192 中国农村水利水电2018年第11期 文章编号: 1007-2284[ 2018) 11-0192-03 北方牧区新能源供水泵站技术研究 王世锋侯诗文曹亮 （水利部牧区水利科学研究所呼和浩特010020） 摘要：我国北方牧区常规能源较为短缺电网覆盖有限很多地方还没有通电但在我国广大偏远北方牧区有丰富 的风能和太阳能资源将风能太阳能能源动力系统与供水系统相集成在牧区水源、水质相对较好地区采用新能源分散 供水即一家一户的供水模式：在水资源乏的地区解决牧区利用深层地下水采用集中供水的供水模式.
并将现代控制 技术与供水系统相集成实现全天候、高保证率、自动供水技术.
从能源容量计算、泵站供水模式、典型实例、经济性分析 等方面进行北方牧区泵站技术探讨.
关键词：风能：太阳能：牧区：供水泵站 中图分类号：TV93文献标识码：A Research on the Technology of New Energy Supply Pump Station in Northern Pastoral Areas WANG Shi-feng HOU Shi-wen CAO Liang ( Research Institute of Water Science in Pastoral Areas Ministry of Water Resourees Hohehot 010020 China) Abstraet: The nothern pastoeal areas of China is short f coeventional energy the grid corerage is limited and no eletricity is aalable in many places. Bt there are abundant wind and solar energy resources in the remote northem pastoral areas of China. The energy system of wind energy and solar energy is integraed with the water suply syslem and water and water quality are used in te beer areas to dispee the water supply in better areas. In the areas where water resources are scare we should solve the problem of using deep groundwater in puasturing areas and adopt centralized water supply mode And integrale modem control technology and water supply system to achieve al1 weather high guarantee rate asttic water supply tehlgy. This paper diseues the tehlgy of pumping statioes in nthem pastl ssiee ouo pe sapduxo pog * apou iddns s ors uydomd omeo Koedeo po spads aq mq sm Key words: wind energy; solar energy pastoral areas water supply pumping station 0引言 供水模式：在水资源盛乏的地区解决牧区利用深层地下水采 用集中供水的供水模式.
并将现代控制技术与供水系统相集 牧区人居分散电网建设因线损高、效益低，目前绝大多数 成实现全天候、高保证率、自动供水技术.
地区处于无电网现状-这些地区非常适合建设风能、太阳能为 在我国牧区、欠发达农村、山区及边防哨所等地区由于多 动力的供水泵站-根据不同典型牧区的特点将风能太阳能系 数地处高赛、人居分散饮水水源理深深由于这些地区环境特 统与供水系统相集成在牧区水源、水质相对较好地区采用新 殊和微小的供水量，至今人畜安全饮水问题未得到解决其原 能源分散供水即高位水箱重力供水或压力罐供水一家一户的 因是缺乏适用的、经济的成套技术解决方案，本文的提出我国 新能源微小型供水模式解决偏远地区的饮水困难问题实现 收稿日期：2018-04-24 基金项目：中国水科院科基本科研业务费专项项目（MK2017J03）： 人畜自来水化供水.
为这些地区提供因地适宜的供水技术方 中国水科院院所专项（MK2016J02)：青海省科技成果转 案意义重大.
牧区人畜供水工程是我国水利建设的一项重要 化专项( 2016-NK132) .
内容敦区供水事业的爱展直接关系到该地区的经济爱展和 作者简介：王世锋（1979-，男硕士，主要从事风能太阳能研究工 人民生活水平的提高也是为农村牧区水利现代化建设及我国 作.
E-mail: vshsy2050e 163.- 全面部署实施乡村振兴战略提供技术支撑.
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北方牧区新能源供水泵站技术研究 王世锋侯诗文曹亮 193 1供水泵站风能太阳能容量确定 2.4太阳能供水泵站模式 适用于山区、风速小、海拔高、严寒的牧区太阳能资源：年 1.1太阳能设备容量的计算 平均日照小时数不小于2200h；年平均总辐射量不小于1400 太阳能供水泵站装机容量的计算表达式为： kWh/（m²a).
极限最低温度-40℃极限最高温度60℃. N = 1 (1) 50年一遇的最大风速不大于50m/s. 3 600P g Q H k /b b x 太阳能供水泵站由以下部分组成（图2）：太阳电泡板、支 式中：N为光伏系统容量，W：p为水密度kg/m²；g为主力加速 架、基础、蓄电池组（如有）、控制系统、水泵、取水建筑物、输水 度m/sQ为水泵峰值流量²/hH为扬程mk 为流量修 管线、蓄水池（如有）、用水终端、安全防护网等.
正系数：b为水泵型式修正系数；t，为电力传动修正系数： 为太阳能资源修正系数：山，为光伏阵列跟踪修正系数.
公式中修正系数见（光伏提水工程技术规程》中4.7. 1.2风能设备容量确定 电及险制 风力发电供水机容量按下列公式确定.
P= 3 600 r” /(n:) (2) 式中：Q.为日供水量m；为风力机满负荷工作小时数（4~6 h)P为风力机功率，W；为水泵效率%；n:为发电机效 率%.
2风能太阳能供水模式 2.1分散供水模式 1-水源：2-提水主泵：3-光伏系统：4-转换开关：5-上游水管：6- 牧区分散供水模式适用于居住分散地下水量相对充沛、理 蓄水池：7-装车辅泵：8-下游水管：9-运水车 深较浅的地区.
采用一家一户的分散供水形式.
牧区分散式 图2太阳能供水系统示意图 供水水源多为管井、大口井、辐射井、渗渠、截伏流、泉室、水窖 2.5风光互补供水泵站模式 等取水构筑物取水水源主要是浅层地下水和局部地表水.
太阳能资源II类及以上可利用地区年平均风速大于3m/ 2.2集中供水模式 s以上牧区地区均可适用风光互补牧区供水泵站模式.
牧区集中供水模式适用于牧区人畜饮水以地下水为主，这 北方牧区太阳能夏季大，冬季小而风能夏季小冬季大， 些区域的地下水一般埋深较深，水源井深约80~150m，水质 所以可利用风能太阳能两者的变化趋势基本相反地自然特性.
好水量相对充沛涌水量2~10m/d的地区.
扬长避短相互配合，发挥出可再生资源的最大效应.
同时单 2.3风能供水泵站模式研究 一电源因资源在时、空、量、序上的随机性，引起出力不均，其互 适合年平均风速大于等于2.5m/s年平均有效风能密度 补发电不但比单一发电更高效、可靠、经济更重要的是互补后 大于等于300W/m²年有效风速小时数大于3000h的干旱、 出力稳定- 大风的牧区-北方牧场80%的地区可使用风能作为动力的牧 风能太阳能互补供水模式由水源（机井）、风力提水机组、太 场供水模式.
阳能动力系统、控制器、输配水管网、水泵、蓄水池组成（图3）.
牧场风能供水系统由以下部分组成（图1）：取水建筑物、 风力机（或风力发电机）控制系统、提水装置（泵）、输水管线、 香水池 用户、蓄水池 图3风能太阳能供水泵站组成示意图 3实例分析 图1风能供水泵站示意图 以内蒙古某地建设的一个太阳能为动力供水泵站模式为 ?1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights rescrved. .cnki.net
194 北方牧区新能源供水泵站技术研究 王世锋侯诗文曹亮 例其每天的需水量为32m²要求水泵扬程为100m额定流量 200Wh/m²时系统便可提水工作.
而太阳能辐射量在一天中 为6m/b（太阳能提水泵站只有在额定功率点运行时才能达到 的变化规律是：由零到极值再由极值到零而变化的不同地区 最大流量绝大部分时间流量都在额定流量以下，一天工作8 只是变化数值不同而已.
内蒙古某地代表日水平面太阳能总 h折合满负荷运行时间5~6h).
辐射量日变化见表1和图4. 3.1代表日光资源分析 太阳能光伏提水系统，一般当水平面辐射量达到或大于 表1代表日水平面太阳能总辐射量日变化表 kWh/m² 7 : 00 8 : 00 9 : 0010 : 00 11 : 00 12 : 00 13 : 00 14 : 00 15 : 00 16 : 00 17 : 00 18 : 00 19 : 00 20 : 00 总福射 0.05 0.15 0.29 0.43 0.54 0.62 0.62 0.59 0.49 0.38 0.25 0.12 0.05 0 0.8 能资源同时也与水泵型式、传动方式等因素有关，装机容量 6 0.6 的确定采用公式（1）进行计算.
0.4 当扬程100m流量为6m²时.
需太阳能电池系统装机容 量为3.37kW 3.3代表日提水量 时期 为保证供水的可靠性和工程的匹配性采用日提水量计算 确定装机容量时将理论值3.37kW，修正为3.5kW（以下分 图4代表日水平面太阳能总辐射量日变化 析计算均采用该修正值），依据该地区的太阳能资源计算得到 3.2太阳能泵站装机容量的确定 日各时段的实际提水量如表2. 太阳能泵站的装机容量主要取决于提水扬程-流量和太阳 表2代表日各时段提水量 m’ 时间 00 : 2100 : 91 00 : 9100 : $1 00 : $100 : #1 00 : 100 : 1 00 : 100 : 21 00 : 2100 : 1 00 : 1100 : 01 00 : 0100 : 6 提水量 3.1 3.9 4.1 4.6 4.6 4.2 4.0 3.5 合计理论总提水量为32m”，可满足3000只羊，10户牧民 表3供水设备单位干瓦迹价 元 的饮水问题- 风力提水 光伏提水 如果建设风能供水泵站根据用户的日用水量结合当地 （固定式) 内燃机提水 的风能资源（不同风能资源满负荷小时数：取值不同）通过公 风力机 6 500 太阳能电池 4 500 0 式（2）即可得到风力发电机的装机容量；如果建设风光互补供 0 450 0 水泵站单一能源提水存在连续无风或者连续的阴雨天气根 内燃机 0 太阳能电池支架 0 1000 提水泵 550 550 550 0 据风力提水工程技术规程》的规定蓄水工程的设计容量不应 小于最大日用水量的3倍.而风能太阳能互补后按照（村镇供 高位水塔 10 000 10 000 550 控制器 830 760 0 水工程技术规范》的规定能源有可靠电源和可靠供水系统的 辅助材料 300 300 0 工程单独设立的高位水池可按最高日用水量的20%~40%设 土建工程 400 450 100 计相比之下大大降低供水工程的造价.
通过建设地资源情况 安装调试 560 560 其他 50 300 300 50 以及泵站整体经济性分析，合理分配太阳能提水、风力提水的 合计 19 440 18 420 1 750 日提水量，确定了两种能源分别需要满足的日提水量后，通过 表4年运行费用 元 公式（1）和公式（2）可计算出太阳能电池、风力提水机的装机 风力提水 光伏婴水 容量. (固定式) 内题机提水 备 注 4供水泵站经济性分析 30元/x 管理费 2000 0001 300 d= 内您有人看守风能、太 9 000 阳能无人看守 4.1项目的投资 风力供水、太阳能供水、传统柴油机供水单位干瓦造价（一 修理费 500 50 500 次性投入）见表3.
材料及 其他费用 500 50 500 4.2总成本费用 油耗按 290 gkWh 旭 ①年运行费见表4.②折旧费见表5.③年运行满负荷小 怒料 0 0 5 840 油8元/kg，年适行小时 时数见表6.④单位干瓦时投资及千瓦时费用见表7. 数2 920 （每天8 h) 通过上述风能供水、太阳能供水、内燃机供水工程的经济 合计 3 000 1 100 15 340 性分析可知1kWh运行费用内燃机>风力提水>太阳能提水.
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198 导叶喉部面积对低比转速多级离心泵多工况设计的影响研究 卢新全蒋敦军向宏杰等 和02号导叶则可以满足客户要求.
[4]王幼民，唐铃属，秦小建，中低比转速离心泵叶轮多目标优化说 而由以上分析可知，关死点扬程都满足客户要求定点 计[J].机械传动 2003 27（2) ：2729. 扬程也满足要求额定点效率01号导叶不达标而最大轴功率 [5]张德胜，施卫东，陆伟刚，等.高效区宽离心泵的研制与试验研 03号导叶超标02号导叶虽然最大流量比客户要求的较高，但 究[].中国农村水利水电，2008{7）：95-97. 最大轴功率并没有引起原动机过载故能够满足客户需求.
[6]刘剑军，无过载设计方法在低比转速多级离心泵上的应用[J]. 水泵技术，2008【5）：27-29. 4结语 [7]宋患光，多级离心泵导叶流动性能及优化设计的研究[1D].广州： 华南理工大学，2014. （1）流量扬程曲线的陡降程度随导叶喉部面积的增大而减 [8]刘厚林，周孝华，王凯，等，多级离心泵径向导叶内压力的脉 小即导叶喉部面积越小关死点扬程越小，最大流量也越小.
动特性[J].中南大学学报：自然科学版，201445（9)：3295-3 最高效率点随导叶喉部面积的增大而向小流量点偏移，且最高 300. 效率随导叶喉部面积的增大而增大、最大轴功率随导叶喉部 [9]武斌，翼春俊，采用叶轮出口斜切及导叶联部优化改善一台节 面积的增大而增大.
在叶轮保持不变的前提下，导叶喉部面积 段式多级泵外特性的数值分析与试验研究[1].水泵技术，2014.
的合理取值是影响水泵性能指标的重要因素.
( 6) : 1519. （2）低比转速离心泵径向导叶运用面积比原理设计的技术 [10]周邵萍，胡良波，张浩，多级离心泵级间导叶性能优化[]. 并不成熟本文仅仅选取了三个不同喉部面积的参数进行了试 农业机械学报，2015（4）：7. 验验证而根据面积比原理叶轮与导叶喉部面积的比值存在 [11]薛春，李家文，唐 飞.多级泵级间导叶的优化与数值仿真 一个最佳值需要后续的试验进行研究验证.
[J]. 火霸推进 2011 37( 5] : 2429. （3）新设计的02号导叶能够满足客户要求说明导叶喉部 [12]黄思，周先华.节段式多级离心泵全三维满流场的数值模拟 [J].西华大学学报：自然科学版，200524(6):37-42. 面积对多级离心泵性能影响显著可以作为泵设计和预测性能 [13]张学静，杨军虎，多级泵内部流场的三维数值模拟及性能预测 最有效的方法之一.
[J].流体机械 201139(8} ：2428. 参考文献： [14]朱相源，江伟，李国君，等，导叶式离心泵内部流动特性数值 模拟[1].农业机械学报，201647[6]：34-41. [1]汪家琼孔繁余.多级离心泵叶轮与导叶水力性能优化研究[1]. [15]谢蓉，祁恒，单玉狡，等.AP1000核主泵模型泵导叶水力 华中科技大学学报：自然科学版，2013[3]：92-96. 设计与数值优化[J].排灌机械工程学报，201432（12）：1029- [2]袁寿其，胡博，陆伟刚，等.中比转数离心泵多工况设计[J]. 1 034. 排灌机械工程学报，201230(5)：497-502. [16]曹卫东，刘光辉，刘冰.两级离心泵径向导叶水力优化[J]. [3]王凯.离心泵多工况水力设计和优化及其应用[D].南京：江苏 排灌机械工程学报 201432(8)：663-668. 大学，2011. （上接第194页） 表5单位干瓦折旧费用 5结 语 名称 风力提水 光伏提水 内燃机提水 发展牧区风能太阳能供水泵站模式是解决牧区安全供水 （固定式) 的一个有效途径.
采用风能太阳能作为供水的能源动力可解 折旧年限/a 15 20 15 决北方牧区电网未及问题.
年折旧额/元 1 296 921 116.67 通过对风能太阳能转化电能的计算、供水泵站模式的合理 选择科学的匹配供水泵站中的各个部件，不仅能够节约供水 表6运行满负荷小时数 泵站成本还可以增加泵站的运行寿命、提高供水保证率.
通 光伏提水 过对案例的具体计算，体现了风能太阳能供水泵站中具有很好 名称 风力提水 （固定式） 内燃机提水 的技术、经济效益.
也可为今后我国无电牧区建设风能太阳能 满负荷小时数/h 3 000 1 500 2 920 以及多能互补供水泵站提供参考与借鉴 参考文献： 表7单位千瓦时投资及千瓦时费用 光伏提水 内燃机 畜牧业发展的借签[J]新疆畜牧业2013【3） 名称 风力提水 （固定式) 提水 [2]吴永忠.风力提水工程技术规程[M].北京：水利水电出版社.
2006. 满负荷小时数/h 3 000 1 500 2 920 [3]潘智用李风云，牧区人畜饮水安全及困难问题快速解决优化方 度电投资/元 6.48 12.28 0.60 案[J]中国农村水利水电2010（2）. 度电费用/元 1.43 1.35 [4]查脉刘通敏，光伏提水系统设计[1].灌海排水学报20093 ( B) : 170171. 每立方提水成本内燃机>风力提水>太阳能提水.
[s] 查咏吴永忠刘慧敏光伏提水灌溉的技术和经济性初步分析 [J]-灌斑排水学报 2007 11( S1) : 146-147. ?1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights rescrved. .cnki.net
