（水利水电工程专业论文）高扬程梯级泵站和管路对提水效率影响的研究.pdf

嬲煳糟 y 18 j i i 岑蚪酱。 t h er e s e a r c ho ns o m ec h e m i c a la n dp h y s i c a lt e s tm e t h o d si n t h ec h e m i c a la n df i b e rp r o d u c t i o np r o c e s s b y z h o ul i n b o b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e h y d r a u l i ca n dh y d r o p o w e re n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx u c u n d o n g j u n e ，2 0 11 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者虢- 虱城谆 日期：彬年乡月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：l 氢谚乖。马日期：二年多月夕日 新戤：獭采醐咖年多月日 硕十学位论文 目录 摘要! i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状一3 1 2 1 国内研究现状3 1 2 2 国外研究现状4 1 3 研究内容、主要研究方法5 1 3 1 研究目的5 1 3 2 主要研究内容：5 1 3 3 主要研究方法5 第2 章梯级泵站提水效率研究。7 2 1 梯级泵站监测计量设备7 2 2 梯级泵站实际提水量的数学模型研究7 2 3 梯级泵站能耗的测定及提水效率评估一8 2 3 1 单个泵站效率评估8 2 3 2 梯级泵站系统效率评估9 2 4 梯级泵站系统提水能耗评估9 2 5 本章小结一9 第3 章水泵效率及变速调节的研究1 0 3 1 影响水泵效率的主要因素概述1 0 3 1 1 泵的特性1 0 3 1 2 泵型选择和电机配套- 1 2 3 1 3 水泵气蚀1 2 3 1 4 出水管局部损失1 3 3 1 5 含沙水对水泵效率的影响一1 3 3 2 水泵流量调节的主要方式1 3 3 2 1 调节方式概述1 3 3 2 2 改变管路特性曲线1 3 3 2 3 管路并联调节法1 4 3 2 4 改变水泵的特性曲线1 4 高扬稃梯级泵站和管路对效率影响的研究 3 2 5 泵串、并联调节方式1 5 3 3 不同调节方式下泵的能耗分析1 5 3 3 1 阀门调节流量时的功耗1 5 3 3 2 变速调节流量时的功耗1 6 3 3 3 各种调节工况方法能耗对比1 6 3 4 水泵变速调节分析1 7 3 4 1 泵站的调速特性1 7 3 4 2 变频泵站调速范围的确定1 8 3 4 3 转速确定18 3 4 4 调速节能原理分析1 9 3 4 5 泵自身性能对调速调节效果的影响2 0 3 4 6 管路特性对泵调速调节的影响2 1 3 5 本章小结2 2 第4 章管路系统效率研究2 3 4 1 水头损失曲线2 3 4 2 管路特性曲线2 4 4 3 管路损失与管路效率的关系2 5 4 4 管路效率的影响因素2 5 4 5 提高管路效率的途径2 6 4 6 进出水管上闸阀对管路效率的影响2 8 4 7 出水管布置对管路效率的影响2 8 4 8 异形管的阻力损失对管路效率的影响2 9 4 9 管路效率与泵站效率的关系2 9 4 10 本章小结3 0 第5 章景电工程效率及影晌效率的因素研究3 1 5 1 工程概况3 1 5 2 景电灌区梯级泵站效率评估3 1 5 2 1 景电一期泵站提水效率评估3 l 5 2 2 景电二期泵站提水效率评估3 3 5 3 景电泵站效率评估结果分析4 1 5 3 1 总体规律分析4 1 5 3 2 具体情况分析4 2 5 4 影响泵站运行效率的问题分析4 3 5 4 1 景电二期工程典型水泵的模拟4 4 薯 硕士学位论文 5 4 2 景电二期工程典型水泵实际运行的工况5 l 5 4 3 最佳转速的确定5 3 5 4 4 景电泵站管道效率分析5 4 5 5 本章小结5 8 结论与展望”5 9 一结论5 9 二展望6 0 参考文献”6 l 致谢。”6 4 附录a 攻读学位期间发表的论文”6 5 l 。 硕士学位论文 摘要 随着经济的高速发展和科学技术的不断进步，我国大型泵站工程的建设越来 越多，这些泵站在国民经济建设和人民生活的各个方面都发挥着重要的作用。 为了提高我国泵站建设与运行管理的水平，此次选题采用现场调查、数值模 拟、理论分析和建立数学模型的方法，分析了梯级泵站的效率及影响泵站效率的 因素，有效合理的调节泵的转速，以此减小由泵和电机的不匹配、泵的设计扬程 和实际扬程不匹配引起的水力损失。合理的管路布置，提高泵站的管路效率。降 低泵站能耗，降低泵站运行的成本，从而具有重要的理论意义和实用价值。 本文以甘肃省景电灌区大型泵站为研究对象，得出的主要研究结论： 1 通过数学模型在梯级泵站只有总一泵站装有水量计量装置的情况下，计算 出其余各个泵站的提水量。结合各个泵站的实际耗电量对单个泵站和泵站系统的 提水效率进行了评估。总体效率偏低，其部分泵站的效率远远低于国家平均水平。 2 结合设备参数和泵站实际运行情况，分析了造成部分泵站效率不高的主要 原因，有以下三点：( 1 ) 泵选型和电机不匹配。( 2 ) 设计扬程与实际扬程不匹 配。( 3 ) 灌区分水引起的渠道流量和前池水位的变化。 3 各种调节方式的原理不同，除有自己的优缺点外，造成的能量损耗也不一样， 变速调节为最佳、能耗最小、最节能的流量调节方式。 4 泵的特性曲线和管路系统特性曲线已知时，在泵的比例定律范围内，利用 相似工况理论和比例定律，可以确定泵的最佳转速。 5 在使用“乙 字型组合弯管时，两个9 0 度弯管之间的安装距离必须大于四 倍的管道直径。 关键词：泵站效率：变速调节：管路效率；最佳转速；弯管： i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n da d v a n c e ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i n o u rc o u n t r y , t h el a r g ep u m p i n gs t a t i o n sa r em o r ea n dm o r e ，w h i c hp l a ya l li m p o r t a n t r o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m yc o n s t r u c t i o na n dp e o p l el i f e t oi m p r o v et h ec o n s t r u c t i o n a n dm a n a g e m e n tl e v e lo fp u m p i n gs t a t i o n ，t h r o u g hf i e l d i n v e s t i g a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h et o p i c sa n a l y z et h e e f f i c i e n c yo fc a s c a d ep u m p i n gs t a t i o n sa n dt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ep u m p i n g e f f i c i e n c y , a n da d j u s tt h ep u m ps p e e de f f e c t i v e l ya n dr a t i o n a l l y , t h e r e b yr e d u c i n gt h e a c t u a ll o s sw h i c hc a u s e db ym i s m a t c h i n gb e t w e e np u m pa n dm o t o r , d e s i g n e dh e a da n d a c t u a lh e a d r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to fp i p i n gc o u l di m p r o v et h e e f f i c i e n c yo f p u m p i n gs t a t i o n sa n dp i p e l i n e ；r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dr u n n i n gc o s t ，w h i c hh a s i m p o r t a n tt h e o r e t i cs i g n i f i c a n c ea n du s ev a l u e i nt h i sp a p e r , w i t ht h el a r g ep u m p i n gs t a t i o no fj i n g d i a ni r r i g a t i o na r e ai ng a n s u p r o v i n c ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，d r a w nt h em a i nc o n c l u s i o n s ： 1 o n l yb a s ep u m p i n gs t a t i o nh a sm e t e r i n gd e v i c e so fw a t e ry i e l di nt h ec a s c a d e p u m p i n gs t a t i o n ，i ns u c hc i r c u m s t a n c e ，c a l c u l a t et h ew a t e ra d d e do f e a c ho t h e r sp u m p s t a t i o n st h r o u g ht h em a t h e m a t i c a lm o d e l t oa s s e s st h ew a t e ra d d e de f f i c i e n c yo f s i n g l ep u m ps t a t i o na n dp u m p i n gs y s t e m sb yu s i n gt h ea c t u a lp o w e rc o n s u m p t i o no f e a c hp u m ps t a t i o n o v e r a l le f f i c i e n c yi sl o w ；t h ee f f i c i e n c yo f p a r to ft h e s ep u m p i n g s t a t i o n si sf a rb e l o wt h en a t i o n a la v e r a g e 2 u s i n ge q u i p m e n tp a r a m e t e r sa n dt h ea c t u a lr u n n i n go fp u m p i n gs t a t i o n s ，a n a l y z e t h em a i nr e a s o n so fp a r to fp u m p i n gs t a t i o nw i t hl o we f f i c i e n c y , t h r e e p o i n t sa s f o l l o w i n g ：( 1 ) t y p es e l e c t i o nd o e sn o tm a t c hw i t ht h ep u m pm o t o r ( 2 ) t h ed e s i g nh e a d d o e sn o tm a t c hw i t ht h ea c t u a lh e a d ( 3 ) c h a n n e lf l o wa n dt h ew a t e rl e v e lo ff o r eb a y c h a n g e sc a u s e db yi r r i g a t i o nw a t e rd i s t r i b u t i o n 3 t h ep r i n c i p l e so fa d j u s t m e n tm e t h o d sa r e d i f f e r e n t ，i na d d i t i o nt o i l so w n a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s ；t h e r es u l t i n g e n e r g yl o s si sd i f f e r e n tt o o v a r i a b l e s p e e d c o n t r o li st h eb e s t ；m i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h em o s te n e r g y s a v i ng of f l o w c o n t r 0 1 4 - c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h ep u m p a n dp i p i n g s y s t e m i s k n o w n ，w i t h i np u m ps e a l i n g l a wl i m i t s ，u s i n gt h es i m i l a r i t yw o r k i n gc o n d i t i o n t h e o r ya n ds c a l i n g l a w , w ec a n d e t e r m i n et h eo p t i m a ls p e e do ft h ep u m p 5 u s i n gt h e ”乙”t y p eb e n dg r o u p ，t h ei n s t a l l a t i o nd i s t a n c e b e t w e e nt w o9 0 d e g r e e b e n dm u s tb ef o u rt i m e sg r e a t e rt h a nt h ed i a m e t e ro f t h e p i p e i i k e yw o r d s - - p u m p i n ge f f i c i e n c y ；v a r i a b l e - s p e e dc o n t r o l ；p i p e l i n ee f f i c i e n c y ； b e s ts p e e d ；b e n d ； i i i 硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 泵站作为我国水利工程的重要组成部分，在解决干旱缺水、洪涝灾害、水环 境恶化等方面起着不可替代的作用，承担着区域性的防洪、除涝、灌溉、调水和 供水的重任，在我国国民经济可持续发展和全面服务于小康社会的建设中，占有 重要地位。机电排灌工程承担了我国4 1 的农田灌溉和7 0 的农田排涝任务，同 时在跨流域调水、城市供排水、城镇防洪、减少灾害损失、保障人民生命财产安 全、保护城乡建设，以及解决一些地区工业生产、城乡生活用水、改善水环境等 方面发挥了极其重要的作用u 】。 中国的泵站按其服务对象、扬程和地理位置不同，主要分布在以下3 个地区： 长江中下游及珠江三角洲地区、黄河上中游地区和其他地区。据统计，截至2 0 0 4 年底，中国机电排灌动力保有量接近8 0 0 0 万k w ，超过全国农用总动力的l 4 。机 电排灌设施效益总面积约o 3 7 亿h m 2 ，其中提灌面积约0 3 3 亿h m 2 ，占全国有效灌 溉面积的6 0 ；提排面积约o 1 3 亿h m 2 ，约占全国除涝面积( 5 年一遇除涝标准) 的 7 0 。此外，还有水轮泵灌溉面积约3 0 4 7 万h m 2 。由此可见，中国的机电排灌效 益面积已占全国排灌效益总面积的5 0 以上，即泵站在中国灌排事业中占有“半 壁江山 。中国现有大、中、小型各类固定式排灌泵站5 0 余万座，登记在册并实 行正规管理的泵站有3 3 5 万座，装机容量2 3 7 3 5 万k w ，占机电排灌总动力的3 0 。 属于大型泵站管理单位管理的泵站有3 8 3 处、2 6 6 3 座、1 6 3 6 万台、4 4 8 8 8 万k w ， 其中单座泵站达到大型泵站标准的1 5 8 座、2 5 1 4 台、1 5 3 9 万k w ；中型泵站有2 3 8 4 处、4 8 9 5 座，总功率6 1 8 万k w 嵋1 。 随着我国大中型泵站的发展，尽管全国机电排灌总动力和总效益面积年年在 增加，但机电排灌单位功率效益面积却逐年下降，抗御自然灾害的能力逐步减弱。 1 9 4 9 年至1 9 8 0 年，单位功率效益面积从3 5 4 9h m 2 k w 降n o 5 6 8 h m 2 k w ，1 9 9 6 年则降n o 4 8 4 h m 2 k w 。我国泵站发展的特殊背景，造成了我国泵站整体技术状 况较差。约有2 3 的泵站建于2 0 世纪六七十年代d 1 ，机组台数占“6 4 3 ，装机容 量占5 5 7 ，受当时条件的限制，泵站建设标准低、设备选型不合理、工程配套 不健全、自动化程度低，不少工程分期设计与施工，质量难以保证。另一方面， 上世纪六七十年代兴建的泵站自建站以来均担负着繁重的灌排、调水任务，年运 行时间长，特别是经过三四十年的运行。许多泵站都在超期运行，不少泵站出现 了拼设备、拼工程的局面。机组、电气设备和工程设施老化严重，不少机泵和电 气设备均已成淘汰产品，隐患缺陷较多。 2 0 0 3 年，水利部对全国1 4 个省( 自治区) 的大中型泵站进行了典型调研，并对 高扬程梯级泵站和管路对效率影响的研究 全国3 2 个省( 自治区、直辖市) 的大中型泵站进行了普查，根据调查区域的特点、 泵站分布状况，重点调研的地区包括西北地区的高扬程提灌泵站、长江中下游地 区的大中型排涝泵站以及东北易涝地区的排灌结合泵站。调查发现，水利泵站 的形势不容乐观，建设标准偏低、泵站严重老化、泵站负担沉重、泵和扬程不匹 配、管路设计不合理、泵站效率低等问题十分突出。 我国西部地区属于少雨干旱地区，为有效解决干旱缺水、人畜饮水困难，大 片适宜耕种的土地长期荒芜等问题，改善这些地区的生活、生态环境，阻止沙漠 南移，国家先后在甘肃、宁夏、陕西等地区建成了一些高扬程大型提水灌溉工程。 这些工程成为我国西部干早地区人民的翻身工程和致富工程，发挥着巨大的经济 效益、社会效益和生态效益。以甘肃省景泰川电力提灌工程( 以下称“景电工程 ) 为例，甘肃省景泰川电力提灌工程是国家大型的高扬程梯级提水灌溉工程，工程 总体规划设计灌溉面积8 2 万亩，共建有大小泵站4 3 座，最高扬程达7 1 3 米，干、支 渠总长6 5 6 k m ，渡槽、桥涵等建筑物2 6 8 0 多座。工程自建成后提水灌溉以来，共安 置移民3 0 余万人。灌区在腾格里沙漠边缘形成了一道绵延1 0 0 多公里的绿色屏障， 发挥了巨大的社会经济效益和生态效益。 近年来，随着我国工农业生产的快速发展，我国机电排灌事业也得到了飞速 的发展。据统计，沿黄河有大中型抽黄水泵1 l 万台套，总容量约3 4 0 万k w ，这些泵 站和提水设备大多为上世纪六十至七十年代兴建。从1 9 8 0 年开始，黄河上的灌溉 用泵以每年2 万台，装机容量4 0 - - 5 0 万k w 的速度增加。这些工程总扬程可高达4 0 0 - - 8 0 0 m ，单级泵的扬程达8 0 - - - 1 8 2 m 。长期以来，国家对大型提灌工程在政策与资金 等各方面都给予了大力的支持。景电工程也不例外。比如投入大量的资金及人力 物力进行工程建设及工程改造，长期以来在电力提灌方面以o 0 4 元k w h 远低于 成本价的电价保证提灌工程的用电，正是这一系列的扶助与支持，使得我国诸多 大型提灌工程自建成以来，产生了巨大的综合效益，为当地老百姓带来了巨大的 实惠，同时对自然环境的改善也做出了巨大的贡献。 但是在市场经济环境下，随着灌溉面积的扩大，农业种植规模的增长，提灌 工程用电电费、水费远低于成本的矛盾日益凸现出来。目前国内的电力提灌工程， 大多关注工程建成后所带来的社会效益、经济效益以及生态效益，而对泵站运行 效率和有效的管理考虑不足。长期以来，或由于资金方面的因素，或由于观念方 面的原因，或由于技术等方面的问题，国内提灌工程对泵站的提水效率均没有进 行有效监测。此外，泵站的电力消耗只有一个笼统的数据，针对大型梯级泵站的 效率研究开展的十分不足。 作为水流外加功的输入设备，水泵的运行需要消耗一定的能量，据统计泵所 消耗的能量是发电总量的2 0 - 4 0 h 1 ，所以水泵效率的高低，不仅直接影响到泵 的使用者，而且对于国民经济的发展也起到十分重要的作用。但是在实际的使用 2 硕士学位论文 中，绝大多数泵站因容量偏大，运行效率低，能源浪费现象十分严重，装置效率 普遍低于5 0 ，远低于水利部颁布的5 4 4 隅1 。无用功率达泵站装机容量的3 0 - - 5 0 。 试图通过新的水力模型或制造技术将效率从现有水平提高1 也是非常困难的，但 泵在运行时其效率下降1 0 却是常事。而水泵及泵站在运行方面存在以下一些现 象6 。刀： ( 1 ) 泵站中运行的水泵在多数情况下实际工况偏离其设计工况，使运行效 率大大降低。 ( 2 ) 在我国大多数泵站中，尤其在水位变幅较大的泵站中，泵在低效率工 况下运行，造成了能源的大量浪费。 ( 3 ) 一些大功率离心泵无法在实验室测试它的性能，只有通过模型试验或 降速试验来测试其性能，很难准确地得到其真机性能参数。 目前，水泵及管路对泵站效率的影响和提灌用电供需矛盾日益加剧，已经严 重制约了工程最大效益的发挥。如何有效地提高泵站效率，降低运行成本，对于 解决这些矛盾具有非常积极而深远的意义。这关系到灌区农民的利益，关系到灌 区周围生态环境的改善，也关系到水管单位的生存与发展，对于我国和谐社会的 构建具有深远的意义。 1 2 国内外研究现状 随着世界经济的高速发展，水资源的战略地位愈来愈重要，水资源的高效利 用和有效管理越来越得到世界各国政府的高度重视。其中泵站水的唯一人工 动力来源，作为重要的工程措施，它在水资源的合理调度和管理中起着不可替代 的作用。 1 2 1 国内研究现状 在2 0 0 3 年水利部调研结果表明，水利泵站的形势不容乐观，建设标准偏低、 泵站严重老化、泵站负担沉重、能源消耗巨大等问题十分突出，大批泵站急需更 新节能。尤其是大中型高扬程提灌泵站运行环境恶劣，水流条件恶化，并且运行 时间每年大多都有2 0 0 天左右，不少水泵无法及时维修，促使泥沙磨损、水泵空蚀 破坏严重，机组振动加剧，工作性能下降，能耗增加，造成水泵过流部件的过早 破坏。其次泵站中8 8 的水泵使用期都在2 5 年以上，超过水利部规定的使用年限， 水泵老化相当严重，叶片空蚀磨损，轴承破裂，大轴弯曲，口环损坏，泵壳破裂， 许多水泵都是在带病上岗，虽经多次大修仍然很难恢复到水泵的设计性能。同时 再加上泥沙淤积严重等问题，泵站运行效率十分低下。 一直以来国内学者对水泵及泵站效率的评价指标的进行了大量的研究。1 9 8 4 年，邱传忻在泵站节能技术书中提到泵站能耗评价指标中主要有能源单耗和 泵站效率1 。1 9 9 5 年，刘超在泵站经济运行中提到评价泵站的动力指标有功率 3 r一 高扬程梯级泵站和管路对效率影响的研究 置i m 量曼皇鼍曼鼍曼曼鼍鼍皇置量曼曼皇曼量皇曼皇曼曼曼曼! 曼曼曼曼詈曼曼曼曼曼曼曼璺曼曼! 曼! 曼量寡曼曼曼量曼皇曼曼曼量曼量曼曼皇曼皇璺 单耗和能源单耗阳3 。2 0 0 0 年，2 0 0 5 年，邱传忻等在泵站改造中提到泵站技术 经济指标主要包括效率、能源单耗和单位功率效益，其中单位功率效益实际上仍 是千吨水能耗的变形u 们。 有关转速对泵性能的影响，几乎所有的水泵教材、手册和著作都明确指出， 水泵的转速改变后，其各性能参数都会随之相应的发生改变，其改变量由比例定 鱼= 旦旦= 叠旦= 苴 律 锡吻爿：呓岛 嘭( 其中下标“1 和“2 分别表示变速前和 变速后的参量) 确定，但是显然，这是不够准确的，国标g b t 3 2 1 6 1 9 9 2 离心 泵、混流泵、轴流泵及旋涡泵的试验方法也规定，只允许在降速2 0 以内采用此 公式。1 9 8 1 年，丁成伟在离心泵与轴流泵中对混流泵进行了变速特性研究， 提出了合适的降速范围并给出了降速后各性能参数及效率的经验公式。1 9 9 9 年， 陈池、袁寿其等在离心泵叶轮内流计算方法综述中对轴流泵变速调节作了研 究，提出了轴流泵变速性能的最优数学模型和变速通用数学关系式。随着计算机 性能的提高和计算流体力学( c f d ) 方法的发展，近年来用数值计算的方法直接研究 离心泵内部三维粘性流动已引起了水泵行业越来越多的重视。而c f d 软件虽然已经 在流体机械的流场模拟广泛应用，但将其用于转速变化对泵性能变化的影响的研 究却并不多见，金忠青在n s 方程的数值解和紊流模型中利用f l u e n t 对离心 泵在不同转速下的内部流场进行了数值模拟，但主要是利用模拟结果进行性能预 测，即检验和修正比例定律。而且，由于泵在高于其额定转速运行时，泵系统的 装置效率容易下降，且转速过高将引起泵的磨损、气蚀、水力震动甚至导致泵体 因强度不足而破坏的现象n 。所以在几乎所有的涉及离心泵转速变化的研究中， 并未过多地研究运行转速高于额定转速的情况。由以上可见，将c f d 软件应用于转 速变化对泵性能以及泵站效率影响的研究是以后研究工作的一种趋势，而且具有 比较充分的可行性。 1 2 2 国外研究现状 国外在提高泵站效率方面也作了大量的研究，2 0 0 1 年l o s em a t o ss i l v a t s o n g h e n g 采用美国i o w a 大学研制的计算流体力学通用软件( u 2 r a n s ) 算一个实际水 泵吸水池内流场，获得了进出水的流动特性，预测了回流区与水面涡的位置和长 度，并对复杂进出水结构进行了深入分析n 幻。2 0 0 3 年m a h d im o r a d i - j a l a l 针对灌 溉泵站的设计和运行，提出了以年运行能耗最少、泵站机组总费用最少的优化目 标，建立了非线性规划模型，并将结果应用于实际，泵站年运行费用节约2 5 左 右n 扣。同年p u l i d o c a l v o l 以西班牙南部地区日需水量和灌溉季节需水量为基础， 对泵站能耗进行优化，以泵站运行费用和能量消耗最小为目标，建立改造模型，结 果表明，泵站费用节约达4 l 左右n 们。2 0 0 4 年r o d i n 针对f a r a b i 泵站，以泵站年运行 4 硕士学位论文 费用和折旧费用最少为目标，并建立了优化节能模型，节约了3 3 的能耗和2 0 n 司 的运行费用。k e i t hw l i t t l e 和b r i a nj m c c r o d d e n 建立了一个相应于使用时间 安排t o u ( t i m eo f u s e ) 的最优化模型，模型的约束条件是满足供水系统的平均、最 大、最小需水量以及相应扬程要求，模型的目标函数是规定每一种泵或泵组合的 运行小时数，使得总的能量消耗( 其中包括商业能源，需要性消耗以及发电机运行 消耗) 最小，模拟表明通过节能技术能够有效降低泵站能耗2 0 左右。从2 0 世纪7 0 年代开始，一些发达国家如美国、日本等对泵采用变速调节进行了研究，主要是 双速调节和变频调节，研究表明双速调节的节电率为2 0 - 3 0 9 6 ，变频调节的节电 率为2 5 - 一4 0 。 1 3 研究内容、主要研究方法 1 3 1 研究目的 作为泵和管路对高扬程梯级泵站提水效率影响的研究，本文是以客观地评估 我国高扬程梯级泵站的实际提水效率和探寻泵和管路影响大型泵站提水效率的机 理，提出科学可靠的提效技术为主要任务。 研究的目的：一是通过对该类泵站实际提水效率的运行数据分析研究，客观 地评价高扬程梯级泵站的实际提水效率和能源单耗，为寻求影响高扬程梯级泵站 效率的因素提供科学的方法和必要的理论依据；二是通过探究水泵机组运行时的 工况点及管路效率对泵站整体效率的影响，找出影响大型泵站水泵效率的主要因 素，为泵站的高效运行提供技术支撑；三是探究提高水泵效率和管路效率的关键 技术，为泵站的更新改造提供技术支撑，并为国家同类工程的建设和运行提供可 供参考的理论依据。 1 3 2 主要研究内容 研究的主要内容有：( 1 ) 对典型的高扬程梯级泵站的设备装置和运行数据进 行客观地分析，提出科学的泵站能耗评估方法，从水泵、单座泵站、多级泵站系 统三个层面评估其提水效率；( 2 ) 从影响水泵提水效率的前池水位变化、配套电 机、管路特性曲线等多角度分析影响水泵提水效率的主要因素，探讨提高水泵效 率的技术方法；( 3 ) 模拟研究泵站压力管道两个9 0 度弯管的组合，分析其内部流 态对管路局部损失的影响，探寻通过改善管路装置内部流态的方法提高管路效率 的技术；( 4 ) 模拟典型水泵，研究水泵工况调节方式，分析研究梯级泵站系统区 间分水后多级泵站调频变速运行的节能技术的可行性； 1 3 3 主要研究方法 按照主要的研究目的和研究内容，确定的研究路线是：在分析国内外研究理 论和具体技术措施的基础上，通过对甘肃景电灌区各个泵站的大量现场调查，以 5 厂一一 高扬程梯级泵站和管路对效率影响的研究 及对具体单座泵站从现场采集的有关泵的型号、功率、转速、流量；配套电动机 的型号、功率、转速；管路的尺寸、布置形式做多角度理论分析及模拟分析，找 出影响泵站效率的主要部位，深入研究影响泵站效率的机理；针对这些情况提出 几种科学、先进、实用的改造技术理论，为同类灌区的待建和在建项目的设计和 更新改造提供科学的理论依据。 具体的研究方法是：调查研究与理论分析相结合，数值模拟与实际运行数据 比对相结合的综合研究方法。 在研究过程中： ( 1 ) 国内外的大量研究资料可以为本文的研究提供理论基础。 ( 2 ) 景电一期和景电二期的所有泵站运行现状可以为本文的深入研究提供大 量的资料和实际经验。 6 硕士学位论文 第2 章梯级泵站提水效率研究 对每个泵站的提水效率进行评估，首先需得到每个泵站的实际提水量和耗电 量。而要获取这些数据，除可通过分析各泵站全年的耗能和提水量获取评估指标 外，只能是在现有的监测条件下通过一定的数学模型来进行估算。 2 1 梯级泵站监测计量设备 为了泵站效率评估的结果更准确，最好的办法是在每个泵站的提水出口都加 上水量监测装置，但该方案资金投入量大，在目前的实际情况下显然还难以实现。 而各泵站的提水量除了总一泵有计量装置外，其它各泵站都没有水量计量装置， 但每个泵站的总提水量可以利用已有的基础数据通过数学模型进行计算获得近似 值。 2 2 梯级泵站实际提水量的数学模型研究 为了在现有的条件下获得各泵站的提水量，必须获得各段干渠上损耗的水量。 在假设各段干渠的工程质量相同的前提下，则各段干渠上的水量损耗可以看成与 干渠长度和干渠上通过水量的乘积成正比。理由如下：如果某段渠道上流过一定 量的水量，则该段渠道各单位长度渠道上的水量损失应该近似相同；如果在某段 渠道上流过的水量不同，则在该段渠道上损失的水量应该与该段渠道上流过的水 量成近似的正比关系。 鉴于目前许多灌区除总干一泵站外各泵站的出水口均没有安装水量计量装 置，有了以上假设，各泵站的实际提水量可按下面的方法近似获得。 以主干不带分支泵站的情况为例( 主干带分支的情况与不带分支的情况原理 相同) ，设工程共有m 级提水泵站，如图2 1 所示，泵l 为一级泵站，泵m 为最后一 级泵站。 泵m泵m - 1泵4泵3泵2泵l 弋：甜一一+ i _ 1 蚓 图2 1提水泵站示意图 如果把干渠上的所有独斗渠都看成是支渠，设v ，表示每年第i 个泵站以后所有 支渠口水量之和，l ，表示第i 个泵至第i + 1 个泵之间的干渠长度( 只考虑明渠长度， 如果与第i 泵相邻的下级泵有多个，则l 。为第i 泵相邻的下级泵站之间的干渠的总长 度) ，则每段干渠上水量损失为： 7 高扬程梯级泵站和管路对效率影响的研究 = 半l ( v i i - - k ) ( 2 1 ) 巧易 i - 1 式( 2 1 ) 中，k 提为一级提水泵站当年的提水总量，由于在一级泵站一般都 装有提水量测装置，该数据是已知的；为第i 段干渠上损失的水量；v t 是当年干 渠上所有支渠的水量之和。 设表示第i 个泵站实际的提水容量，如果提灌工程的干渠没有分支，则每 个泵站的实际提水量可由以下两个式中的任意一个求取： = k 提一( k 一形) 一 m - + l 圪州三肘刊 = 巧+ 上r 一 ( 2 2 ) ( 巧提一k ) ( 2 3 ) 巧 j f j 式( 2 2 ) 表示第i 泵站的提水量等于一级泵站提水量减去本站前面的支口水 量之和( k k 其实就是本站前面支口水量之和，即从一级泵站到第i 泵站之间的 支口水量之和) ，再减去本站前面的干渠损耗的水量之和。 式( 2 3 ) 表示每个泵站的提水量等于其后面所有支口水量之和，加上该泵站 后面所有干渠损耗的水量之和。 以上两式虽然表现形式不同，但其实只要稍加变换，就可知这两式的结果是 相同的。如果干渠有分支，则泵站的提水量只能按式( 2 3 ) 式来求取。 考虑到泵站出水管道、暗渠、以及隧洞的水量损失相比于明渠的水量损失要 小得多，在进行计算各段水量损失时只考虑明渠的长度，而将泵站出水管道、暗 渠、以及隧洞忽略。 2 3 梯级泵站能耗的测定及提水效率评估 2 3 1 单个泵站效率评估 有了各泵站的提水量，以及各泵站的实际耗电量，就可以算出各泵站的实际 效率。 设泵站i 的提水高程为h 。米，该站每年所耗费的电量为w 。度，则该泵站当年的 综合效率为： 8 弓一弓巧一巧 h孚一 硕 ：学位论文 式中，的单位为m 3 。 。一9 8 0 0 x e 矿瓦丽薪 2 3 2 梯级泵站系统效率评估 ( 2 4 ) 工程的总体效率用工程实际提水做功之和除以工程的实际能耗即可求得，可 由下式求取： 9 8 0 0 x 局 = 弓亩轰矿 2 5 ) 式( 2 5 ) 中w 为工程总耗电量。 2 4 梯级泵站系统提水能耗评估 在前面所获得每个泵站每年设计提水总量的基础上，以下给出工程提水总体 能耗的评估方法，以每万方水提高1 0 米的能量消耗来表示，其计算公式如下： 乒 w 1 0 4 1 0w 1 0 5 q i = 1 玛 j = l ( 2 6 ) 设v ，掘表示每年第i 个泵站实际提水总量，h 。为第i 个泵站实际提水高程，w 为工 程当年总提水耗电量。 2 5 本章小结 本章重点介绍了只有总一泵站装有水量计量装置的梯级泵站中，计算其余各 级泵站提水量的数学模型。并介绍了对单个泵站、梯级泵站系统进行效率评估和 梯级泵站系统能耗评估的方法。为探求影响泵站效率的因素提供理论依据。 9 高扬稃梯级泵站和管路对效牢影响的研究 第3 章水泵效率及变速调节的研究 水泵是泵站最主要的设备，水泵的设计制造、选型配套、安装运行、维护管 理的好坏、效率的高低，不仅对泵站投资的影响很大，而且与节约能源、降低成 本，提高经济效益都有密切的关系。 3 1 影响水泵效率的主要因素概述 3 1 1 泵的特性 3 1 1 1 水泵的性能曲线 水泵的工作参数包括转速刀、扬程日、流量q 、功率、效率刁以及允许吸上 高程皿或临界汽蚀余量b 等。水泵的功