長距離輸水工程中的低碳節能措施

許世梁

（上海市政工程設計研究總院，上海200092）

0 引言

2009年12，在丹麥哥本哈根舉行的《聯合國氣候變化框架公約》締約方第15次會議上，面對全球氣候變暖的嚴酷現實，世界各國又一次針對氣候變化的應對策略和溫室氣體的減排量展開了熱烈的討論。溫家寶總理在大會上代表中國政府又一次莊嚴承諾，到2020年單位國內生產總值二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%。在如此短的時間內大規模降低二氧化碳排放，需要付出艱苦卓絕的努力，需要有更加嚴格的節能減排措施，在生產和消費的各個環節發掘節能減排的潛力。

我國水資源貧乏，且分布不均勻，為了解決飲水問題，促進經濟發展，許多地區均在實施長距離大流量的輸水調水工程。同時，近年來隨著環境保護要求的提高，為保護內河淡水資源，一些長距離的污水處理尾水排放工程也相繼上馬。這些長距離的供排水輸水工程，由于輸送水量大，輸送距離長，有著較高的能耗。在發展低碳經濟、推動節能減排的今天，發掘工程中的節能潛力有著十分重要的意義。

1 概述

長距離輸水工程的能源消耗主要是輸水水泵的電耗，約占總能耗的90%以上，是節能的重點。

水泵電耗的計算公式是W=γQHt/η1η2η3（γ為水的容重；Q為泵的流量；H為泵的揚程；t為泵運行時間；η1、η2、η3分別為泵的運行效率、傳動效率和電機效率）。可以看出，W 與 γ、Q、H、t成正比，與η1、η2、η3成反比。而其中，水的容重 γ 是常數，泵的流量Q和運行時間t由工程規模決定，也是定值。因此，工程的節能主要應從以下兩方面考慮：降低水泵揚程H和提高水泵效率η。結合長距離輸水工程的實踐，這兩方面又可以通過管材、管徑的選擇，輸水路線的合理布局，以及水泵的選型和設置來實現。

2 管材與節能

目前國內用于長距離輸水工程的管材有許多種，它們各有特點，其中常用的主要有鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筋混凝土管（PCP）、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）和玻璃鋼夾砂管。這些管材的管內壁粗糙度有所不同，其中，鋼管、球墨鑄鐵管和預應力鋼筋混凝土管（PCP）的管內壁粗糙度為0.013，預應力鋼筒混凝土管（PCCP）的內壁粗糙度為0.012，玻璃鋼夾砂管的內壁粗糙度為0.010。

從節能的角度出發，管內壁的粗糙度越小，水在管道中的流動阻力損失就越小，所需的水泵揚程越低，就越節能。因此，應盡量選擇管內壁粗糙度低的管材，例如：玻璃鋼夾砂管。但是，在實際工程應用中，管材的選擇需同時結合管道的承壓大小、管徑、埋深、水文地質情況、當地常規施工技術，以及工程造價等方面綜合進行確定。

另外，隨著近年來新技術和新材料的發展，又出現了許多新型管材，例如玻璃纖維增強樹脂混凝土管。這些新型管材性能更加完善，具有更加優越的水力性能，節能效果也更好。因此，隨著新型管材施工規范和驗收標準的完善，可以考慮在長距離輸水工程中進行試點應用。

3 管徑與節能

長距離輸水工程中管徑的確定對于水泵的揚程和能耗有著較大的影響。在輸水量一定的情況下，管徑越大，管道流速越低，能耗越小，但工程投資越大，相反，管徑越小，管道流速越大，能耗越高，但工程投資越小。因此，需要通過技術經濟比較綜合加以分析，確定工程的經濟管徑，控制經濟流速。

在南通大型達標水排海基礎設施工程中，設計輸水流量為15萬m3/d，對DN1400和DN1600兩種管徑條件下的能耗大小和工程投資加以比較，其結果見表1所列。

表1 不同管徑條件的綜合比較表

可以看出，在合理的流量范圍內，適當增加管徑，工程造價增加較少，但可以大幅降低能耗，節約運行成本，是長距離輸水工程的一個不錯選擇。

4 路線布局與節能

長距離輸水工程的特點是輸水線路長，沿線地形、地物復雜，需要穿越公路、河道及其他管道等。在輸水工程的起點和終點之間，一般均有著幾種路線走向可供選擇，各路線布局方案的管道長度和沿線復雜程度可能會有所不同。輸水路線越短，管道的沿程水頭損失就越小；管道沿線的地形、地物越簡單，管道沿線的管配件數量越少，由管道局部變化而引起的水流紊亂就越少，局部水頭損失也就越小。因此，管道的路線走向和布局，影響著管道的水頭損失，從而影響著水泵的揚程和能耗。

在長距離輸水工程的路線布局選擇上，應在符合規劃要求的前提下，盡量使管道路線順暢、簡捷，以減小管道長度和管道附件數量。同時，盡量避免管道路線穿越河道、道路等障礙物，降低局部水頭損失。

5 水泵的節能

提高水泵效率、保證水泵高效運行是降低水泵電耗、促進節能減排的重要環節。水泵的效率與水泵選型、水泵運行方式，以及水泵的進出水設施等有關。

5.1 水泵的選型

水泵選型合理、可靠是確保水泵高效運行的最直接因素，應根據水泵的性能曲線和輸水管道系統的特性曲線進行選型。

長距離輸水工程中，一般均設有清水池或調節池等儲水設施，水泵運行時不會出現流量頻繁波動的情況，但是，因儲水設施的規模有限，受城市用水量或排水量不均的影響，輸水工程中的水泵通常會有幾個不同的流量工況點。在水泵選型時，應校核水泵在各工況時的工作點參數，要求在最大流量時，水泵在高效區運行，即確保水泵能夠滿足最大流量、最高揚程的工況條件下，將水輸送至目的地。同時，水泵的選型還應確保通過變頻等調節手段使水泵的其余運行工況盡量位于水泵的高效區。

另外，長距離輸水工程中的水泵流量一般都相對較大，而我國生產的大流量水泵效率比國外同類產品低約5%～10%。因此，在投資允許的情況下，可以考慮優先選用進口或合資品牌的水泵，以提高節電性能。

5.2 水泵的運行方式

按照最大流量工況條件下水泵在高效區運行進行水泵選型，只能保證一個工作點在水泵性能曲線的高效范圍內，并說明所選擇的水泵機組能夠滿足輸水要求。但是，長距離輸水工程的輸水管道較長，輸水流量的小幅變化即會引起所需揚程較大的變化，在水泵的其它工況條件下，由于輸送水量減少，所需的輸水壓力會大幅降低。而根據水泵的特性曲線，水泵的流量降低反而會造成水泵的揚程上升。因此，一方面水泵其它工況條件下的工作點可能會偏離高效區，甚至偏出水泵的性能曲線，造成效率降低；另一方面，輸水所需壓力降低而水泵揚程反而升高會產生較高的富裕水頭，浪費能源。因此，采用變頻調速的運行調節方式尤為重要。

采用變頻調節的運行方式，可以通過調整水泵的轉速改變水泵的性能曲線，使水泵的各工況工作點位于水泵的高效區。同時，當水泵轉速改變時，流量、揚程和軸功率分別和轉速比成一次方、二次方和三次方的正比關系，也就是說變頻調節轉速時，軸功率的改變最大。因此，通過降低水泵轉速滿足輸水工程中的流量和揚程變化，可以有效降低水泵的軸功率，達到節能的目的。

在南通大型達標水排海基礎設施工程中，有9.5萬 m3/d、12萬 m3/d和 15萬 m3/d三個輸水流量工況。在工程設計時，按照15萬m3/d的工況條件進行水泵選型和配置，并通過變頻調速的方式使水泵在9.5萬m3/d和12萬m3/d兩個工況條件下運行。表2是1號泵站各工況下變頻運行方式與不變頻運行方式的能耗對比。

通過表2的比較可見，對水泵采用變頻調節，與僅改變水泵運行臺數相比較，能夠避免浪費水泵揚程，降低水泵運行功率，節能效果非常顯著。

表2 水泵是否變頻的運行能耗對照表

5.3 水泵的進出水設施

水泵的進出水管路應短而直，盡量減少不必要的管道附件，以降低水頭損失，提高水泵效率。進出水彎頭應采用偏心漸變彎頭，保證水泵進出水口平順銜接。

對于設有前池或吸水池的泵站，水池的形狀及尺寸設計需合理，可采用折線型或曲線型的池型，并合理控制擴散角的大小，避免在池內發生漩渦、回流、脫壁等不良水力現象。同時，可采取設置導流墩等措施，改善進水條件，提高水泵效率。

5.4 其它

水泵的安裝精度、運行控制和維修保養等也對提高水泵效率，節約能耗有著一定的影響。

在水泵安裝時應選用經驗豐富的施工單位，并加強施工管理。在水泵的運行過程中，應選用先進的控制儀表，實行自動監測，通過PLC實現最佳控制，合理調整工況，保證高效工作。

同時，應加強水泵的維修保養。水泵運行一段時間后必將產生磨損，增加泵內的能量損失。為保證水泵能長期高效工作，應加強監督，及時進行維護保養，定期進行小、大修，并更換損壞的零部件。重點監測的對象是水泵的葉輪、口環、填料、軸承和地腳螺栓等。

6 結語

低碳經濟是氣候變化背景下各國政府和人民不可動搖的戰略選擇。對于中國來說，面對經濟快速發展中能源消耗量大、成本高的問題，注重節能減排、加快建設節約型社會已成為了上至中央、下至地方乃至全民的共識。

目前，我國長距離輸水工程等給排水工程的能耗指標還遠高于美國、日本等發達國家，節能潛力巨大。因此，應從工程的規劃和設計階段開始，重視節能問題，對逐個耗能環節進行分析和優化設計，以期進一步推動我國給排水工程的科技進步。

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