（环境科学专业论文）吴堡工业园区供水工程泵站优化配置研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文一 t i t i e ：t h es e l e c t i o no ft h ep u m pu n l ti nw u p ul n d u s t r i a l p a r ko f 、 | ：a t e rs u p p l yp r o j e c t m a j o r ： e n v i r o n m e n t a is c i e n c e i n a m e ：x i n gz h a n g s u p e r 、，i s o r ：p r o f z h i a n gd a n g a b s t r a c t s g n a t u r e ：鸨 s 啪a t u 阳帕 i nt h ep u m ps t a t i o nd e s i g n ，t h es e l e c t i o no ft h ep u m pu n i ti sr e a s o n a b l eo rn o t ? n o to n l y a 日b c tt h ep u m ps t a t i o nw h i c hc o u l dr e a c ht h er e q u i r e m e n t so ft h ew a t e rs u p p ly b u ta l s o p i p e l i n ei n v e s t i n 铋t ，e n e 唱yc 0 n s u m p t i o na n ds a f eo p e r a t i o n w a t e rh a m m e rc a l c u l a t i o n a i l d 锄a l y s i so fh i 曲l i nb o o s t e rp u m ps t a t i o n f o rw a t e rs u p p l ys y s t e mi s 锄i m p o n a n ta n d i n d i s p e n s a i b l ec o n t e n to ft h ep u m ps t a t i o nd e s i g n ，t h e r e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o nt ot h ec h o i c eo f t h ed e s i g ni so f 目r e a ts i g n i f i c a n c e a s 锄e x a m p l ew i t ht h et h r e ep u m ps t a t i o n si nw u p ui n d u s t r i a lp a r ko fw a t e rs u p p l y p r o j e c t t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，m i n i m i z et h es u mo ft h eb o o s t e rp u m ps t a t i o n sa v e r a g ea n n u a l e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n 锄dp r o d u c t i o nc o s t s ，t h e r ca r e5k i n d so fp u m pu n i tm o d e lf o rt h e t h r e ep u m p i n gs t a t i o n ，a n dt h e nc a l c u l a t e dt h er e s u l t s ，a n a l y s i st h eb e s tc o n s e q u e n c e u s el i n e a r p r o 伊a m m i n ga n dd y n a m i cp r o g r a m m i n gm e t h o d ，c o m b i n i n g e x c e lp r 0 伊a m m i n gs o l v e r t 0 0 l ，p r o f e s s i o n a l s o 胁a r em a t l a ba n dw a t e rh 锄m e ra n a l y s i s s o r w a r c ( a f ti m p u l s e 3 o ) i d e n t i f i e dw u b ui n d u s t r i a lp a r l b 0 0 s t e rp u m ps t a t i o np u m pu n i t w a t e rh a m m e ri ：a i c u i a a o no ft h e o p t i m a is 0 i u t i o nt 0m e e tt h ep u m p i n gs t a t j o no p e 陀t i o n a ir e q u i r e m e n b t h er e s u l t so ft h em a i nh a v e t h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) t a r g e t 内rt h ea v e r a g ea n n u a lm i n i m u mp 刚u c t i o nc o s t s i nt h ep 啪p i n gs t a t i o n ，t 0 d e t e n n i n et l l ep i p es e c t i o nu n d e rt l l e c hm o d e lo fp 哪pu n i t ，c a l c u l a t et i l ep 啪p i n gs t a t i o n a v e r a g e锄u a l lp r o d u c t i o n c o s t sf o re a c hm o d e l e s t a b l i s ham a t h e m a t i c a lm o d e lo ft l l e m i n i m 响 a v e r a g c锄u a l c o s t so fp 砌u c t i o ni l lt l l ep 啪p i n gs t a t i o n觚d百v es o m e a p p l i c a t i o n s ( 2 ) b a l s e do nf i v ek i n d so fa l t e m a t i v ep 啪pu n i tp r o g r 锄o fm eb 0 0 s t e rp 啪ps t a t i o n ， c o n s i d e rt 1 1 ed i 行衲tt y p 销o fp 岫p so p 啪t i n gi np a r a l l e le s 讪l i s ham i n i m a lm a t l l 锄a t i c a l m o d e lo ft l l et o t a lp o w 盯o fd i 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ts e b c t b n ；f b wd i s 仃i b m i o n ： p u r r p s t o p p i n gw a t e rl l a m m c r 1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景与意义 1 1 1 选题背景 本研究以“吴堡县工业园供水工程可行性方案研究”以及“吴堡县工业园供水上程优 化设计”项目为依托。 为了实现吴堡县工业园供水工程优化设训，提高吴堡县工业园高扬程多级加雎泵站的 水泵效率和泵站效益，并使泵站的年耗电费用和年生产费用达到最小化，为泵站运行提出 经济可靠的运行方式。研究高扬程多级泵站机组优化配置是非常必要的。 1 1 2 泵站机组优化配置的意义 泵站工程为工农业生产的迅速发展及人民生活水平的不断提高都起着非常重要的作 用。也正是水泉的广泛应用，才使得水泵的能耗约占全国总能耗的2 1 。我国兴建的泉 站工程，就其规模和数量来看，均居世界各国之前列。但由于各种条件的限制，泵站工程 存在着效率不高、能源单耗大、制水成本高等问题，致使泵站工程效益较低。对泵站机组 优化配置是提高泵站工程经济效益，降低泵站投资的重要途径。在安伞可靠地完成给排水 任务的前提下，根据泵站服务对象的要求，适时合理地进行泵站机组优化配置，以泵站年 最小的费用支出，来扶得最大的经济效益。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国内研究进展 ( 1 ) 在水泵配置方面： 在泵站规划中，水泵配置足否台理不仅关系泵站能否满足供水要求，而且对泵站工程 的投资、能量消耗及安全运行都有很大的影响。目前，泵站t 程中常按多年甲均扬程选择 泵型，其基本思路足以多年平均扬程为依据，在综台型谱图中选择儿种泵型来设计泵站， 经过经济性比较，最后定出最经济的方案。该法考虑了时间分配和能耗因素，因此，采用 平均扬程选泵较同等条件下的设计扬程选泵能耗上较低，经济性好在时间分配上，平均扬 程选泵方法考虑了扬程变化对效率的影响，适用性较设计扬程选泵方法广。 南水北调中线工程的惠南庄泵站在水泵选型时，把水泵的比转速作为选泵的原则比较 立式泵与卧式泵，认为选择比转速的高低直接反映机组综合性能的好坏。水泵参数的选择 直接关系到泵站的先进性、经济性和可靠性，是泵站设计的重要一环。比转速璐和汽蚀 比转速c l 表征水泵综合特性参数及综合特性水平。提高比转速可提高机组转速和效率、 减小机组尺寸、减轻机纽重鼍、降低泵站造价，但转速的提高受泵房挖深、机组设计制造、 西安理工大学硕士学位论文 强度、振动、窄化等因素的影响。经过泵型性能的分析，比较水泵的效率，泵站工艺结构， 运行的稳定性得出，两种离心泵泵型各有优势，设备及土建投资立式泵高于卧式泵。立式 泵方案泵房结构复杂，施工难度大，挖深大，今后运行管理、维护检修不便。 神木县的锦界工业园区供水工程在水泵机组选型时，认为传统作法为按照远期规模确 定机组总台数和压力管道管径，土建工程一次建成，机组安装台数先按近期规模确定，当 达到远期规模时再安装剩下的机组，这就造成近期水泵运行上况点偏离高效区，处于低扬 程、低效率和汽蚀性能筹的区域运行，而且远期机组台数较多，运行管理不便，维护费用 高，后期施j 二工作量大等问题。作者提山了通过更换水泵叶轮方法来实现近期与远期不同 规模的变化，保证了水泵机组在不同阶段高效运行，且避免了二次设备安装，构筑物长期 闲置等弊端。1 南水北调东线丁程在水泵机组选型时对机组选型所涉及剑的土水泵、主电动机、传动 装置和调节机构等组成部件分别进行了深入的探讨和剖析，通过对适用于t 程的水泵的优 缺点进行了详细的分析，指出了它们之间的相互联系和影响，最终认为：水泵( 泵段) 效 率固然重要，但最终反映运行经济性的是装置效率和机组效率。在水泵选型以及泵站设计 和建发中应引起足够的重视。1 佛山市南海区的水口泵站在水泵选型时，根据泵站规模和设计标准，对水泵机型比选 情况进行了介绍。最后的结论是，合理选择水泵机组型弓对泵站安伞高效运行及工程投资 有重要影响，因此在初设阶段，进行机组配置分析及论证工作是非常必要的。1 在对某城市供水的工程中，针对某些区域供水水压不足的问题，研究了水池加压泵站 水泵的选犁方法。文本总结加压给水的方式有多种类型。而水池泵站加压供水方式，由于 分散单独设置了水池、水泵和自动调速装置，凶而它具有：灵活机动，便于控制运用，给 水量和水压在一定范围内可自动进行调节；水池可对城市的用水负荷起一定的调节作用， 有利于送水泵站的工作制度均匀和机组的调度管理：由于送水泵站的工作制度变得相对均 匀，可减少输水管网的水头损失，从而降低送水泵站的能耗等优点。结论表明在解决水量 水压供需矛盾时，蕴藏着巨人的节能空间，水泵选型及控制运用对发挥其潜能至关重要。 故应合理选择水泵、确定其控制运用方式。1 刘德祥等在水泵选型的一种改进方法的研究一文中得出，通过对目前水泵选型不当 所造成的泵站运行效率偏低的分析，得出水泵优化选型的一种改进方法，并提出了采用调 速的方式使水泵在高效率区运行的优化措施。改进的方法：按平均扬程选泵这种选泵方法 安全性未予以校核，排灌要求也没有保障，但能耗较低，经济性能较好，因此选型方法的 优化应扬长避短，摒弃平均扬程选泵方法不考虑安全性和排灌要求的不足之处，发挥其能 耗较低的优势。最后结论是，改进的水泵优化选型方法由于考虑了排灌在时段上的分配问 题，因此水泵处住水泵高效区运行，既减少了年耗电量，又保汪了系统运行的安伞。另 一方面，改进的水泵优化选型方法对最大扬程、最小扬程以及启动扬程进行了严整的校核， 因而避免了汽蚀、振动、超载的有害现象的发生。采用该法对湖南某电排灌站进行了验证， 2 1 绪论 节能效果和运行状况都得到了较大的改进。凶此具有一定的工程实用价值。1 吴建华等人在水泵优化选型的研究一文中，采用经济指标为优化目标，提出了水泵 优化选本! 的数学模犁。研究表明，合理选择水泵是泵站实现优化调度的关键凶素之一，实 现水泵最优选型，对于机电排灌工程实现节能，意义重大：在微机上编程求解，实现水泵 最优选型可节约大量的人力、物力。为泉站工程c a d 研究打下了基础。7 1 ( 2 ) 在泵站流量分配方而 随着计算机技术迅速发展，自动化设备性能的不断提高以及跨流域调水工程大力 开展，多级泵站输水系统的优化调度研究成果得到了广泛的发展和应用。如，1 9 8 6 年 投入运行的湖北汉川二站，采用先进的动态规划、模糊决策等方法，以能耗最低、效 益最大为目标，建立了数学模型，进行了优化调度及经济运行的研究，提出了节能、 节水、扩大经济效益的调度方案：1 9 9 7 年9 月丌始水利部9 4 8 ”计划项目“高扬程多级 泵站提水灌区用水管理调度技术傲景泰川电力提灌t 程1 4 个多级泵站实现了机组优 化调度【4 】。南水北调东线t 程从长江下游扬州附近的江都泵站抽长江水，利用京杭大 运河及其甲行的河道输水北送到天津，按规划沿线共分十三个多级，总扬程6 5 m ，需 新建5 l 座大型泵站，总装机5 0 万k w ，每座泵站设计流量7 0 2 5 0 矗s 。很显然，输 水优化凋度f b j 题是首当其冲的。 对引水工程的流量平衡凋节控制主要从两个方面来考虑：一种是改变管路的特性，在 输水沿程设置阀门、闸门进行节流控制、旁路凋节，这种方法加大了系统的局部损失，并 且使工作点偏离设计工况，造成机器效率下降，长期这样的调节能耗大，极不经济；另一 种是改变泵的特性。改变泵的特性又分为两种情况：一种是采用变速泵、即通过改变泵的 转速来改变泵的特性，这种疗法多用于装置离心泵的泵站引水工程，在万家寨引黄工程中 就是采用这种方案在国外也有学者研究了引水工程巾使用变速泵来优化系统运行的调节 方法，但在实际应用中为了能够变速，需要采用直流电动机、交流变颇或者液力传动等技 术措施。设备较复杂工程造价高；另一种就是采用转桨泵，通过改变泵转轮桨叶的角度来 改变泵特性达到流量平衡调节的目的，转桨泵的高效区较人，流量调节范围较人，调节实 现比较容易，月前泵站中对转桨泵多根据经验进行离线调节。 ( 3 ) 水锤方面 国内关于水锤的研究比较晚，开始与2 0 世纪6 0 年代。7 0 年代得到普及使用，但当 时的专著还比较少。随着大量外文文献的翻译出版，我国学者对前人理论的学习、总结和 发展，极大地促进了我国瞬变流理论的研究，近儿十年来取得了丰硕的成果1 。 1 9 8 1 年，王树人等1 ：编的水击理论与水击计算中系统地讲述了水击的基本理论 与摹本方程式的推导过程，并且给出了简单的关于水击的电算程序“。 1 9 8 5 年，刘汉勋1 0 在“水锤实验装置和压水堆用新型止回阀的水锤实验研究中”通 过自行没计的以轻水( 去离了水) 为介质的的常温不锈钢同路的水锤冲击实验装置。采用专 门设计的四通转换阀及其气动操作机构。可以对核反应堆冷却剂回路在“关、停、并、转” 西安理工大学硕士学位论文 过程中产生的倒流现象进行水锤冲击模似试验。一时，对p 1 5 0 和q 2 0 0 两种压水堆用新型 无冲击止回阀进行了水锤的试验研究，得出了它们的瞬态冲击波的波形、峰值大小和波动 的持续时i 日j 等动态特性。并对现有水锤计算方法作了一些分析。 1 9 8 8 年，邓华在“管路中水柱分离”一文中分析讨论了有关管道系统中的水柱分离 现象。同年刘竹溪、刘光临等人编著的关于水锤的较早论著泉站水锤及其防护1 2 1 中提出了将计算机技术引入到泉站水锤计算中，并对水泵的全特性曲线及单向调压塔进行 了系统深入的研究。 刘光临、蒋劲等人结合石台寺泵站的工程实际，进行了事故停泵水锤的阀调节防护措 施的模型试验研究，分析了水泵出u 阀的关闭特性对水锤的影响和两阶段关闭阀调节的水 锤防护特性，提山了确定最优关阀程序的方法。 1 9 9 4 年，蒋劲在确定泵系统阀门最优关闭程序的v s 法研究中提出了确定泵系统 阀门最优关闭程序的v s 法，并对京两第二水源t 程进行了计算分析。该方法较以往的方 法在理论上有所创新，且能更好地确定控制泵系统水锤的最优关阀程序。该方法对工业供 水系统、输汕系统及抽水蓄能电站的水力过渡过程计算及其控制具有实际指导意义。 1 9 9 5 年，刘光临，刘梅清目等人在泵系统中调j 玉塔水锤防护特性的研究一文中针对 万家寨引黄入晋工程总干一、二级泵站采用的级间串联、站内多台机组并联的复杂泵系统， 应用水锤理论和带插值的特征线法，建立了多条进出水管道交汇的水泵并联和渊盘塔边界 条件的数学模型，分析了在各种不同运行组合情况下事故停泵水力过渡过程中调雎塔的水 锤防护特性，研究了水泵出口问关闭程序对管道系统压力和调压塔水位变化的影响，提出 了确定调压塔经济断面的方法，得出了对工程优化设计有实际意义的结论。 1 9 9 6 年，杨玉思，金锥阳以两处断流弥合水锤实验为基础，提出了在一条管路上出 现两处水柱分离的判断以及弥合升压的计算方法。运用动量定理和水锤计算的弹性水柱理 论，推证了断流空腔两端水柱波速相等和不等情况下的弥合升压计算公式。 1 9 9 7 年，姚青云 发表了泵站水锤两阶段关阀调节防护一文，该文章结合红柳坑泵 站上程实际，提出了泵出口装有两阶段关闭蝶阀事故停泵蝶阀最优操作程序的确定方法， 得出了对该泵站安全经济运行有益的结论。 1 9 9 8 年，杨晓东，朱满林盯等在装有进排气阀的长距离压力输水系统水锤计算研究 一文中根据长距离压力输水系统和多点布置进排气阀的特点，结合当量管道法和调整波速 法，建立了水锤计算中的自动分段方法，同时将其用于进排气阀的水锤过程计算中。通过 建立的进排气阀计算模型在实例中的应用和计算分析，不仅确立了计算方法的合理性和易 用性，而且提出了进排气阀在工程应用中有着实际意义的结论。 2 0 0 1 年，刘时芳，刘梅清1 钉等在发表的论文长距离输水管道水锤过程预测与防护” 中，针对长距离管道系统中存在的水锤问题进行分析，对采用窄气罐作为水锤防护手段的 合理性进行研究，对提高补给水系统的安全可靠性及运行稳定性具有重要的意义。李良庚， 刘梅清伽在水锤消除器在工程中的应用一文中应用特征线法为常见的下开式水锤消除器 4 1 绪论 建市了数学模型，并结合工程实饯对水锤消除器的选取进行了寻优计算，取到了较好的消 锤效果。 2 0 0 2 年，朱蒙生，史守峡“等人用数值模拟方法对管网直联泵站停泵水锤问题进行 了研究，涉及到数学物理建模过程中的管网简化、边界条件、终端泄流节点模拟元件处理 等若干重要问题，并给出了部分计算结果。朱海伦她的在关于长距离输水管路停象：水锤 的数值模拟中论述了k 距离输水管路中停泵水锤数值计算的原理，并以此为基础对k 春 市某长距离输水管路巾的停泵水锤问题进行了数值模拟。 2 0 0 4 年，秦淑芳，陶爱峰“3 1 通过总结水锤的传统防护措施及其适用性，介绍了快闭 止刨阀、液控缓闭蝶阀及不完全关闭止回阀的结构和原理，并分析了后两者在高扬程泵站 输水系统中的应用及效果，指出了在处理方法上的优、缺点，以及在使用时应注意的问题。 2 0 0 5 年，武汉大学的周龙才与刘梅清“钉采用v i s m lb a s i c 6 0 丌发了长管道多泵并联 系统水锤计算的可视化软件。软件的数学模型中对水锤计算采用的是目前较成熟的特征线 法，并在边界条件处理中考虑了多种可能的情况。 2 0 0 7 年，朱满林，沈冰2 钉等人针对长距离压力输水工程特点，采用水锤计算的特征 线法，对两座长距离压力输水工程的水锤防护措施进行了分析。优化了长距离有挂重力输 水工程防护水锤的蝶阀关闭过程。提出了牢气阀组概念，分析表明，采用窄气阀组和两阶 段关闭蝶阀联合作用可有效地防护长距离加压输水工程l f j 水锤危害。 2 0 1 0 年，昆明理工大学建筑工程学院的唐均，张洪明“阳等针对长距离有压输水管道 出口阀关闭引起的水锤问题，采用瞬态水力学理论和仿真计算，以大岩坑水电站为例，对采 用调压井配合控制出口闸门关闭长管道有压输水系统的水力过渡过程进行了计算和分析。 研究结果表明，优化闸门的关闭时问和关闭方式能有效降低水击压力。 1 2 2 国外研究进展 目前随着计算机技术的发展，使三维紊流的数值模拟实用化，计算机优化设计更为有 效，性能预估更准确，产品的更新换代加快，新的水力模型不断取代i f l 模型。 水泵机组选犁设计与运行方案研究水泵模犁试验技术不断提高，为新型水泵的研制提 供了强有力的手段。性能测试精度接近水轮机模型试验水平，模型试验台的效率测试总不 确定度小于0 3 。泉内部流场的观测手段更加先进，水泉汽蚀性能4 i 断改善，大型水 泉的运行稳定性普遍受到重 ! ! i l 。 c f d 分析对水泵模型装置进行全面的数模仿真计算及动态力分析。高精度水力机械模 型试验台是开发和研究高效水力模型的必要手段，是研究开发阶段检验水力性能的最终方 式。 大、中型水泵一般采用针对性设计制造，较少套用定型产品，水泵性能与实际运行工 况可更好的吻合。采用先进的加工工艺，水泵型线的准确性及表面加工质量接近于大型蓄 能泵的要求。产品的牛产和销售由价格丰导转变为以质量和性能为半导。“ 西安理工大学硕士学位论文 c h 弱e 和o m l s b ( 1 9 8 9 ) 2 阳踟、s a k a r y a ( 1 9 9 8 ) 踟、s a k a r y a ( 2 0 0 0 ) 3 1 采用非 线性规划与水力模拟技术棚结合来解决优化模型的水力约束；0 础e e 和l a l l s e y ( 1 9 9 4 ) 唧1 提出运用拉格朗日( l a g r a 画a n ) 优化算法解决以泵站最小运行费用为目标的非线 性规划模型；r o d i i l ( 1 9 9 9 ) 阳1 用遗传算法进行泵站日运行最小费用研究。m o r a d i - j a l a l ( 2 0 0 3 ) 等采用非线性规划的方法对泵站的水泉容量、机组数量及类型进行了全面 优化。 1 2 3 研究中存在的问题 现有的各种水泵优化选犁方法中，大多数都缺少对供水过程中流最变化的考虑，有的 方法虽然考虑了供水流量的变化。但其求解过程复杂繁琐，且水泵优化选型计算结果不 为整数，要对其计算结果进行调整以满足水泵选型的整数要求，调整后有时偏离最优解。 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要内容是建立了泉站年费用最小的比较方法。确定吴堡工业园供水工程三座 泵站的水泵机组及其对应下的不同管径管道长度的最优方案，并对最优方案进行停泵水锤 分析，确定最优方案的可靠性。 在具体实施中，本文研究所涉及的具体内容可归结为如下几个方面： 以吴堡上业园供水上程为例，根据各级泵站的基本参数确定出几种水泵机组型号 的方案，并计算不同方案的年耗电费用； 建立各方案参数对应下的管道投资最小的数学模型，并计算结果； 建立不同型号水泵并联运行方案的功率最小化的数学模型，并计算结果； 比较各方案下的泵站总费用，确定最优方案： 计算分析各级泵站最优方案的停泵水锤。 1 4 研究方法 在输水管线和供水流量一定的条件下，水泵机组选型不同，其t 程投资和耗电赞 就不同，如果选择水泵的工作扬程越高，输水管道的直径及工程投资相对越小，但年 耗电费越大：如选择的水泵扬程越小。输水管道直径及t 程投资相对越大，但年耗电 费越小。这必然存在一个最优方案，这个最优方案可根据泵站年费用最小法确定。 在对泵站系统分析的基础上，确定水泵机组组合下泵站年费用最小的计算方法， 建立数学模型。模型的建立包括确定水泵机组工况下的输水管道长度及管径优化模型： 不同型号的水泵并联最小总功率下的流量分配模型。最后计算出泵站的最小年费用。 并计算分析出泵站的停泵水锤。目标模型如下： a 以管道投资费用最小为目标 根据设计供水流量，泵站的净扬程以及安全水头可计算出水泵的工作扬程和输水管道 的水头损失：由满足设计规范的不同流速和设计流量又可确定出n 种输水管道的直径。可 6 以满足输水管道水头损欠的管段组合有多种，但必然存在种管段组合，使管道部分的投 资最小根据此思想，建立管段组合投资最小的线性规划数学模型。 b 以不i 划犁号水泵并联运行总功率最小为目标 以水泵机组的并联运行的总耗电功率作为目标函数，寻求并联水泵之间的最优流晕分 配。象站内各水泉联合工作时，其联合工况必须满足泉站出水管上公共节点处的流量、扬 程要求。即满足管l 】i ) 9 中用户流量、扬程要求的条件下，水泵联合运行电耗最小。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 泵站技术要素分析 2 1 工程简介 2 1 1 供水系统 吴儇县工业冈区供水工程主体工程包括：取水工程、输水工程、泵站工程和调蓄工程， 其中取水下程包括2 6 口取水井连接t 程和7 个水源地连接工程；输水丁程包括岔上一张 家山工业园输水工程、横沟一后王家山工业园输水工程、王家川一后王家山工业园输水工 程和李家塔一县城应急供水工程；泵站工程包括输水过程中的9 座加j 玉泵站，除李家塔一 县城应急供水工程外，其余各条输水线路各有3 座加压泵站；调蓄工程包括各个工业园调 蓄池、寇家塬调蓄池及慕家园高位水池。 2 1 2 基础设施 a 交通设施 3 0 7 国道在吴堡县南侧尔西方向通过，向西在绥德县与2 1 0 国道主干线西( 安) 一包 ( 头) 公路相接，并与2 1 0 国道形成十字形路l 勾g ，北经榆林可到内蒙，南经延安可达西安， 西经靖边、定边可达宁夏，向东过黄河进入山西省境内。 b 电力设施 吴翠县全部由陕西电网供电，现有3 5 k v 变电站两座，容量1 0 4 5 0 k v a ，3 5 k v 线路两 条，总长度5 2 1 8 l ( 1 l l 。供电所4 个，1 0 k v 线路7 条，总长度3 2 7 3 k m ，配变3 7 4 台，容 量1 6 3 9 5 k 、，a 。 c 通讯设施 目前。吴堡线具有的通讯设施主要有： ( 1 ) 1 5 5 6 2 2g s 1 0 a 标准犁s d h 光纤传输设备 ( 2 ) 1 5 5 6 2 2g s 1 0 a x 标准犁s d h 光纤传输设备 ( 3 ) g 2 0 0 0 a 型智能基群数字复用设备 ( 4 ) h 7 g m s w 网络管理系统 2 1 3 加压泵站工程 加压泵站工程的设计规模由输水管道的流量确定，按照村镇供水工程技术规范( s l 3 1 0 2 0 0 4 ) ，水源至水的输水管道( 渠) 设计流量按最高日工作时平均流量确定。由于 该工程为运行方式为每天2 4 小时运行制，且输水管道下游均布设调蓄工程，管道的设计 流量应满足全年的用水量要求。综合考虑，合理确定上程规模，输水管道设计流量采用最 高h 平均时流量计算。 考虑现状干管的最大输水能力及工业园用水需求，结合规划年2 0 2 0 年人畜、工业等 用量，经计算复核后，单管设计流量确定为o 3 2 9 矗s ，各管道设流量分配表如下： 8 2 泵站技术要素分析 表2 1 设计流量 t a b l e 2 - ld e s 蟾nm w 加压站上程设计规模按2 0 2 0 年供水量计算。加压站设计流量同所在管段的设计流量 匹配，其运行时间同管道运行时间，单管流量为0 3 2 9 矗s 。本次共布置3 座加压站。 本文主要研究对3 座泵站的机组进行优化配置，以及水泵停泵水锤计算。卜表是泵站 的基本数据。 表2 2 采站基本数据 t a b - e 2 2p u m p 证gs t a t i o nb 丛i cd a t a 从一级泵站出来的压力管道管末端水头为8 1 4 3 m ，_ 级泵站和二级泵站的分另为9 2 8 3 m 和1 0 3 4 3 m 。安伞水头h = 2 3 m ，净扬程h 吼= 出水池最高水位吸水池最低水位，一级泵站、 二级泵站和三级泵站的净扬程分别为1 1 9 3 m 、1 1 6 3 m 和1 0 8 3 m 。 2 2 水泵工作的技术要素 泵是把原动机的机械能或其他外加的能量，转换成流经其内部的液体的动能和势能的 流体输送机械。作为一种通片j 类流体机械，泵被广泛应片j 十需将一地的液体输送到另一地 方，需将低处的液体提升到高处或需对液体进行增j 玉等场合，国民经济各个部门几乎都有 泵的应用。 按其工作原理泵一般可分为以下三大类：( 1 ) 叶片泵。通过工作叶轮的高速旋转运动， 将能晕传递给流经其内部的液体，使液体能量增加的泵。例如：离心泵、轴流泵和混流泵 都属于叶片泉，( 2 ) 容积泉。通过泵体工作室容积的周期性变化，将能量传递给流经其内 部的液体，使液体能量增加的泵。改变泵体上作室容积有往复式运动和旋转式运动两种方 式，属于往复式运动方式的有往复式活塞泵，( 3 ) 其他类型采除叶片泉和容积泉以外的其 他特殊类型采，统称为其他类型泉。例如：射流采、气升泵、水锤泉等。它们基本上都是 利用液流或气流的运动将本身的能量传递给被输送液体的泵类。叶片泵足心用最广泛的泵 类。与其他泵类相比，叶片泵具有启动迅速、驱动方便、出水量均匀、工作性能可靠、运 行状况调节容易和工作效率高等很多优点，特别是叶片泵可划分成各种系列，以满足不同 9 西安理工大学硕士学位论文 流量和压力的需要。在水利工程中所采用的绝大多数是叶片泵。 2 2 1 水泵的工作参数3 钉 叶片泵性能是由其性能参数表示的。表征水泵性能的主要参数有6 个：流量、扬程、 功率、效率、转速和允许吸上真空高度( 或必需气蚀余量) 。这些参数之间互为关联，当其 中某一参数发生变化时。其他工作参数也会发生相应的变化，但变化的规律取决于水泵叶 轮的结构型式和特性。 a 流量：水泵的流量是指单位时间内流小泵m 口断面的液体体积或质量，分别称为体 积流晕和质鼍流罩。体积流量用符号q 表示，质= 阜= 流量用q m 表示。体积流骨= 常用的单位 为：l s 、d s 或矗h ；质量流量常用的单位为：k g s 或t h o 根据定义，体积流 量与质量流量有如下的关系：q m = pq ，式中的p 为被输送液体的密度( 单位：k g m 3 ) 。 b 扬程，用符号h 表示，是指被输送的单位晕量液体流经水泵后所获得的能量增值， 即水泵实际传给单位重量液体的总能量，其单位为m 洲m n = n 1 ) 。因此，由水泵扬程 的定义，扬程也可表示为水泵进、出u 断面的单位能量差。 水泵的扬程为：h = e 2 一e 1 = ( z 2 一z 1 ) + 鼍 + 警 ( 2 1 ) z 卜z 2 分别为水泵进出u 断面中心到泵基准面的位置高差，m ：当断面中心位于泵基 准而以上时，高差取正值，反之则取负值：p l 、p 2 分别表示水泵进、山口断而的半均绝对 压力，n 秆：v 卜分别表示水泵进、出口断面的平均流速，“s ；p 为被抽液体的密度， k d ；g 为重力加速度i i l 妒。 c 功率，足指水泵在单位时间内对液流所做功的大小，单位是w 或k w 。水泵的功率 包含轴功率、有效功率、动力机配套功率、水功率和泵内损失功率等四种。 ( 1 ) 轴功率p 轴功率是指动力机经过传动设备后传递给水泵主轴上的功率，亦即水泵的输入功率。 通常水泵铭牌上所列的功率均指的是水泵轴功率。 ( 2 ) 有效功率p 。 有效功率是指单位时问内，流出水泵的液流所获得的能量，即水泵对被输送液流所做 的实际有效功，即： p 。= p g q h ( 2 2 ) ( 3 ) 动力机配套功率p 卫 动力机配套功率为与水泵配套的原动机的输m 功率，考虑到水泵运行时可能m 现超负荷 情况，所以动力机的配套功率通常选择得比水泵轴功率大。动力机的配套功率一般可按下 式进行计算： p g - k p ( 2 3 ) 式中k 为动力机功率备用系数，可参考表3 1 中的值，并考虑水泵陈旧时的功率增加或 意外的附加功率损失等因素选择确定。 i o 2 泵站技术要素分析 表2 3 动力机功率备用系数k 协b k 3 - lp o w 盯m h 证ep o w e rs t 锄d b yc o e 胝i e ：n tk ( 4 ) 水功率p w 水功率是指水象的轴功率在克服机械阻力后剩余的功率，也就是叶轮传递给通过其 内的液体的功率。即： p w = p 一p m = p g 哳h t ( 2 4 ) 式中：p m 为水泵的机械损失功率；q 为理论流量，q = q + q ：h r 为理论扬程，水 泵输送理想流体时的理想扬程，即不考虑泵内任何流动损失的扬程。 ( 5 ) 泵内损失功率p 水泵的输人功率( 即轴功率) ，只有部分传给了被输送的液体，这部分功率即是有效功 率，另一部分被用来克服水泵运行中泵内存在的各种损失，也就是损失功率。泵内的功率 损失可以分为二类，即机械损失、容积损失、水力损失。 机械损欠功率p m ；机械损欠包括转子旋转所引起的水泵密封装置( 口环、填料函) 及 轴承的机械摩擦损失和叶轮前后盖板外表面与液体之间的摩擦损失( 圆盘摩擦损失) 两部 分。水泵密封装置和轴承的摩擦损欠与其结构型式有关，这两项损失之和大约只占轴功率 的l 一3 ，相对其他各项损失来说很小。网 ；c 摩擦损失是机械损失的主要部分，约为 轴功率的2 1 0 ，其大小可用下式来计算： p d f = k p u ；d ；= k p ( 3 d i ( 2 5 ) 式中：p d f 为圆盘摩擦损失功率，k w ；k 为圆盘摩擦系数，由试验求得，其大小与 叶轮出口的流动雷诺数、被输送液体的种类、叶轮轮盘外表面以及泵壳内农面的粗糙度等 因素有关，一般可近似取k = 0 8 8 l o 一；功为叶轮出口直径，m ：1 1 2 为叶轮m 口圆周速 度，m s ；n 为叶轮转速，r m i i l ：p 为被输送液体的密度，k 矗。 由上式可知，圆盘摩擦损失与叶轮转速的3 次方成正比，与叶轮外径的5 次方成正 比。可见，圆盘摩擦损失将随叶轮转速和外径的增人而急剧增加，从而使泵的效率人人降 低。 容积损失功率p ，：容积损失又称泄漏损失，是由泄漏流量q 引起的功率损失，即：p ， = p g q h t 水力损失功率p h ；当液体由水泵进口经过叶轮至水泵出口流出时，在泵内部沿程会 产生各种水力损失，主要有：经过泵内符过流段的沿程表面摩擦损失；由丁液流沿程 过流面积或者液流方向突然改变产牛的局部水力损失：由于其他原因产牛的漩涡所引起 的损失等。这些损失都要消耗部分功率，该部分消耗在泵内流动过程中的功率统称为水力 西安理工大学硕士学位论文 损失功率。由此可见，水力损失的大小与液体的种类及其在泵内的流动形态和泵内流道的 结构型式、表面粗糙程度等因素有关。按其定义，水力损失的衷达式可表列如下： p h = p g qh i 1 = p g q ( h t h ) ( 2 6 ) 式中h h l 为由于水力损失引起的损失扬程，即h h 尸h t h 。 d 效率n ，水泉传递能量的有效程度称为效率。水泉的输入功率( 即轴功率p ) ，由于 机械损失、水力损失和容积损失，不可能全部传递给液体，液体经过水泵j 能获得有效功 率p e ，效率是用来反映泵内损失功率的大小及衡量轴功率p 的有效利用程度的参数，即 有效功率p 。与轴功率p 之比的百分数： p 1 1 = 詈1 0 0 ( 2 7 ) 可用机械效率r 1m 、容积效率r 1 。和水力效率r 1h 分别来衡量各种损失的大小。 机械效率r 1m ：衡量机械损失大小的参数，可用卜面的式子表示 ”m = 半= 等1 0 0 ( 2 8 ) 容积效率n ，：衡量容积损失人小的参数，可用f 式子表示 1 1 。：业：婴： 1 0 0 ( 2 9 ) v p wp g q th tq t ” 水力效率r 1h ：衡量泵内水力损失人小的参数，可用下式子表示 t l h = 皆= 志= 而繁赢= 昔1 0 0 ( 2 1 0 ) h p w 一p v p w 一p v p g q t h t p g q h t h t 。 在引入上述i 个效率后，水泵的效率t 1 还可表达为： t 1 = 鲁= 孚等业 = t 1 m t l v t l h ( 2 1 1 ) 。 pp p wp w 一p v 。1 。 由i ：式2 1 l 可知，水泵的总效率等于机械效率、容积效率和水力效率3 个分效率的 乘积。因此，要提高水泉的效率就需要在设计、制造及运行等方而尽可能减少机械、容积 和水力损失。目前，离心泵的效率大致在0 4 5 0 9 的范围内，轴流泵的效率范围约为0 7 0 9 。 e 转速n ，转速是指水泵轴或叶轮每分钟旋转的次数。通常用符号n 表示，单位为转 每分( r m i l l ) 。水泵的转速与其他的性能参数有着密切的关系，一定的转速，产生一定的流 量、扬程，并对应一定的轴功率，当转速改变时，将引起其他性能参数发生相应的变化。 水泵是按一定转速设计的，因此配套的动力机除功率应满足水泵运行的工况要求外，在转 速上也应与水泵转速相一致。目前，我国常用的水泵转速为：中、小型离心泵一般在 7 3 0 2 9 5 州r n i n 的范嗣：中、小型轴流泵一般在2 5 0 1 4 5 0 r n l i l l 的范围，大型的轴流泵的 转速则更低，在1 0 0 2 5 0 r m 访的范罔。 允许吸上真空高度正【h s 】( 或必需气蚀余量l l r ) ，允许吸上真空高度和必需气蚀余量 是表征水泵在标准状态下的气蚀性能( 吸人性能) 的参数。水泵工作时，常因装置设计或运 行不当，会出现水泵进口处压力过低，导致气蚀发牛，造成水泵性能下降甚至流动间断、 振动加剧的现象。泵内出现气蚀现象后，水泵便不能正常工作，气蚀严重时甚至不能工作。 1 2 2 泵站技术要素分析 为了避免水泵气蚀的发生，就必须通过泵的气蚀。盹能参数米正确确定泵的几何安装高度和 设计水泵装置系统。 水泵的各个性能参数表征了水泵的性能，是了解运行特性的重要指标，它们通常可 从水泵产品样本上获得。此外，每台水泵的铭牌上，简明地标示有水泵性能参数及其他 些数据。但需要指出的是，铭牌上标出的参数是指该水泵在额定转速( 设计转速) 下运行时 的流量、扬程、轴功率、效率及允许吸上真空高度或必需气蚀余量等值。 2 2 2 水泵的性能曲线“味d 3 8 1 水泵性能是指水泵存某。固定转速下运行时，它的流鼍与扬程、轴功率、效率、允许 吸卜真空高坡或空蚀余量等几个参数之间棚互关系的变化规律。通常把卜述参数间的卡几互 关系绘制成几条曲线，这种曲线称为水泵的性能曲线。在绘制曲线时，一般把流量q 作 横坐标，扬程h 、轴功率n 、效率l i u 和允许吸上真空高度h 。或空蚀余量 作纵坐标， 绘制在直角坐标系内。实际应用中使用的性能