一种确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法与流程

本发明属于灌排泵站优化设计技术领域，特别是涉及到一种确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法。

技术背景

水泵安装高程的正确确定是灌排泵站设计的重要一环，如果水泵安装偏高，会降低水泵的工作效率甚至产生汽蚀，使水泵的使用寿命大大缩减，甚至危害泵站安全；反之，安装偏低，易被水源水位淹没，需要采取更加可靠的防洪措施，同时增加工程建设投资。所以如何准确确定水泵的安装高程是泵站设计中的重中之重。

在实际灌排泵站工程设计过程中，水泵安装高程的确定通常采用模型试验法，即通过制作一定比例缩小的模型进行相应的试验，获取相关参数，从而确定水泵的安装高程。但是试验过程中模型泵与原型泵的相似关系复杂，模型试验与实际工程运行往往有较大偏差，容易出现水泵安装高程偏高或偏低的情况，导致水泵运行效率偏低，工程效益不能充分发挥。另外，由于水泵型号众多、工程建设地点不同等因素，模型试验样本数据的收集难度高、数量大，也会对水泵安装高程的准确确定产生不同程度的影响。

目前，现有技术均侧重于灌排泵站水泵机组安装高程的模型试验及测定公式计算，未出现将大数据库技术和云计算技术相结合并应用在模拟并确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法。

因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是:提供一种确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法用于解决现有技术中未出现将大数据库技术和云计算技术相结合，应用在模拟并确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法的技术问题。

一种确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法，包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，

步骤一、以现有灌排泵站工程数据为基础，分别存储水泵型号、水泵物理数值以及与水泵型号对应的水泵样本数值作为大数据库的一部分，并建立水泵型号与水泵样本数值存储地址的映射关系，所述水泵物理数值包括水泵的长、宽、高，所述样本数值包括水泵的扬程、流量、转速、必需汽蚀余量以及泵叶轮中心至泵地板面的距离；

步骤二、存储全国各地区、各城市的地理水文信息作为大数据库的另一部分，并建立地区或城市的名称与该地点的各项地理水文信息的映射关系，所述地理水文信息包括地面高程和全年最高水温，

存储地面高程和大气压强水头关系表以及水温与饱和蒸汽压强水头关系表至大数据库；

步骤三、考察工程设计中拟定的灌排泵站修建地点，收集记录本计算方法中接下来计算所需要的的数据：修建地点的地面高程、全年最高水温，根据地面高程通过查找地面高程和大气压强水头关系表，获得该地点的大气压强，查询全年最高水温通过查找水温与饱和蒸汽压强水头关系表，获得该地点的进水池汽化压力；

当灌排泵站修建地点地面高程属于地面高程与大气压强水头关系表中“地面高程”范围中但不是表中列举的标准点，或者修建地点全年最高水温属于水温与饱和蒸气压强水头关系表中“最高水温”范围中但不是表中列举的标准点，云计算系统将使用内插法计算相应的数值。获得当地地面高程和大气压强水头关系以及水温与饱和蒸汽压强水头关系并均存储至大数据库；

步骤四、基于虚拟仿真技术，使用三维虚拟建模工具，结合在大数据库中获得的灌排泵站内水泵各项样本信息以及灌排泵站水泵机组安装工况建立灌排泵站水泵机组三维虚拟模型。

水泵机组三维虚拟模型完成建立之后依据步骤三中工程设计中选择的泵站安装地点安装工况对水泵周围环境进行模拟，根据h吸模拟出水泵的基准面与进水池水面的距离及灌排泵站水泵的安装地基，根据n(管道摩擦系数)及表三模拟出吸水管材质，根据d(吸水管管径)、l(吸水管管长)模拟出吸水管样式。在模拟出水泵样式，灌排泵站水泵安装地基及吸水管样式后将三者进行水泵机组安装的过程模拟，进行虚拟化安装过程的可行性分析。

所述灌排泵站水泵机组的安装工况包括泵站上游水位、泵站下游水位、水泵的基准面与进水池水面的距离、吸水管管径、吸水管管长、管道摩擦系数、沿程阻力系数以及弯管水头损失系数，

所述管道摩擦系数通过生产厂家提供的样本数值获得或通过粗糙系数表查询获得；

步骤五、进行虚拟化安装过程的可行性分析后，确定水泵型号的水泵机组并从大数据库内获得该型号水泵的样本数据；

步骤六、根据步骤五中获得的水泵型号及该型号水泵的样本数据以及相应的逻辑判断公式获得吸水管水头损失h吸损；

步骤七、根据步骤六中获得的样本数据计算并获得允许吸上真空高度hsa；

步骤八、对步骤七中的允许吸上真空高度进行修正并显示修正后的允许吸上真空高度h″sa；

步骤九、利用步骤八中获得的修正后的允许吸上真空高度h″sa、步骤六中获得的吸水管水头损失h吸损以及允许吸水高度的计算公式，获得允许吸水高度h允吸并显示，

允许吸水高度的计算公式为：

其中，g为重力加速度，v为吸水管平均流速，

获得的h允吸为负值，表示该水泵机组必须安装在水面以下，

获得的h允吸为正值，表示该水泵机组安装在水面以上；

步骤十、手动输入灌排泵站修建地点进水池的水位高程，使用灌排泵站水泵机组安装高程计算公式计算并获得灌排泵站水泵机组安装高程，

所述灌排泵站水泵机组安装高程计算公式为：

公式中，为水泵安装高程；为进水池最低水位，h地为泵叶轮中心至泵地板面的距离。

所述步骤一中水泵泵型包括离心泵、轴流泵、混流泵、射流泵、以及往复泵。

所述步骤三中当地地面高程和大气压强水头关系为：

其中，h为安装地点地面高程；h1为根据地面高程与大气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点地面高程左端值；h2为根据地面高程与大气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点地面高程右端值；p大气为安装地点大气压强；γ为水的重度，单位为n/m³；为根据水温与饱和蒸气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点地面高程和大气压强水头关系左端值；为根据水温与饱和蒸气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点地面高程和大气压强水头关系右端值。

所述步骤三中水温与饱和蒸汽压强水头关系为：

其中，w为灌排泵站修建地点全年最高水温；w1为根据水温与饱和蒸气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点水温左端值；w2为根据水温与饱和蒸气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点水温右端值；为根据水温与饱和蒸气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点水温与饱和蒸汽压强水头关系左端值；为根据水温与饱和蒸气压强水头关系表获得的灌排泵站修建地点水温与饱和蒸汽压强水头关系右端值。

所述步骤四中三维虚拟建模工具包括java、c#以及3dmax。

所述步骤六中获得吸水管水头损失h吸损的具体方法为：

1)、水泵泵型为轴流泵，轴流泵的进水管较短，h吸损忽略不计，即：

h吸损＝0

工作人员对吸水管水头损失的最终计算结果进行记录和检验；

2)、水泵型号为离心泵，吸水管水头损失h吸损的计算公式如下：

h吸损＝h沿程+h局部

h沿程为沿程水头损失；h局部为局部水头损失；

其中，沿程水头损失h沿程的计算公式如下：

g为重力加速度，取g＝9.7985(m²/s)；λ为沿程阻力系数；d为吸水管管径；v为吸水管平均流速；c为谢才系数，c的值由曼宁公式获得，

曼宁公式如下:

r为水力半径,其计算公式如下：

d为吸水管管径,n为水泵额定运行转速；

其中，局部水头损失h局部的计算公式如下：

公式中，ξ为90°弯管水头损失系数，g为重力加速度，v为吸水管平均流速，其计算公式如下：

其中，q为水泵额定运行流量，d为吸水管管径。

所述步骤七中获得允许吸上真空高度hsa的具体方法为：

提取的样本数值为必需汽蚀余量(npsh)r，计算并获得允许吸上真空高度hsa，计算公式如下：

其中，(npsh)sr＝(npsh)r+0.3

公式中，(npsh)sr为允许汽蚀余量，公式中0.3为安全余量，单位为m；

泵内发生汽蚀的条件是(npsh)cr＝(npsh)r＝(npsh)a，为泵运行安全计，清水泵留0.3m作为安全余量，即

(npsh)sr＝(npsh)cr+0.3

其中，(npsh)cr表示临界汽蚀余量，(npsh)a为水泵的有效汽蚀余量；

大型泵的(npsh)sr用下式计算：

(npsh)sr＝(1.1～1.3)(npsh)cr；

所述步骤八中对允许吸上真空高度hsa进行修正的具体方法为：

(1)、大气压力和水温修正，获得一次修正的吸水真空高度h′sa：

公式中，hsa为允许吸上真空高度，为当地地面高程和大气压强水头关系，为水温与饱和蒸汽压强水头关系；

(2)、水泵转速修正，获得二次修正的吸水真空高度h″sa：

公式中，hsa为允许吸上真空高度，n为水泵额定运行转速，n’为水泵实际转速。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

本发明公开了一种与模型试验法相比更为准确、便捷的确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法，提高泵站设计的精度、节约工程投资、提供泵站效率。本发明优点明确主要有以下几点：

第一，本发明中利用从大数据库内获取的相应信息对灌排泵站水泵机组的安装环境进行虚拟化模型模拟，与人为营造试验环境和试验操作相比更加准确。

第二，本发明在进行灌排泵站水泵机组的安装高程计算之前，基于虚拟仿真技术对水泵机组进行虚拟化模型模拟，精度高，耗材少，成本低，与传统的模型泵实验方法相比优势明显。

第三，本发明中虚拟化虚拟模型的建立依靠大数据库内相关数据，数据处理、使用更准确的同时避免了单独模型试验样本的研究计算不具有代表性的问题，不同的数据可以即时建立与之相对应的虚拟化模型进行模拟研究。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

图1为本发明一种确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法的流程框图。

图2为本发明一种确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法中水泵安装示意框图。

具体实施方式

如图所示，本发明所采用的技术方案是分为两个部分：一是以现有灌排泵站工程设计数据为基础，将其中所有水泵泵型的样本信息存入并作为大数据库的一部分；把国内各地区、城市的地理水文信息存入并作为大数据库的另一部分，实现水泵样本信息及安装地点地理水文信息的大数据库化存储、管理、获取、分析。二是利用大数据库内的信息与泵站建设地点的实际工程工况相结合，设计、编写、使用相应的计算机应用系统程序(java、c#、3dmax)进行工程虚拟化模型模拟试验与获取样本数据的云计算。通过这两个重要步骤，最终准确确定建设泵站水泵的安装高程。

目前，现有研究侧重于灌排泵站水泵机组安装高程的模型试验及测定公式计算，未出现将大数据库技术和云计算技术相结合并应用在模拟并确定灌排泵站水泵机组安装高程的方法。

第一部分：大数据库内样本信息数据的存储、管理、获取、分析步骤一：现有灌排泵站工程设计数据的存储、管理、获取、分析

将现有灌排泵站工程设计中水泵的不同型号作为指针，利用地址，它的值指向该型号水泵的各项样本数值，其中包括水泵的扬程、流量、转速、必需汽蚀余量(或允许吸上真空高度)以及泵叶轮中心至泵地板面的距离，水泵各项物理数值(长、宽、高)，后续系统程序计算过程中，获取其中流量、转速、必需汽蚀余量(或允许吸上真空高度)以及泵叶轮中心至泵地板面的距离4个研究变量。

其中，q表示水泵额定运行流量，n表示水泵额定运行转速，

(npsh)r表示必需汽蚀余量，hsa表示允许吸上真空高度。

注：水泵生产厂商仅会提供必需汽蚀余量或允许吸上真空高度其中之一。

所述水泵泵型包括离心泵、轴流泵、混流泵、射流泵、以及往复泵，在现代灌排泵站中多数使用多种样式的离心泵和轴流泵，其他泵型使用不广泛，对使用工况往往有特殊需求，其计算过程也较为复杂且与主流泵型的计算无过多联系，因此本发明计算中暂用离心泵、轴流泵两种泵型进行说明。

此外在后续的程序云计算中我们还可以在输入水泵型号以此来提取相应的样本数值后根据实际工况键入水泵实际运行流量的值或水泵实际转速来计算水泵在非额定运行状态下的结果。

其中，q’表示水泵实际运行流量，n’表示水泵实际转速；

步骤二：全国各地区、城市的地理水文信息的存储、管理、获取、分析

将全国各地区、城市的名称作为指针，利用地址，它的值指向该地点的各项地理水文信息，其中包括地面高程、全年最不利水温(最高水温)。

其中，h表示灌排泵站修建地点地面高程，w表示全年最不利水温也称为全年最高水温。

通过这两个量我们可以查找地面高程和大气压强水头关系表(表一)、水温与饱和蒸汽压强水头关系表(表二)来确定后续系统程序计算过程中使用的灌排泵站修建地点的大气压强和汽化压力2个研究变量。

其中，p大气表示灌排泵站修建地点大气压强，p汽表示进水池气化压力，γ表示水的重度(n/m³)。

表一地面高程与大气压强水头关系表

表二水温与饱和蒸气压强水头关系表

当灌排泵站修建地点地面高程属于表一“地面高程”范围中但不是表中列举的标准点，或者修建地点全年“最高水温”属于表二水温范围中但不是表中列举的标准点，云计算系统将使用内插法计算相应的数值。其计算公式如下：

化简获得灌排泵站修建地点地面高程和大气压强水头关系：

其中，h1表示灌排泵站修建地点地面高程左端值，h2表示灌排泵站修建地点地面高程右端值，表示灌排泵站修建地点地面高程和大气压强水头关系左端值，表示灌排泵站修建地点地面高程和大气压强水头关系右端值；

水温与饱和蒸汽压强水头关系计算公式为：

其中，w1表示灌排泵站修建地点水温左端值，w2表示灌排泵站修建地点水温右端值，w表示全年最不利水温也称为全年最高水温，表示灌排泵站修建地点水温与饱和蒸汽压强水头关系左端值，表示灌排泵站修建地点水温与饱和蒸汽压强水头关系右端值；

第二部分：灌排泵站水泵机组的虚拟化模型模拟与已获取样本数据的云计算

云计算(cloudcomputing)是分布式计算的一种，指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后，通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。本发明中运用了这种技术准确的对大数据库中的大量数据进行存储、管理、获取、分析并最终应用于本发明所述的计算方法当中，从而准确计算灌排泵站水泵机组的安装高程。

步骤一：键入灌排泵站水泵机组安装工况

在编写使用的系统程序内键入灌排泵站水泵机组安装工况，其中包括泵站上游水位和下游水位，水泵的基准面与进水池水面的距离、吸水管管径、吸水管管长、管道摩擦系数、沿程阻力系数、弯管水头损失系数8个研究变量。后续系统程序计算过程中，获取其中水泵的基准面与进水池水面的距离、吸水管管径、吸水管管长、管道摩擦系数、沿程阻力系数、弯管水头损失系数6个研究变量。

其中，h吸表示水泵的基准面与进水池水面的距离，d表示吸水管管径，l表示吸水管管长，n表示管道摩擦系数，λ表示沿程阻力系数，ξ表示90°弯管水头损失系数，取ξ＝0.62。

其中管道摩擦系数在选购不同材料的吸水管时可通过管道生产厂家所提供的样本数值获得。也可通过粗糙系数表(表三)查询获得。

表三粗糙系数n表

步骤二：灌排泵站水泵机组虚拟化模型模拟

基于虚拟仿真技术，使用3dmax、cad等三维虚拟建模工具，结合在大数据库中获得灌排泵站内水泵各项样本信息和灌排泵站水泵机组安装工况进行虚拟场景模拟，模拟水泵机组的安装，并通过显示屏显示，通过显示结果直观进行安装的可行性分析，必要时可以用虚拟仿真、虚拟现实或vr技术使场景模拟更加形象、直观。

模拟过程具体如下：首先从数据库中获得水泵型号信息之后，依据这些信息对水泵进行模拟，例如模拟出与水泵型号对应的离心泵或轴流泵(离心泵老的泵型号有ba、b型单级单吸离心泵，80年代，我国根据国际标准和排灌机械实际情况，对离心泵产品进行更新换代研制工作，并生产ib型、iq型单级离心泵系列产品，到目前为止我国离心泵产品型号一共有32种。轴流泵型号一般根据口径和扬程分类型号分类：例如：200zl-2.5表示口径200mm、扬程高2.5m的轴流泵350zlh-3000表示口径350mm、高3000mm的轴流泵。)

水泵虚拟化模型完成建立之后依据步骤一中工程设计中选择的泵站安装地点安装工况对水泵周围环境进行模拟，根据h吸模拟出水泵的基准面与进水池水面的距离及灌排泵站水泵的安装地基，根据n(管道摩擦系数)及表三模拟出吸水管材质，根据d(吸水管管径)、l(吸水管管长)模拟出吸水管样式。在模拟出水泵样式，灌排泵站水泵安装地基及吸水管样式后将三者进行水泵机组安装的过程模拟，进行虚拟化安装过程的可行性分析。

水泵机组安装的可行性确认方法为：通过虚拟化模型的直观工况模拟展示，工作人员可以轻松发现如吸水管长大于进水池水深，进水池水面低于进水管口等理论存在但实际违背常理原则的各种问题，判定为虚拟化模型判定水泵机组无法安装或者水泵安装有误；

不存在违背常理原则的问题，虚拟化模型确定水泵机组安装可行，继续进行下面的步骤。

步骤三：系统程序计算表示吸水管水头损失

在进行虚拟场景模拟并确定水泵安装可行后，编写云计算用系统程序开始水泵安装高程的计算，

首先进行吸水管水头损失h吸损的计算，计算公式如下：

h吸损＝h沿程+h局部

其中，h沿程表示沿程水头损失，h局部表示局部水头损失，

其中，沿程水头损失h沿程的计算公式如下：

其中，g表示重力加速度，取g＝9.7985(m²/s)；v为吸水管平均流速；d表示吸水管管径；c表示谢才系数，和λ一样是反映沿程阻力变化规律的系数其值可以由目前应用较为广泛的经验公式曼宁公式得出，其计算公式如下:

r表示水力半径,其计算公式如下：

注：确定正确的水泵安装高程，使水泵安全运行，不发生汽蚀，水泵内部应实现真空，其进水管内不可以掺有空气，因此吸水管内必须充满水，其湿周及过水断面面积即为吸水管过水断面的周长和面积。

局部水头损失h局部的计算公式如下：

v为吸水管平均流速，其计算公式如下：

其中，q表示水泵额定运行流量，d表示吸水管管径，在必要时可以修改大数据中所获取的水泵额定运行流量为水泵实际运行流量q’来替换上式中的q；

在获取大数据库内灌排泵站水泵型号之后，系统程序会根据水泵型号进行相应的判断，

当选择水泵泵型为轴流泵时，因轴流泵的进水管一般较短，h吸损可以忽略不计，即：

h吸损＝0

计算结束后，系统将显示吸水管水头损失的最终计算结果，以便工作人员进行记录和检验。

步骤四：计算并修正允许吸上真空高度

在从大数据库中获取流量、转速、必需汽蚀余量(或允许吸上真空高度)以及泵叶轮中心至泵地板面的距离4个研究变量之后，系统程序会进行相应判断，当提取的样本数值为必需汽蚀余量(npsh)r时，优先计算允许吸上真空高度hsa，计算公式如下：

(npsh)sr＝(npsh)r+0.3hsa

其中

(npsh)sr＝(npsh)r+0.3

(npsh)sr表示允许汽蚀余量，根据实践经验人为规定的汽蚀余量，我们已经知道泵内发生汽蚀的条件是：

(npsh)cr＝(npsh)r＝(npsh)a，

(npsh)a表示水泵的有效汽蚀余量，即水流从进水池经吸水管到达泵进口时，单位重量的水所具有的总水头减去相应水温的汽化压力水头后的剩余水头，是由水泵的安装条件所确定的汽蚀余量，本处仅用于公式定义的解释。

为泵运行安全计，我国一机部部颁标准(gb/t13006-2013)规定，对一般清水泵留0.3m作为安全余量。即

(npsh)sr＝(npsh)cr+0.3

(npsh)cr表示当泵内压力最低点的压力降低到当时水温的汽化压力，即pk＝p汽，时，汽蚀安全余量等于零，水开始汽化，泵内即开始发生汽蚀。在这种临界状态下的汽蚀余量称为临界汽蚀余量，用(npsh)cr表示。

由于大型泵的(npsh)cr较大，而且从模型试验结果换算到原型时，比尺效应影响较大，故0.3m安全余量较小，所以，大型泵的(npsh)sr常用下式计算

(npsh)sr＝(1.1～1.3)(npsh)cr

系统程序完成允许吸上真空高度计算完成或提取的样本数值允许吸上真空高度后，进行允许吸上真空高度的修正，修正过程如下：

(1)、大气压力和水温修正，获得一次修正的吸水真空高度h′sa：

(2)、水泵转速修正，获得二次修正的吸水真空高度h″sa：

公式中，n为水泵额定运行转速，n’为水泵实际转速，在修建泵站的过程中因工况不同会对水泵运行转速有一定要求，因此可以人为确定其值，可以通过手动键入来修改其值，键入修改后的水泵实际运行流量的值或水泵实际转速，以此来达到计算并获得水泵在非额定运行状态下的结果。

计算结束后，系统将显示允许吸上真空高度的最终计算结果，以便工作人员进行记录和检验。

步骤五：计算允许吸水高度

系统程序在步骤五计算结束后，进行允许吸水高度h允吸的计算，计算公式如下：

当h允吸为负值，则表示该水泵机组必须安装在水面以下，若h允吸为正值，则表示可以安装在水面以上。

计算结束后，将显示允许吸水高度的最终计算结果，以便工作人员进行记录和检验。

步骤六：键入进水池的水位高程，计算水泵安装高程

为保证水泵全时间段的正常运行，我们应输入灌排泵站修建地点进水池历年记录的最低水位高程计算灌排泵站水泵机组安装高程

其中，表示水泵安装高程，表示进水池最低水位。

至此已经实现将灌排泵站内水泵样本信息及安装地点地理水文信息的大数据库化存储、管理、获取、分析；完成水泵机组安装虚拟场景的模拟，进行水泵机组虚拟化安装过程可行性分析；准确的确定灌排泵站水泵机组的安装高程。上述各水泵还应按照水泵厂提供的安装图纸来实际安装。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。