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浅谈管灌工程装置效率测定方法

发表时间：2020/12/24 来源：《基层建设》2020年第24期作者：成诚1 姜国华2

[导读] 摘要：针对管道灌区已建工程特点，选用适宜的仪器、设备测算管灌工程在不同的工况下的工作参数，以此计算泵站装置效率。

        1.如皋市碾砣港闸管理所江苏如皋 226532
        2.如皋市水利建筑安装工程有限公司江苏如皋 226500
        摘要：针对管道灌区已建工程特点，选用适宜的仪器、设备测算管灌工程在不同的工况下的工作参数，以此计算泵站装置效率。该方法适合通南高沙土区管灌工程实际，经济实用，测定成果可为管道灌溉工程建设和改造提供规划设计依据。
        关键词：管道灌溉；装置效率；测定
        0 前言
        近年来，各地实施了一大批管道灌溉工程，其节水、节地、省工效益明显。但也有部分管道灌区亩耗电过高，效率低下，基层干群难以接受。对现有管道灌溉系统进行水泵效率、动力机效率和管路系统效率测算，可以找出问题症结，有针对性的提出改造方案。
        1 测算内容
        测算内容包括不同工作状态下水泵流量、扬程、单位时间耗电量、管径、田间出水口工作压力及流量，抽样田块面积等工作参数；通过以上基础参数的测定，计算出泵站装置效率等。
        2 测算方法
        2.1测算方法筛选原则
        在选择流量、扬程和电动机输入功率等参数的测试方法时，应满足以下原则：
        （1）充分利用泵站工程已有的监测仪器设备来进行量测，以节约测试成本，减少对现场过多的诸如钻孔打洞等破坏。
        （2）流量测量中尽量考虑泵站工程管路的实际情况，对于满足非接触式安装条件的管路，应优先选用超声波流量计测量方法；对于管路不满足非接触式安装条件的，宜采用管内平均流速法量或食盐浓度法等进行测量。对于管路不满足测量仪器设备安装要求的情况，采用规则渠道断面流速法测量。
        （3）装置扬程测量中尽量考虑泵站工程进出水管路衔接的实际情况，宜采用压力表法或测针水位计法。
        （4）功率测量中尽量考虑主机组电动机的实际情况，优先选用双瓦特表法，对于不具备用双瓦特表法测量电动机输入功率条件的小型泵站，宜采用电度表测量电动机输入功率。
        2.2测算方法确定
        （1）高程测定
        测定泵站安装高程、泵房地面高程、进水管管轴线高程、进水池水位等参数时采用联通管法定位水平辅助测定的方法。联通管法即U 形管法，用一段透明塑料管或者橡皮管与待测定位点连通，测出高程差。
        （2）水泵扬程测算
        首部枢纽的水泵扬程又称为泵的压力水头，是指单位重量流体经泵所获得的能量。水泵扬程的测定可通过出水口处的压力表和进水口处的真空表（或吸程）进行计算。
        （3）水泵出水管压力测定
        课题中水泵出水管处的压力测定采用水泵出水口处安装的压力表进行测定。
        （4）给水栓压力测定
        为确定不同工况下的管网水头损失情况，需对不同运行状态下的给水栓进行压力测定。本课题采用改装后的压力表进行测定。
        （5）电动机输入功率测算
        输入功率的测算一般采用双瓦特表法和电度表法，根据待测泵站的实际情况，选用泵房内部的电流电压表进行测算，电动机输入功率测算方法见公式（1）。
                                  （1）
        式中：P ——电动机输入功率，kW；
        I ——电流表读数，A；
        U ——电压表读数，V。
        （6）水泵输出功率测算
        水泵输出功率为泵传递给液体的有效功率，按公式（2）计算。

        H——装置扬程，m；
        Q——装置流量，m3/s。
        （7）水泵装置效率测算
        水泵装置效率为泵输出功率与电动机输入功率之比，按式（3）计算。

        （8）管道流量测定
        管道流量采用外夹式超声波流量计进行测定，使用前需对超声波流量计进行率定。
        超声波流量计是利用超声波在流动液体中顺流向与逆流向的传播速度差值与流体的流速成正比的关系测量流量。因此，只要测得超声波在流动液体中的传播速度差值，就可以求得流体的速度。
        速度计算公式为：
                                 （4）
        式中：va——超声波在流动液体中顺流向与逆流向的传播的速度差值；
        kva——为超声波流量计的仪表常数（由标定获得）。
        外夹式超声波流量计安装方便，适合于现场流量测量。外夹式超声波流量计在安装时应注意，与流量计触点相接的管道外表面，用锉刀或纱布磨光应露出金属本色，流量计的触点应紧紧捆绑在管道外表面上，不允许松动或滑落。超声波流量计要求测量管内壁应清洁，无明显凹坑、积垢和起皮。经调查，本次测定的管道灌区均为近几年新建工程，待测管道为钢管、UPVC管等管材，符合相关测定要求。
        （9）给水栓流量测算
        给水栓的流量测定一般可采用流量计或间接法进行测定。由于测试项目区给水栓出露地表的距离较短，不符合流量计的测定条件，本次采用间接法进行测算，并选取边界清楚、形状规则、面积适中的田块作为典型田块进行面积测量。
        测试开始前，水田均有水层，测试期的入渗损失可忽略不计。灌溉水量采用水位变化法测定，在每个田块适当的测量位置，灌水前插入钢尺并固定，灌水结束10～20分钟后（为了保证田内水面线水平），读取钢尺读数，计算水位变化值。给水栓流量按式（5）计算。
                                （5）
        式中：q——给水栓流量，m³/s；
        A——田块面积，m2；
        H——水位变化，m；
        T——灌水时间，s。
        （10）亩均耗电量测算
        亩均耗电量是评价灌溉系统效率的重要指标，也是节约生态型社会的重要参数，因此，基于以上测试指标进行亩均耗电量的估算。
        亩均耗电量测算有两种主要方法，一种是通过全生育期内耗电量直接进行测算（直接计算法），另一种是通过测定短期灌溉过程的耗电量间接进行估算（间接计算法）。间接计算法估算公式见（6）。
                              （6）
        式中：W——亩均耗电量，kW•h/亩；
        Pin——电机输入功率，kW；
        q——灌溉流量，m³/h；
        Qe——灌溉定额，m³/亩。
        根据《江苏省灌溉用水定额》，灌溉用水定额是在规定位置和水文年型下的某种作物一个生育期内的灌溉用水量。基本用水定额是指某种作物在参照灌溉条件下的单位面积灌溉用水量。由于当地为水旱轮作，旱作一般为小麦，较少灌溉，因此灌溉定额仅计算水稻全生育期的灌溉定额，根据实地调查，且为尽量覆盖灌溉用水量范围，选取了600m³/亩、800m³/亩、1000m³/亩、1200m³/亩分别进行计算。
        （11）亩均电费测算
        亩均电费按式（7）进行计算。
                                  （7）
        式中 C——亩均电费，元/亩；
        W——亩均耗电量，kW•h/亩；
        K——单位电价，元/kW•h，根据调查，当地农村灌溉供电电价为0.52元/kW•h。
        2.3测试流程
        为减少对灌区的影响，提高工作效率，测试工作组事先与泵站所在地村委会以及泵站管理人员进行协调，就测量事宜事先达成一致意见，尽量保证泵站测试过程中，开泵不影响农户的生产和生活。在协调完成后，测量工作组进入现场，根据泵站条件确定具体测试方案，并做好测试前的准备工作，架设安装测量仪器。在所有仪器安装调试完成后再开泵。测试过程中，仔细听电机和水泵运行声音是否异常，电流和电压是否相对稳定，判断水泵的运行状态、测量仪器的运转情况是否正常，确认所获得的测量数据合理有效，如出现异常情况，则及时检查，排除故障；测量结束后，关泵并拆除仪器，整理汇总测量数据。
        3 测定成果
        表1      丁堰镇新堰8组管灌区测试结果

        结论，该泵站装置效率较高，运行状态良好。
        表2       九华镇赵元管灌区测试结果

        结论，该泵站水泵装置效率较低，运行状态较差。当仅开一台小泵运行时，泵站装置效率仅约为开一台大泵工况装置效率的一半。因此，水泵装置效率提升空间较大，后期可通过节能改造，小泵改大泵的方式，提高泵站装置效率，减少能耗。
        表3         蒋北管灌区测试结果

        结论，该泵站装置效率较高，运行状态良好。
        4 结语
        以上测定方法，2017年已在如皋市3个已建典型灌区进行了应用。通过测定分析，摸清了相关灌区的装置效率，有针对性的提出了现有管道灌区改进措施。九华镇赵园灌区进行了换泵改造，破解了过去亩耗电过高的难题。测定发现城南街道蒋北灌区装置效率高，运行状况良好，从而吸引了周边县（市）前来参观学习，如皋市管道灌溉系统布局优化技术研究成果很快在通南高沙土区得到推广应用。
        作者简介：成诚（1985 -），男，工程师，主要从事水利工程项目建设管理工作