基于提高泵站效率的運行管理關鍵技術探討

王兵

摘 要：泵站是水資源調配工程的樞紐，隨著水利事業的發展，泵站數量越來越多。在確保安全、可靠運行的基礎上，提高泵站運行的效率，對節能降耗意義重大。通過對影響泵站運行效率的多因素分析，以及對南水北調東線工程東宋泵站的設備運行數據分析，結合日常運行維護管理，提出了控制合理的負載率、運行水位，降低損耗的維護維修技術，提高泵站運行效率的關鍵技術方法，對提高類似泵站的運行效率和進行節能改造具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：效率;管理;關鍵技術

中圖分類號：TV675 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0138-04

目前，中國現有大、中、小型各類固定式排灌泵站50多萬座，裝機容量突破8700萬千瓦，尤其是近年來南水北調等大型引調水工程的建設，泵站的建設數量、規模越來越大，泵站作為水資源調配工程的樞紐，在防洪、排澇、供水等方面發揮重要作用。但由于設計標準低、設備老化、工程缺乏有效維護、管理薄弱等原因，大中型泵站平均裝置效率僅為40%～50%，能源單耗6～7kW.h/（kt.m），距部頒標準e≤5kW.h/（kt.m）相差甚遠，不符合建設節約型社會的需要。因此，在確保安全運行的基礎上，泵站應以提高效率為目標，加強技術管理，達到節能降耗的目的。

1泵站效率影響因素分析

泵站效率是泵站的有效功率與輸入功率比值的百分數，是由動力設備效率、傳動效率、水泵效率、管道效率、進出水池效率、輔機設備效率等各環節組成的綜合效率。

1.1動力設備效率的影響因素

1.1.1變壓器

變壓器效率是變壓器二次輸出的有功功率與一次輸入的有功功率的比值。二次輸出有功功率P2 =βSN cosΦ2，其中β為負載系數，是變壓器二次側負載電流與額定電流的比值，SN為變壓器視在功率，cosΦ2為負載的功率因數。同時，變壓器二次輸出有功功率也等于一次輸入有功功率減去變壓器損耗。變壓器損耗包括鐵損耗Pfe和銅損耗Pcu，鐵損耗為不變損耗，額定電壓下近似等于空載時有功功率P0，即Pfe≈P0，銅損耗Pcu隨負載變化，稱為可變損耗，額定電流下銅損耗近似等于短路試驗電流為額定值時輸入的有功功率Pkn，負載不為額定負載時，銅損耗與負載系數的平方成正比，即Pcu=β2Pkn。這樣變壓器效率公式為：

η=βSN cosΦ2/（βSN cosΦ2+ P0+β2Pkn）[1] ? ? ? ? ? （1-1）

β為負載系數， SN為變壓器視在功率，cosΦ2為負載的功率因數。從變壓器效率公式可知，對于一臺給定的變壓器，運行效率的高低與負載的大小和負載的功率因數有關。當β一定時，即負載的電流大小不變時，負載的功率因數cosΦ2越高，效率η越高。當負載功率因數一定時，效率與負載系數的大小有關。對式（1-1）取η對β的微分，其值為零時的β即為變壓器最高效率時的負載系數βm，可以得出當P0=β2mPkn時，變壓器效率最高。也就是說，當變壓器β<βm時，輸出電流增加，輸出功率也增加，銅損耗也增加，由于此時β值較小，銅損耗較小，鐵損耗相對較大，因此總損耗雖然隨β值增加，但是沒有輸出功率增加得快，因此效率也是增加的。當銅損耗隨著β的增加，等于鐵損耗時，效率達到最高值。當β>βm后，銅損耗成了損耗中的主要部分，而且由于銅損耗與電流的平方成正比，輸出功率與電流成正比，因此變壓器效率隨著β的增加反而降低。

表1為南水北調東線膠東干線東宋泵站主變運行的數據，直觀地反映出主變效率與負載系數的關系。

從表1運行數據可以看出，負載系數小于0.1時，效率70%左右，負載系數為0.2以上時，效率可達到99%。

1.1.2電動機效率的影響因素

電動機效率是電動機輸出有功功率與電源輸入有功功率比值的百分數。電源輸入的有功功率減去定子銅耗、轉子銅耗、鐵損耗、機械損耗、附加損耗就是電動機轉軸上輸出的功率。正常運行范圍內，鐵損耗、機械損耗變化很小，稱為不變損耗，定、轉子銅損耗與電流平方成正比，變化較大，稱為可變損耗。當電動機的不變損耗等于可變損耗時，電動機效率達到最大。電動機空載時，轉子電流很小，可認為輸出功率為零，電動機效率為零。當負載增大時，輸出功率增加，效率也增加。額定負載時，不變損耗等于可變損耗，效率最高，如果超過額定負載，可變損耗增大大于輸出功率增加，效率降低。

1.2水泵效率的影響因素

水泵效率是水泵有效功率與電動機軸功率之比，水泵的有效功率P =pgQH/1000，其中，p為水的密度，g為重力加速度，Q為水泵流量，H為水泵揚程。電動機軸功率是電機傳給水泵軸的輸入功率，減去水泵內的能量損失功率即為水泵的有效功率。影響水泵效率的主要原因是水泵在運轉時，存在著機械損失、容積損失和水力損失。機械損失是指泵軸轉動時與軸密封填料、軸承及葉輪表面與水體間等的摩擦消耗。容積損失是指泵內水流經高壓處經縫隙向低壓處的內漏和從軸封裝置等處的外漏造成的損失。水力損失是指水流進入泵體后經吸水室、葉輪流道等全部流程中的沿程損失和局部損失及水體本身在流程中擠壓、碰撞等造成的損失。水泵長期運行效率下降的原因：一是由于水流的沖刷，水泵流道內壁和葉輪過水面變得粗糙不平，水泵內流道的摩阻系數增大，水力損失增加。二是由于水質硬度高等原因使泵殼內嚴重積垢。泵殼內積垢使泵殼壁厚增加，水泵內壁形成垢瘤，泵體容積縮小，抽水量減少，并且流道粗糙，容積損失和水力損失增大。三是水泵汽蝕、磨蝕、腐蝕和化學浸蝕等原因造成泵流道內產生空洞或裂紋，水流動時產生旋渦而造成能量損失，水力效率降低。四是由于泵運行時間長，機械不斷磨損，產生水量漏失和阻力增大使容積效率和機械效率降低。五是雜物纏繞或阻塞阻力增大，影響葉輪和泵軸轉動，降低效率。

1.3管道效率的影響因素

影響管道效率的原因是管道輸水過程中主要的損失包括水頭損失和水量損失。水頭損失包括沿程水頭損失、局部水頭損失，主要與管道長度、管道的內管壁光滑程度和中間有無閥門、彎道及進出口的形式和流速有關。管道水量損失是管道漏水造成。

1.4傳動設備效率影響因素

機械傳動效率主要與傳動方式有關。機械傳動方式通常有聯軸器、帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等方式，不同的傳動方式效率不同。

1.5進出水池效率影響因素

影響進出水池效率的因素主要是進水池的形狀、尺寸設計不當，或者進出水池流道、導流設施不合理，導致池內發生旋渦、回流，水流流態紊亂，水力損失較大。

2泵站各環節效率對泵站綜合效率影響的權重分析

泵站綜合效率是各環節效率的乘積。在不同的運行狀態下，各環節效率變化范圍不同，對泵站綜合效率的影響大小不同。通過對各環節效率的影響因素分析可以得出，變壓器的效率隨負載系數變化很大，理論上可以從0到接近99%以上。電動機的效率從空載到額定負載的變化可以從0至90%以上變化，一般異步電動機在額定負載下其效率為75%～92%。不同類型水泵的效率不同，正常使用和維護的情況下，水泵效率一般在65%～90%之間，大型泵可達90%以上。管道效率主要取決于管道的水頭損失，對于泵站來說，管道長度一般不長，沿程水頭損失占揚程的比例很小，泵站管道的進出口處流速不大，進出口局部水頭損失幾乎可以忽略，泵站管道能量損失很小，對泵站綜合效率影響不大。傳動設備效率與傳動方式有關，彈性聯軸器傳動效率0.99～0.995，帶傳動效率0.97～0.98，鏈傳動0.96～0.98，6至7級精度齒輪傳動效率為0.98～0.998，泵站電動機與水泵一般采用聯軸器直聯，傳動設備的效率對泵站綜合效率影響不大。泵站進出水池池內水位的跌差一般不大，在泵站進水池和出水池池內水位跌差不大或相對于泵站揚程可以忽略不計時，進出水池的效率可以近似認為100%[3]，因此進出水池效率變化對泵站綜合系統效率影響較小。通過分析可以得出，對泵站運行效率影響較大的是動力設備的效率和水泵的效率，提高泵站效率的關鍵是加強對泵站動力設備和水泵的運行技術管理。

3提高泵站效率的運行管理關鍵技術

3.1提高變壓器運行效率

3.1.1調整變壓器負載率

在保證泵站過水量的前提下，通過變壓器并列或單獨運行，可以調整變壓器的負載率，一般βm的值為0.5～0.77，當達到0.8時，需要增大變壓器的容量，低于0.2時，考慮降低變壓器容量，提高變壓器的運行效率。

3.1.2提高負載功率因數

利用同步電動機無功功率補償特性，采用同步機和異步機組合運行，可以大大減少無功功率，提高負載功率因數，提高變壓器運行效率。

3.2提高電動機的運行效率

提高電動機的運行效率，一是確保電動機和水泵功率合理配套。一般要求電動機的負載率應大于0.7，在負載率低于0.5時，應進行調整或更換。從運行安全角度考慮，負載率也不一定要在額定負載下運行，如繞線式異步電動機采用同步化運行時其最大允許負載率為0.85。二是清理電動機內的灰塵積垢，改善通風，減小溫升。因為電機線圈溫度升高，電阻增大，損耗增多，降低效率。三是經常對電動機進行日常維護，潤滑軸承，減少摩擦，減少損耗，提高電動機效率。四是異步電動機可通過變極、變轉差率、變頻等方法實現變速調節，從而達到調節水泵運行工況，實現經濟運行的目的。

3.3提高水泵的運行效率

提高水泵的效率，要從水泵選型、安裝、運行等各方面著手，減少水泵運行的機械損失、容積損失和水力損失。

3.3.1合理選擇泵型，使水泵運行在高效區間

水泵設備的選型、制造、安裝合理是水泵高效運行的基礎。應根據泵站工程的設計流量、揚程和水泵的性能曲線選擇合理的泵型，使水泵在高效區間運行。水泵的性能曲線，是水泵廠家根據試驗數據繪制的流量與揚程、軸功率、效率、允許吸上真空高度或汽蝕余量等參數之間相互變化曲線，性能曲線中Q～η曲線上的最高點，是水泵運行時的最高效率點。在日常運行管理時，水泵很難達到完全在最高效率點上工作，一般在最高效率點左右下降5%～7%作為水泵的工作范圍，在滿足過水量的基礎上，通過調整機組設備的運行組合方式，避免進水池水位過高或過低，使水泵在高效區間運行。

3.3.2加強設備運行管理和維護，及時處理缺陷

（1）提高設備安裝和大修質量。水泵安裝或大修時，同心、水平、擺度、間隙等指標的安裝精度要達到規范要求，填料函松緊適度，因水源泥沙含量較大造成葉輪磨損的，要及時修復磨損的葉輪，提高葉輪或泵殼及管道內壁的光滑度。

（2）預防和減輕水泵汽蝕。水泵汽蝕的危害很大，產生汽蝕過程中，由于水流含有氣泡，破壞水流的正常流動方向，減小了流道內的過流斷面，可引起水泵流量、揚程和效率的迅速下降，甚至達到斷流的狀態。氣泡潰滅時，水流高速沖向氣泡中心，產生強烈的撞擊力，沖擊頻率可達2萬～3萬次/秒，沖擊力可達33～5700MPa，水泵產生劇烈振動和噪聲，造成水泵金屬表面塑性變形和硬化變脆，葉片擊穿，影響設備安全運行。汽蝕預防應根據產生汽蝕的原因采取針對性的措施：一是進水池水流要平穩，流速均勻，避免出現旋渦。流態紊亂時，可通過改造進水池、進水流道等方法改善流態。二是對可以調節葉片的水泵，當水泵偏離設計工況時，可通過對葉片角度的調節來改變水泵的運行工況，使之與實際工況進一步接近。三是運行過程中避免進水池水位過低，保證水泵進水有足夠的淹沒深度。

（3）預防和減輕水泵磨蝕。水泵部件一直處在部件與水流、部件與部件的摩擦之中，減少磨蝕，提高抗磨蝕能力，可以延長設備的使用壽命。軸瓦和軸套是最容易發生磨蝕損壞的地方，預防軸瓦和軸套異常磨損，一是保證二者之間間隙合理，間隙太大運行時振動會較大，不能很好地約束異常偏大振動。間隙過小潤滑介質不易進入間隙，容易引起軸瓦與軸套的干磨，引起軸瓦與軸套損壞。二是使用抗磨損能力較強的部件。如水導軸瓦采用賽龍材料內襯代替橡膠內襯，軸頸采用硬度更大的材料或耐磨軸套。三是及時更換填料函處的封水填料，避免填料時間過長浸泥變硬，增加對軸的磨損。

4結語

泵站的運行效率與多種因素有關，在運行過程中，需要抓住影響泵站效率的關鍵環節，通過對設備運行數據的分析總結，采取有針對性的設備運行管理和維修方法，以實現泵站的高效運行。一是變壓器、電動機、水泵等主設備都有各自的運行效率最高點，合理的負載率是變壓器和電動機高效運行的關鍵，合理控制運行水位是水泵在高效區運行的保證。二是不同機組的運行方式組合，效率不同，應根據過水量的要求，綜合考慮動力設備和水泵高效運行需要的水位、負載、同步和異步電動機的優化組合等條件，制定合理的機組運行組合方案并運用。三是加強設備設施的維修維護和改造，通過針對性的維修維護管理技術，降低變壓器、電動機、水泵等設備的能量損失，提高整個泵站的運行效率。

參考文獻：

[1]李發海，朱東起.電機學[M].北京：科學出版社2018.10：35-36.

[2]吳持恭. 水力學[M].成都：高等教育出版社2002.5：175-185.

[3]李端明.泵站運行工[M].鄭州：黃河水利出版社2014.12：692.