利用泵站更新改造實現節能經濟運行的技術路線

李 贛

（1.太原理工大學，山西 太原 030024；2.山西省水利廳農水處，山西 太原 030002）

2009年國家全面啟動大型泵站更新改造工程，如何把握機遇，改造好建設好泵站，實現泵站經濟效益和社會效益相統一的可持續發展目標，是我們面臨的一個重要課題。下面就如何做好泵站更新改造工作，實現泵站節能運行和經濟運行進行探討。

泵站的節能運行是指單方水耗能最小的泵站運行方案，一般只涉及單座泵站。而經濟運行是指單方水消耗費用最少的泵站運行方案，可以在單座泵站實現，在有流量配合的泵站群實現起來意義更大，是泵站運行管理的較高階段。優化運行是在泵站節能運行和經濟運行的基礎上，將泵站和灌區統籌考慮的運行方案，不僅要考慮泵站內部及泵站之間的運行方案，更重要的是要考慮灌溉水費帶來的效益，是泵站管理單位整體經濟效益的體現，是泵站灌區管理的最高階段。本文對涉及調度、泵站以及灌區配水的優化運行方案暫時不做探討，只對泵站的節能運行和經濟運行的方案和技術路線進行探討。

泵站工程是一項系統工程，要實現泵站的經濟運行，節能運行是基礎。首先必須從設計階段開始就要貫穿節能理念，從方案選擇、設備選型等多方面著手，達到泵站設計工況下裝置效率最高。其次，必須安裝有先進儀器儀表，借助于可以快速運算的計算機綜合監控系統，實現實時顯示、快速計算，及時判斷水泵機組是否處于節能運行范圍之內。第三，通過開發利用實用的泵站經濟運行管理軟件，實現泵站經濟運行的目標。

1 泵站更新改造設計中的節能措施

第一，在滿足流量的前提下盡量選擇大型機組，減少機組數量。對同一類型水泵，口徑較大的水泵往往比口徑小的效率要高；同樣同一系列的電機一般情況下都是隨著功率的增加，電機效率和功率因數也隨之增大。

第二，盡量采用10kV高壓直配的供電方案。20世紀70年代以前建設的泵站由于受當時技術條件的限制，相當數量的泵站是低壓供電，高壓供電一般是3kV和6kV的電壓等級。由于低壓供電效率低，加之中間必須設降壓變壓器增加一級損耗，因此，應盡量選用高壓供電，取消6kV和3kV供電，改用10kV直供方案。

第三，增設無功補償裝置。無功補償可以減少輸配電線路中的視在電流，提高輸配電效率。電容補償應盡量靠近負荷側，有條件的可以采用就地補償，隨著科技的進步，不僅低壓無功補償裝置可以自動投切，高壓無功補償裝置的自動投切技術也日臻完美。

第四，負吸程安裝水泵。負吸程安裝是利用工程措施提高水泵裝置的抗汽蝕能力的主要措施。負吸程可以省去真空系統，節約輔機用電，簡化開機程序，為泵站自動化運行奠定基礎。

第五，新建沉沙池，最大限度地減輕水體比重。

2 設備選型要始終貫徹節能理念

2.1 水泵選型

泵站改造中設備選擇是重點，水泵改造是關鍵。

第一，要選擇定性的、成熟的、效率相對較高、高效區范圍寬、抗汽蝕性能較好的泵型，設計工況點要落在高效區；

第二，針對實際情況開發效率高、抗汽蝕性能好的優秀的新型泵型。實際設計選型中，往往沒有合適的泵型可供選擇，所以要結合實際，由水泵廠組織技術力量重點開發；

第三，開發新型水泵要綜合考慮效率和汽蝕。水泵流量大，效率就較高，但抗汽蝕能力較差，要提高水泵的設計效率通常會帶來水泵抗汽蝕能力的下降，反之設計時提高其抗汽蝕能力往往會以犧牲水泵設計效率為代價。

解決這一矛盾的思路是水泵設計時以提高效率作為主要目標，而抗汽蝕能力通過以下措施來實現：選用不銹鋼等耐汽蝕材料，提高泵體和過流部件的抗汽蝕能力；采用鋼板焊葉輪法；負吸程安裝水泵；采用雙吸水管的雙吸泵，降低進口流速；口環與葉輪的間隙汽蝕可以通過增加鑲套的辦法來解決。在抗汽蝕為最大的情況下，盡可能大地提高水泵的設計效率。

第四，采用樹脂沙、蠟模等光潔度較高的鑄造方法，提高水泵內部光潔度，噴涂抗磨蝕涂層，可以同時提高水泵的效率和抗汽蝕能力。

不銹鋼葉輪和鋼板焊接葉輪都具有很好的抗汽蝕能力，不銹鋼葉輪價格較高，而鋼板焊接葉輪技術已經非常成熟，具有價格相對較低、耐磨損、耐汽蝕、效率高、表面光滑、流線型好、使用壽命長等特點，鋼板焊接葉輪必將成為今后發展的方向。

2.2 電機選型

電機選型一定要選擇效率高的系列電機，除了前面提到的要選擇大電機以外，功率確定后要選擇效率和功率因數均相對較高的型號，但兩者出現矛盾時應優先選擇效率，功率因數可以通過增加無功補償裝置來解決。

值得注意的是，電機也有其高效區，電機選型一定要將長期的輸出功率的工作點落在電機的高效區內，異步電機一般負荷率在0.75以上，均有較高的效率，通過調整配套功率備用系數來選擇配套功率，對于黃河流域的泵站功率備用系數應適當取大，可以取到1.1~1.2之間，這樣既保證了電機高效運行，又可避免超負荷工作。

2.3 輔助設備選型

離心泵站的輔助設備主要是指閘閥和止回閥，閘閥的選型一定要注意其內部止水工作面處的直徑，老的閘閥所謂的通徑是指法蘭連接面出口的內部直徑，而實際閥板止水工作面處的內部直徑小于其通徑，形成“腸梗阻”，增加了局部損失。因此，止回閥一定要選擇阻力系數較小的節能緩閉閥。對于介質泥沙含量較小，對設備磨損不構成威脅的泵站可以采用兩閥并一閥的方法，即將閘閥和止回閥合并為液控緩閉蝶閥。

3 提高管道效率

對于管道較長的離心泵站，盡量選取經濟流速的下限，甚至小于下限，一般不超過2m/s；減少彎頭，盡量減少內水體流速和流向的突變；水泵吸水管彎頭在滿足后壁距、淹沒深度和不產生漩渦的情況下，將彎頭增大到120°以上；將泵站管道出口“高射炮”出水改為虹吸出水，可以節約0.5m左右的揚程。

4 泵站運行管理中的節能措施及實現手段

當泵站更新改造設計施工和設備選型中完全體現了節能理念時，真正的節能則主要體現在泵站運行管理中。

4.1 單座獨立泵站的節能

單座泵站的節能也就是所謂的站內節能，要實現站內節能，首先必須保證機組狀態良好，其次是在滿足流量的情況下實現裝置效率較高的機組進行組合運行。

技術路線：安裝多功能電能表、流量計及揚程測量儀表；實現泵站微機綜合自動化監控系統；開發能夠實時測量水泵效率、電機效率、管道效率的軟件；開發能夠根據歷史運行數據和給定的總流量選擇判斷開機組合，為運行人員提供決策支持的管理軟件；建立起水泵葉輪口環等易損部件自然壽命運行周期內水泵效率與運行時間的關系曲線。通過長時間的資料積累，將已建立的大量的水泵效率與運行時間的關系曲線進行比較迭加，找出水泵效率明顯開始下降的發生概率最大的轉折點的運行時間（或平均時間）。此轉折點就是泵站節能運行的臨界點、報警點和提醒點，低于此點就要進行檢修更換。

4.2 有流量配合的泵站群的節能運行

泵站群的節能運行是一個比較復雜的問題，應該從三個層面來考慮，首先要考慮的是站與站之間的流量配合，防止棄水和斷流是最大的節能；其次是滿足流量要求下的泵站內部的機組運行方案；第三是單臺機組的節能。滿足流量需求和流量配合是條件，站內機組組合是手段，單臺機組的現狀效率是基礎。

技術路線：首先，泵站群里的每座泵站必須全部具備節能運行的實現條件；其次，必須有必要的調度運行軟件。調度軟件通過收集各座泵站的實時流量，計算機通過理論分析和歷史經驗判斷來給出各個泵站的最佳開機組合，已需定供實現供水系統中各座泵站之間的水量平衡；第三，通過對關鍵位置的水位變化趨勢來校核泵站流量配合情況，并及時給出提示信息，供調度人員決策。

5 泵站的經濟運行

泵站的經濟運行需要研究獨立泵站的經濟運行和有流量配合的多座泵站群的經濟運行兩個層面的問題。需要研究多座泵站流量配合下的棄水和斷流、單方水消耗的電費及單方水消耗的維修費用等三方面的問題。

5.1 經濟運行條件

經濟運行必須建立在泵站和泵站群能夠實現節能運行的基礎上，也即必須實現完整的微機綜合自動化系統，有完整的測量儀器儀表設備，開發有節能運行軟件，能夠實現合理調配水量，滿足各座泵站的運行要求；

必須建立起水泵葉輪口環等易損部件自然壽命運行周期內水泵效率與運行時間的關系曲線；

通過長時間的資料積累，將已建立的大量的水泵效率與運行時間的關系曲線進行比較迭加，找出水泵效率明顯開始下降的發生概率最大的轉折點的運行時間（或平均時間）。

5.2 經濟運行的關鍵問題

泵站經濟運行的關鍵問題是確定對裝置效率和維修費用同時都有較大影響的易損部件的最佳更換周期，也即葉輪口環等的經濟壽命。

設備壽命一般有三個：第一是自然壽命，是指自然磨損失去功能的可使用時間，是指設備的物質壽命,是從設備投產起至報廢為止所經歷的時間；第二是技術壽命，是指設備從投產起至被新技術淘汰為止所經歷的時間，也即由于新技術的產生導致設備落后無法維修或沒有維修價值的使用時間；第三是經濟壽命，是指在設備使用的后期，花費更多的維修費用可能得不償失，因而要考慮是否需要更新，這種以經營費用為標準而確定的設備壽命叫經濟壽命。經濟壽命一般來說就是設備的最佳更新周期。

5.3 經濟運行的總目標及技術路線

泵站經濟運行的總目標是所有參與運行的泵站平均每提一方水消耗最少的運行費用。正常情況下，維修及時和維修標準高，水泵機組的裝置效率就高，提一方水消耗的電費就較低，但是，也會使提一方水消耗的維修費用加大；反之，如果延長檢修周期，則提一方水消耗的維修費用就會減少，但提一方水消耗的電費就會升高。泵站經濟運行就是要尋找一個很好的結合點，利用計算機監控系統，通過運行軟件獲取水泵效率與運行時間的關系曲線，在此基礎上根據設備經濟壽命的靜態計算方法建立單方水電費消耗與運行時間關系曲線，以及為恢復設備裝置效率而進行的葉輪口環等設備維修更換形成的單方水維修成本與使用時間的關系曲線。兩曲線的交點就是葉輪口環等的最佳經濟壽命。

6 經濟運行和節能運行的關系

泵站節能運行和經濟運行都是泵站管理不同階段追求的目標，兩者都必須是在滿足流量要求的前提下實施的，無論是灌溉泵站還是排澇泵站，都必須首先保證流量，如果流量不能滿足，節能運行和經濟運行都沒有意義。不同點是：泵站節能運行遵循的原則是流量一定，耗能最小，追求的是泵站效率最高；泵站經濟運行遵循的原則是：流量一定，運行費用最小，追求的是消耗最少。

節能運行是經濟運行的基礎，沒有實現節能運行，經濟運行就無從談起，但節能運行下并不一定是經濟的，經濟運行下也并不一定是最節能的。

經濟運行將為下一階段泵站和灌區配水一體化優化運行奠定基礎，同樣道理，實現泵站和灌區配水優化運行后，由于引入了水費收入帶來的效益，所以泵站經濟運行也不一定是最佳方案。