1研究背景
在我国北方地区，地下水资源广泛用于农业生产，由地下水超采而引发了地下水位下降、地面塌陷及海水入侵等一系列生态环境问题，节水已成为水资源管理的主要课题之一。目前大多数地区的农业灌溉中的农村机井灌溉管理粗放，水资源浪费现象尤为严重。有些地方对农村灌溉用水实行了预付费管理模式，从而一定程度上起到了节约用水的目的[1-2]。这就要求对水量的计量要精准，然而考虑到经费问题，以及机井和环境情况，部分农业灌溉地区的农业机井出水口不具备安装水表直接计量水量的条件。因此通过计量总用电量，然后用水电转换系数推算总出水量，成为部分地区计量农业灌溉用水量的一种重要方式[3-4]。所以有必要对深井泵总用电量与总出水量的关系做出较为科学的实验研究。
2一般水电转换系数定义
2.1水电转换系数的确定方法
水电转换方法是通过计量总用电量来推演深井泵的总出水量。一般定义深井泵总出水量与总用电量的比值为水电转换系数，即：TC=AW/AE（1）式中，TC为水电转换系数/（t/(kW·h)）；AW为总出水量/t；AE为总用电量/（kW·h）。AW=TC×AE（2）当TC一定时，理论上通过精确计量深井泵总用电量，即可推算深井泵总出水量。
2.2水电转换系数的影响因素
深井泵是实现电能转换成总出水量的关键设备，也是研究水电转换系数的最重要的影响因素，而有关深井泵的运行参数主要有功率、流量、效率、扬程、电压及电流等。其中运行过程中可以计量的参数是深井泵的实际消耗功率N、电压和电流，而深井泵自身的特性参数流量、扬程、效率由深井泵生产厂家提供关系曲线，但在灌溉用机井泵运行中不易测定。在深井泵运行期间实际总出水量、实际消耗、动水位、下泵深度、出口流速及出口压力都会直接影响水电转换系数。理论上深井泵的实际消耗功率为深井泵输入的轴功率，由于轴承和填料的摩擦阻力、叶轮旋转时与水的摩擦、泵内水流的漩涡、间隙、回流及进出口冲击等原因，必然有损耗。换言之，深井泵的有效功率要小于深井泵的实际消耗功率，同时深井泵电机也有能量损耗。可见，深井泵在抽水时的水量与很多因素有关。如深井泵的流量、转速、扬程、使用年限、电流大小、电压与电网频率的波动及动水位、功率大小及电机效率等[5]。
3实验结果
本实验选定2个生产井，北京大兴区所选井深为400m，深井泵为沈阳潜深井泵厂的200QJ80-36/2，功率15.0kW；通州区所选井深为80m，深井泵为天海泵业的200QJ80-39/3，功率9.2kW。在深井泵取水管上安装了水表、水压计、水位计；电源进线处安装了电量模块。实时采集数据有总用电量、电压、电流、功率、频率、瞬时流量、累积流量、水源井水位及出口压力；由井泵管理人员处获取固定参量：下泵深度、液位计深度；并配备了电脑，利用组态软件进行数据采集和存储数据；同时通过函数运算，实时计算；存储的间接参量有：深井泵转速、进口压力、功率及效率。本文以天海泵业深井泵运行数据进行分析，多次启动泵取水，记录启泵时间和停泵时间，并与数据库中数据对应，获取数据如表1。由此可见，同一水泵不同工况下，水电转换系数是变化的，而且变化幅度很大。为了进一步分析水电转换系数的影响因素，通过计算机监控技术，对表1各净扬程下的某个时刻的实际消耗功率和流量进行单独取出。因总出水量与总用电量均与水泵工作时间成一次函数关系，考虑到泵的性能曲线多为Q-N曲线，因此本文重点分析实际消耗功率、流量与水电转换系数的相关性。如表2。由此可得功率、流量、扬程与水电换算系数的关系曲线如图1、图2和图3所示。流量Q由8.83t/h增加到59.40t/h，或者净扬程H从50.84m减少到24.03m，实际消耗功率N从5.98kW增加到9.05kW。水电转换系数TC从1.48t/(kW·h)增加到6.56t/(kW·h)。在下泵深度、液位计深度不变的前提下，净扬程H从24.03m增加到50.84m，水电转换系数TC由6.56t/(kW·h)减到了1.48t/(kW·h)。由图1~图3可归纳如下：深井泵功率N越高、效率越大，水电转换系数TC越大，而且变化幅度超过443％，因此用固定的水电转换系数TC来推算总出水量，误差也会达到443％。净扬程H虽然变化大，但是数据不容易获取，而且在实际抽水运行时，净扬程H变大后，实际消耗功率N也随着变大。因此，在此不作重点研究，这次研究重点关注流量Q以及实际消耗功率N与水电转换系数TC之间的关系。
4Q-N的关系分析
4.1流量Q的理论计算公式
实际用于提升水量的功率为有效功率Pe，深井泵实际消耗功率为N。根据深井泵有效功率定义Pe=9.8×Q×H[6]（3）由能量守恒原理，可以得到Pe=9.8×Q×H=μ×N（4）式中，Pe为深井泵有效功率/kW；Q为深井泵流量/（t/h）；H为深井泵净扬程/m；μ为效率[7]，N为实际消耗功率/kW。Q=μ×N9.8×H（5）总出水量计算公式：AW＝Q×T（6）T为时间/h。总用电量计算公式：AE＝N×T（7）将AW和AE代入公式（1），得到水电转换系数与水电能量折算系数的关系为TC=（Q×T）/（N×T）=Q/N=μ/(9.8×H)（8）可见水电能量折算系数TC与深井泵运行工况有关，即与深井泵运行效率与净扬程有关。
4.2流量Q的校准计算方法
由上述分析可知，在扬程一定的情况下，流量Q与实际消耗功率N是一个与效率μ相关的线性函数。μ是深井泵的效率，根据各种条件的细微差异而变化，故实际上是一条曲线，在小范围区域(Q1，Q2)、(N1，N2)内，μ视为定值，Q-N关系可以线性化处理。所以，Q的校准计算方法可用分段线性函数拟合，需要提前划分Q和N的各分界区段，以及相对应的μ值，当获取实测N值后，根据N所在范围，选定μ，从而计算Q值。由此，根据N值的不同，采用不同的μ值进行计算以确定Q。显然，N如何划分区间以及计算对应的μ值，是需要进一步深入研究的。
4.3Q-N关系曲线
根据深井泵出厂时间，生产厂家给定的特性曲线来初步了解Q与N的关系。以天海泵业为例，分析其特性曲线图[8]，不同型号的深井泵，具有不同类型的特性曲线，虽然曲线的走向大致相同，但是细节差别很大。这是深井泵出厂时在模型试验台条件下所得的关系曲线，在使用过程中由于磨损及环境及人为关系等综合影响下，并不是与特性曲线相吻合的。由表2所示实验数据，绘制的Q-N坐标点与其出厂特性曲线相比较，如图4。通过实际Q-N测点的数据，以及深井泵特性曲线对比，可以有效划分N的范围，并计算确定μi值，使得2条曲线相吻合，从而达到校准深井泵特性曲线的目的，校准所得Q-N关系曲线具有预测功能。其中测量点的Q、N坐标点，全部坐落在校准后的Q-N关系曲线上，如图5。从而该曲线用于式（9）即得到计算式（10）的形式，可以用于Q的实际计算。
4.4Q-N关系曲线与水电转换系数的关系
根据实验结果可知，除流量和功率、扬程对水电转换系数TC影响较大外，其他参数影响较小，在环境不发生剧烈变化、设备正常工作的情况下，扬程的变化主要由地下水位波动而引起，虽然地下水位是逐年变化的，但是变化幅度不大。1986—1998年，累计降深1.92m，年降幅0.15m；1999—2009年，累计降深9.86m，年降幅0.90m[9]。由此可见，年降深对净扬程的影响不大，每年校准1次，即可提高计量精度。而μ值与TC值的计算，可以根据Q-N关系曲线来获取。通过测量当前条件下，深井泵的实际消耗功率N以及流量Q，来校准深井泵出厂时的特性曲线，从而划分功率N的范围，确定每个范围的效率μi值，即该功率N范围内效率μ值，并进一步求解出水电转换系数TC值。根据式（10）可知，μ值为1组数据，根据N的不同范围，有所区别；但针对1个测量N值，有且仅有1个μ值与之对应，用来计算水电转换系数TC，再推算Q以及AW。根据公式（10）对TC值进行校准，校准结果如表3。根据测量点Q、N值校准曲线获得TC值后，由功率N来计算Q，误差可以控制在±5%之内，应用于农业用水计量，此误差在可接受范围内，Q-N关系校准曲线计算水电转换系数TC，并反推Q的方法是可行的。
5结论
根据能量守恒原理，通过水电转换系数Tc，可以用电量估算水量。提出的Tc可以较大幅度提高计算精度，对提高北方机井出水量计量精度具有重要意义。
作者:王晓东 薛伟 马长明 孙玉珠 单位:北京清流技术发展有限公司
