小型泵站工程系統耗能構成及增效降耗對策探究

劉元剛

小型泵站工程系統耗能構成及增效降耗對策探究

劉元剛

（莊河市水利工程質量監督站，遼寧 莊河 116400）

小型泵站工程在灌溉排水機電工程中占據重要地位，針對小型泵站工程通常具有位置分散、裝機容量較小、效率低及耗能高等特點，在闡明小型泵站工程系統規劃、管護運行以及選型設備存在問題基礎上，闡明了小型泵站工程系統耗能構成要素，探尋綜合考慮泵站系統設計規劃、機電設備選型等環節的增效降耗對策，研究可為小型泵站工程系統能耗分析與節能改造提供決策依據。

小型泵站工程；耗能構成；增效降耗

我國小型泵站擔負著山丘平原與城鄉村鎮地區蓄能、灌溉、排澇以及區域水資源配置等重任，小型泵站工程系統在保障我國糧食生產安全以及維護區域生態環境方面發揮重要作用。目前，我國小型泵站工程裝機總容量超過全國泵站工程一半以上，工程數量在規模以上泵站系統中占據超過90%的份額［1］。因此，強化對小型泵站工程系統耗能構成分析，同時針對性地探索相應節能降耗舉措，對改善現階段小型泵站工程低效率、高耗能的現狀具有重要實踐價值。

1 運行問題

1.1 工程布局與規劃不合理

大多數小型泵站工程疏于論證設計與規劃布局，從而造成泵站系統普遍布局不合理且工程運行效益低下，導致能源浪費，制約泵機輸水排灌效能的充分發揮。

1.2 機電設備配置選型不匹配

水泵機電設備因設計揚程與規格限制，通常無法實現充分匹配灌溉排水效能需求，造成設備選型偏離泵機高效運行區間，水泵設備與電機的欠匹配易導致高能耗現象發生［2］。

1.3 泵站設計優化不足

小型泵站工程進水前池以及出水口等結構設計優化欠缺，造成過水流態紊亂并造成較大水力損失。此外，多級河渠實施灌溉排水工作時通常未充分考慮上下游排水灌溉沖突，進而嚴重浪費區域水資源。

1.4 泵站管護維修缺位

處于偏遠村鎮與山丘區的小型泵站工程通常疏于渠系水池清淤除雜工作，導致泵機運行效率降低，嚴重威脅泵站運行安全［3］。同時，針對泵站遭受水力侵蝕發生破損機械部件未及時修復，將易降低泵機系統運行可靠性與服役壽命。

2 耗能構成分析

2.1 電力配置系統耗能要素

小型泵站工程電力配置系統涵蓋變壓器與耗電線路等環節。通常各級變壓器在村鎮地區電力負荷中占據超過65%的比重，而小型泵站工程系統則在上述負荷中占據一半份額，而變壓器復負荷效率降低將導致泵站系統效率下降［4］。此外，泵站耗電線路長短、導線規格材質、負荷時間以及電網負荷功率均影響泵站耗能。

2.2 動力傳輸與電機耗能要素

電機與水泵額定標準轉速大致相同且同時為臥式或立式機組，則可選用直聯動力傳輸方式，從而有效提升揚程變化較小泵站運行效率。而當水泵與電機布置軸線不同且轉向與轉速差異性較大時，宜選取間接動力傳輸模式。小型泵站通常采用皮帶動力傳輸方式，動力傳輸裝置傳動效率低下，其中，平型皮帶動力傳輸效率介于85%～90%，而梯形斷面皮帶動力傳輸效率可達 95%左右［5］。此外，泵站轉子、定子以及雜散型耗散是電機系統主要耗能要素，由于風阻、軸承摩擦以及電磁渦流而引發的耗能易造成電機耗能擴大。

2.3 水泵系統耗能要素

泵站水泵系統主要包括水泵機組、輸水管路等裝置。耗能因素主要有水泵機組耗能和輸水管路耗能。水泵耗能分析：泵站機組能耗主要涵蓋容積損失、水力損失以及機械損失等要素，其中，容積損失指輸水水流在蝸殼腔體內循環流動而發生的耗能作用，相應能耗值取決于泵機轉數與流量大小。機械損失主要指因軸承摩擦引發的耗能損失，同時，葉輪與蝸殼壁摩擦同樣會造成能耗損失。水力損失綜合表示為水體在泵機流動而發生的能量損耗。輸水管路耗能分析：泵站管路主要包括局部與沿程水頭損失，其中，管道流程與沿程水頭損失呈正比關系，而與輸水管徑呈反比。此外，局部水頭損指因閘閥、彎頭以及縮節等附件裝置造成的能量損耗。

2.4 泵站結構耗能要素

2.4.1 泵站進水前池耗能

泵站依據進水方向特征可分為正向與側向進水前池，其中，擴散角是主導進水前池水流流態主要因素，擴散角通常為30°左右，過大的擴散角將在前池內引發漩渦與回流，從而增大水力損失［6］。此外，側向進水前池需通過直角轉彎匯入前池，水池內流態紊亂且環流漩渦明顯，從而在造成進入機組管口水流不均勻的同時，制約機組功率效能發揮。

2.4.2 泵站出水池耗能

泵站出水池依據水流方向不同分為側向與正向出水型式，其中，側向出水池易誘發壅高水位，從而造成水頭損失增大。依據水流形式可分為溢流堰出流水、虹吸出流以及自由出流等類型，其中，淹沒出流形式中拍門與逆止閥阻力會引發水頭損失。此外，自由出流無法充分發揮泵機效率，虹吸出流更多應用于具有變幅水位特征的輸水泵站，而溢流堰出流流速較小且水位穩定，因此其相應水頭損失最小。

2.5 泵站渠系耗能要素

渠系輸水引發泵站耗能形式主要包括水量與水力損失兩類，由水源地輸入渠系水流匯入進水前池，以及流經出水池匯入輸水干渠時均會引發水面降落，在受灌區域與供水水源地水位高程固定時，輸水渠系中水面的降落均會造成泵站工作凈揚程的提升。此外，輸水渠系滲漏與蒸散發同樣造成水量顯著損耗。

3 降耗增效對策

3.1 優化電力配置系統

3.1.1 科學選用電力線纜截面積

越大截面積的線纜電阻值越低，所消耗的電能越少，然而過大的線纜截面積具有更高造價，因此，依據輸電線纜經濟允許電壓與允許電流選取截面積有助于削減電路損耗。

3.1.2 合理確定電機與變壓器位置

應在綜合考慮區域排灌布局基礎上，盡量縮短電機與變壓器間距，從而在有效降低電力系統耗能的同時，實現對泵站系統輸配電系統的優化設計。此外，小型泵站系統宜采用放射型低壓輸電線路，同時可在泵站系統周邊布設專用變壓設備，從而有助于在非排灌時節靈活啟閉泵站電路系統。

3.1.3 優化電能效率

為合理提升電能使用效率，可選取較小容量變壓器，同時配置接近滿荷載工況時電機系統，通過配置并聯電容器可在改善電路輸電質量、削減電機、電路以及變壓器耗能的同時，有效提升水泵機組輸出功率。

3.2 優化變壓器配置

3.2.1 合理選型變壓器

可選用非晶合金以及S11等節能型變壓器，代替疊鐵交錯式變壓設備，從而可有效降低電力損耗70%以上［7］。

3.2.2 合理選擇變壓器容量

應選取可綜合保障多數工況組合運行時實現最佳負荷容量，作為變壓器選型標準，從而有效提升變壓器工作效率。此外，可綜合負載臨界系數實施經濟與技術論證，從而保障變壓器容量選取的可靠性與經濟性。

3.3 優化電機系統

3.3.1 提升電機容量適用性

因電機運行中容差量、發熱以及傳動效率等原因，泵站實際選用泵型電機容量宜較銘牌值略大。同時，應保障電機負載處于75%以上水準，從而有效改善電機出力效果。

3.3.2 保障電機運行負載率

中國灌溉排水發展中心總工韓振中在分會發言時專門介紹了中國政府通過建立水利投入穩定增長機制、不斷加大投入力度，實施灌區節水改造、大力發展節水灌溉，合理開發利用水資源、適度發展灌溉面積，完善管理體制與機制、保障工程良性運行，加強灌溉用水管理、提高灌溉用水效率五項舉措，在農田灌溉用水量基本沒有增加的條件下，使糧食產量實現穩步增長的做法和經驗。

泵站電機處于額定功率負載運行具有較高效率，其中，普遍使用的Y系列電機應保障運行負載率不宜低于70%，而JO2系列電機運行負載不宜低于60%，從而有效保障電機工作效率［8］。

3.3.3 動態調速

泵站泵機容量配置不當、進水出水池水位浮動均易導致電機未處于高效運行范圍，因此，可適時調速以使電機系統處于高效運行區間。

3.4 優化動力傳輸系統

3.4.1 合理選型皮帶

應選取V型提升皮帶、低棱V型皮帶、楔形皮帶以及L型帶牙皮帶，以提升傳動效率。

3.4.2 合理選型輪徑

應綜合考慮不同輪徑動力傳輸效率、運行成本以及動力特征，以實現泵機系統節能增效。

3.5 優化水泵機組系統

水泵機組優化可基于包絡線理論，采取如下步驟實施泵型優選。

3.5.1 泵型初選分析

泵站系統多階段總流量值與凈揚程值關系如圖1所示，如果n組水泵機組采用并聯型式時功率效能曲線可包容所有揚程數據，但是n-1組水泵機組并聯效能曲線無法全部涵蓋，則能保障泵機穩定運行的泵型可作為初選方案，如圖2所示。通常總流量低于1m3/s的小型排灌站宜選取雙泵機組，而在總流量大于1m3/s時，應選取多于3組水泵機組。

圖1 泵站機組凈揚程與輸送流量關系曲線

圖2 水泵機組最佳可行方案分析

3.5.2 泵型優選分析

在綜合分析水泵機組凈揚程與灌排流量特征基礎上，針對上述初選過程機組運行耗費實施推算，從而得出不同機組方案年度運行耗費值。綜合考慮設備土建成本與折現分析可求出方案運行投資總費用值，其中費用值最小則為最佳泵型機組方案。

3.6 優化輸水管路系統

進水管道底閥附件阻力損失較大，可選用簡易沖水設備或抽真空方式代替底閥。同時，為削弱彎管段脫壁渦旋，可選取較小阻力的橢圓截面彎管段或漸變式彎管。此外，可選用液壓碟閥、節制回流閥或緩閉微阻閥替代傳統逆止閥，從而有效減弱水錘耗能。針對采用拍門方式斷流管路，可選取節能型側向翻式拍門，以提升開啟角度并降低水力損失，同時改挑射出流為淹沒出流可有效降低水能損失。

3.7 優化進水池結構

可將進水管口盡可能貼近后墻布置，同時在管路后側布設隔柱，并在進水管口下方設置縱向隔板以消弱環流。此外，可通過擴大進水喇叭管口直徑，布置水下蓋板與導水錘等裝置，實現減小進水管口流速與削弱渦流功能。采用正向方式出水同樣可降低水頭損失。

4 泵站管路運行降耗增效對策

4.1 水泵機組運行節能措施

（1）及時管護泵站設備。水泵葉輪出現磨損會降低水泵運行效率，按時修復遭受氣蝕部件，以保障水泵處于高效率工作區間。

（2）嚴控機組密閉性。可采用耐磨橡膠粘貼等方式及時處理削弱磨損氣蝕密封環，以降低氣泡緩沖爆破力與磨蝕強度，從而降低機組能耗。

4.2 輸水管路管理節能措施

（1）強化管路管護。輸水管道破裂或止水破壞會造成水體泄露與機組管路振動，應強化管道巡檢力度，及時修復破損管道，以保障泵站輸水效率。

（2）應保持管道各級閘閥處于完全開啟狀態，切勿通過啟閉閘閥調節管道輸水流量。

4.3 泵站建筑物管理節能措施

（1）確保泵站對稱調度運行。泵站機組的不對稱工作狀態易誘發主流在進水池中偏移與紊亂擴散，應維持機組對稱開機運行以改善前池進水流態。

（2）清理攔污柵與進水池雜物。進水前池與攔污柵污物可在妨礙水流流動同時，誘發前池流態紊亂與泥沙淤積，降低進水口淹沒水深，從而加劇泵機氣蝕并造成泵站效率降低。因此，及時清除攔污柵與前池污物可有效保障泵站輸水效率［9］。

5 結語

小型泵站工程系統數量眾多且耗能因素較為復雜，通過合理規劃布局小型泵站工程各項設備，科學優化設計泵站電力系統、管路系統以及進出水池結構對實現小型泵站系統節能增效具有重要現實意義。此外，應注重針對小型泵站工程系統的運行管理，在保障泵站運行安全的同時，有效保障水泵機組效能的充分發揮。值得注意的是，實現小型泵站系統增效降耗應綜合反饋實際管理運行經驗，以不斷提升泵站工程設計規劃水準。研究可為小型泵站工程科學運行管理提供決策參考。

［1］王毅，鄧波，楊琳，等.大型變極雙速同步電動機在泵站更新改造中的節能效果分析［J］.中國農村水利水電，2013（04）：134-139+143.

［2］周富強.多級泵站輸水系統設計優化措施［J］.水利規劃與設計，2016（05）：107-109.

［3］馮曉莉，仇寶云.大型泵站系統運行優化模型與節能效果比較［J］.農業工程學報，2012（23）：46-51.

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［5］陳艷慧，李志鵬，楊建文，等.基于目標電耗的供水泵站節能分析［J］.中國給水排水，2014（05）：54-57.

［6］李輝.泵站測試與節能降耗實例探討［J］.水利技術監督，2015（02）： 7-8+23.

［7］劉家春.以節能為目標的城鎮排水泵站水泵選型方法［J］.水泵技術，2014（03）：36-39.

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TV51

A

1008-1305（2017）05-0096-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.030

2016-06-01

劉元剛（1976年—），男，工程師。