三次多項式擬合進行改造，得到五次多項式擬合以及分類三次多項式擬合的新型曲線擬合法。在建立水泵總體全特性曲線數學模型的基礎上，路勝[11]給出了具體的計算機模擬方法和擬合結果，為計算機建立通用模型的打下了基礎。梁山城等[12]為獲得滿足精度和效率要求的全性能曲線，采用最小二乘法原理進行曲線擬合。

3 擬合方法的評價

現對各個常用的數值化方法的預測情況進行概述。

3.1 對就近取值法的綜述

就近取值法是當水泵的全面性能曲線資料未知的情況下，前期較為常見的一種方法，當水泵型號相同且比轉速值相近時，水泵全特性曲線計算的結果影響很小，可用于指導長輸水工程中的水錘保護。當使用差距較大比轉速的不同類型的泵的全部性能曲線來模擬泵的水錘計算時，計算結果不能用于指導保護措施的使用，且不能用于指導對泵的保護[13]。

3.2 對通用公式法的綜述

劉竹溪等在《泵站水錘及其防護》一書中提出了通用公式法，根據Ns=77、Ns=99和Ns=130的離心泵、Ns=530的混流泵、Ns=950的軸流泵的全特性曲線提出了通用公式法。繪制出WH-x和WM-x曲線，發現x值在一定條件下，WH（x）和WM（x）隨Ns公式有對應的變化律。通過這個方法可以求出任意Ns對應的WH（x）和WM（x）值。此方法是擬合方法中的經典方法，但是由于書中只根據四種比轉速、不同型式的水泵[14-15]推出通用公式，得到的通用模型并不是很精確。

3.3 對水泵全特性神經網絡預測模型的綜述

近年來，有人提出了一種BP神經網絡預測模型來擬合水泵全性能曲線。此類方法是根據計算機實驗，利用神經網絡的學習能力，通過反饋擬合出曲線模型，具有很高的精度的新型計算機擬合水泵全特性曲線方法。預測得到的性能曲線精度相比通用公式法較高。但此方法需預處理大樣本，計算難度較大。需要大量的數據以及開發完成的模型，開發成本相對前兩種更高。

可見常用的三種水泵特性曲線預測方法都存在一定的限制，所以提出新型的預測方法顯得尤為重要[16-18]。

4 結論

長距離有壓輸水過程運行工況復雜，對發生事故停泵的泵處進行水力過渡過程計算以及進行精確模擬十分困難，當水泵的全特性曲線未知時，主要采用改造后的水泵特性曲線對泵處進行水力過渡過程計算以及進行精確模擬。當水泵全特性曲線擬合技術還不成熟以及測量的數據存在偏差時，提高曲線的擬合精度、開發合適的擬合方法是非常重要的。構建更加簡單的數學模型，使其具有普適性，提高曲線的擬合速度和精度也是今后的研究方向之一。水泵全特性曲線的擬合方法的成熟度將是智能計算停泵水利過渡過程的關鍵。