中泉電力提灌工程節能降耗探討

陳其慶

（甘肅省景泰縣中泉水電管理所 730404）

我國電力提灌事業對改善農業生產的基本條件、抵御自然災害、保障糧食生產安全起到了重要的作用。甘肅省景泰縣中泉電力提灌工程始建于1972年，是典型的“三邊”工程。工程主干設有泵站14座，裝機66臺套，裝機容量13910kW；主干一泵站從中泉鄉境內的黃河取水，設計取水流量1.99m3/s，設計灌溉面積3433hm2，屬于Ⅲ等中型工程?？倱P程511.27m，實際取水流量1.68m3/s，實際灌溉面積2333hm2。

1 工程存在的主要問題

中泉電力提灌工程主干14座泵站工程已運行近40年，設施設備老化失修嚴重，能耗逐年提高，據統計1991年灌區各泵站單方水耗電為1.9kW·h，到2001年單方耗電達到了2.41kW·h，增加了20.8%。目前，主干泵站裝置效率為24.4%～65.8%，遠遠低于灌溉要求的60%。

a.各泵站進水池中攔污柵及水工部分水頭損失和出水池水頭損失引起的池效率下降，主要是進水池形式和布置形式不當，造成漩渦和回流對水泵有明顯的影響。

b.機電及管道等設備雖能滿足上水需要，但技術經濟上不合理。如水泵選型不當，運行時在低效率區工作；配套電機功率太大，造成“大馬拉小車”；輸水壓力管徑偏小，水頭損失大，各級泵站均裝有逆止閥。泵站總的裝置效率低于規范要求，能源單耗過高，提水成本增加。

2 能源消耗

電力提灌泵站的功能是把一定流量的水，從低處通過機泵提升到一定的高度，以達到灌溉的要求。因此泵站必須消耗一定的能量。消耗的能源分為兩部分：一部分是為滿足生產需要而必須消耗的部分。另一部分是可變的消耗，這部分能源消耗根據設備現狀和管理水平的差異而變化，工程設計合理，設備狀況良好，管理水平高，則能源消耗降低。這部分能源消耗盡管占用電量的百分比較小，但對于龐大的耗電量而言，節約和浪費的電量則比較可觀。

2.1 電力提灌泵站的能耗

泵站的輸出功率（即有效功率）N出可用下式計算：

式中 γ——水的容重，kg/m3；

Q——泵站的流量，m3/s；

H凈——泵站的凈揚程，m。

泵站的輸入功率N入為

式中 △N——泵站的功率總損失，△N=△N動+△N傳+△N泵+△N管+△N池。

泵的效率η站為輸出功率與輸入功率之比，即

可見，減少泵站各部分損失功率可以提高泵站的效率。

th泵站所消耗的電能E電為

由此可見，電力提灌泵站能量消耗E電與γ、Q、H凈、t和η站等參數有關。在γ、Q、H凈不變的情況下，泵站效率越高，泵站能耗則越少。

2.2 泵站裝置效率

提灌泵站的主要裝置由電動機、傳動裝置、水泵、進出水管、進出水池及輔助設備等部分組成，如果以η動、η傳、η泵、η管、η池分別表示電動機、傳動設備、水泵、進出水管、進出水池效率，則提灌泵站效率表示為

2.3 能源單耗

水利部頒布的機電排灌泵站的8項技術經濟指標，其中的能源單耗直接反映能源消耗問題。能源單耗的表達式為

式中E——某一時段內所消耗的電量，kW·h；

V——同一時段內所提的總水量，m3；

H凈——同一時段內的平均凈揚程，kg/m3；

γ——同一時段內水的容重，kg/m3；

Q——同一時段內泵站的流量，m3/s；

t——運行時段，h。

2.4 能源單耗與裝置效率

能源單耗與裝置效率關系為

由此可知，泵站裝置效率的高低，直接關系到能源單耗的大小。也就是說，降低能源單耗的唯一途徑是提高泵站的裝置效率。

3 節能降耗的措施

根據前面的分析，在電力提灌工程運行管理中，可通過提高泵站裝置效率降低能源消耗。

3.1 合理選擇電動機和水泵

水泵和電機是泵站運行中最主要的設備。

3.1.1 水泵的選擇

水泵效率的高低，直接影響裝置效率和節能。水泵運行時效率低的原因有很多，但中泉各級泵站水泵運行效率低的主要原因是水泵選型不當，大部分泵站的水泵不在高效區工作，其次是水泵磨損嚴重，老化失修，對于能耗大的低效水泵，應改變水泵轉數、葉輪直徑，使水泵在高效區工作。車削葉輪只適應于水泵比轉數不超過350的離心泵和混流泵。對于設備陳舊的低效水泵，應進行更換，更換的水泵應選用高效節能產品，水泵的工作點應選在高效區。水泵的安裝要正確計算出安裝高度，使H吸小于H允吸，有條件的泵站應選擇負吸程安裝，這樣可防止水泵發生振動產生噪音，從而降低能耗。

3.1.2 電動機的選擇

電動機是電力提灌泵站中最重要的動力機之一，因此研究電動機節能是泵站節能技術的重要課題，在水泵軸功率、傳動效率和運行時間一定的條件下，電動機的耗電量與它的效率成反比。

電動機的節能途經主要是減少電動機的電能損耗，提高電動機的效率和功率因數。選擇高效率的電動機；選配合適的電動機型號；對揚程變幅較大的泵站，選擇變速電動機；低速大容量水泵應選配同步電動機。在運行中電動機節能途經主要有以下幾個：

a.根據水泵工況的變化，改變電動機繞組的接線方法。

b.改變勵磁電流，調整同步電動機的功率因數。

c.防止異步電動機空轉。

d.采用功率因數調節器。

e.在停灌季節，讓同步電動機空轉作調相機運行。

f.定期檢修電動機，提高自然功率因數。

3.2 提高管路效率

設水泵的流量為 Q（m3/s）、凈揚程為 H（m）、水的容重為 γ（kg/m3）、因管路密封不良造成的泄漏量為 q（m3/s），則管路的效率表示為

式中n——管內壁糙率；

L——管的長度，m；

D——管道直徑，m；

∑ξ——管路局部阻力系數之和。

根據上式的表述，可采用下列方法提高管路的效率。

3.2.1 選擇適當的管徑

管路效率與管徑大致成5次方關系，管徑越大，效率越高，但是管路成本加大。如果選擇的管徑太小，會引起管路效率的顯著下降。進水管的經濟管徑應使流速控制在v=1.5～2m/s范圍內。出水管的管徑經濟流速經驗公式為：

3.2.2 減少管路中不必要的閥件

管路中閥件的增多，增大了管路局部阻力系數。在水泵設計或改造時，在保證泵站設備安全運行、維護方便的前提下，盡量減少閥件，以提高管路效率。

3.2.3 確保管路密封良好

在管路中法蘭或承插接頭連接不好，或因管路安裝不合理，出水管道下沉或管路產生破裂時，在負壓處會使空氣進入管內，在正壓處會導致管路漏水。

3.3 提高進出水池效率

進水池對水泵吸水條件影響很大，水泵吸水條件惡化，使水泵效率下降，甚至引起機組振動，影響正常運行。

a.正向進水池要求引水渠道與前池的連接應具有一定長度的直線引水渠段；前池的擴散角應小于20°。對于擴散角過大的前池，除延長前池長度、減小擴散角外，還可將前池改為折線形、曲線形，在池中設導流墩。正向前池對2臺以上機泵都應設置隔墩。

b.側向進水池池中的水流受離心力的影響而使水利紊亂，致使產生漩流和環流，應盡量避免采用。

c.當條件允許時，應采用受力條件好、水流條件較好、防止泥沙淤積的圓形和半圓形進水池。

3.4 控制水源含沙量

泵站的能源單耗與水的容重成正比，甘肅省很多電力提灌工程多從多泥沙的黃河取水，由于水源含泥沙量大（黃河灌溉期平均含沙量10kg/m3左右，洪水期最大含沙量200kg/m3左右），直接從黃河提水的多梯級電力提灌工程，不便于在水源處設沉沙池，原水所含泥沙源源不斷地被輸送到后級所有的泵站。如果在第一級和第二級泵站區間設立沉沙池，有利于降低第二級以后所有泵站的能源消耗，盡管需要增大第一級泵站的流量，從而使能源消耗增多，但從整體工程而言，既降低了能源，又延長了設備使用壽命。

4 結語

中泉電力提灌工程泵站設備設施老化失修嚴重，能耗高，供水成本逐年增加。通過對該工程進行節能技術改造，降低能耗的潛力是巨大的。不僅在工程設計方面考慮減小能源消耗問題，在工程運行管理中，也要制定科學的管理規程，使所有設備處在高效運行狀態。