基于泵站參數的水泵電耗計算探討及節能思考

鄭錄艷，黃正財，范小娟

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 概述

“十二五”以來，我國能源供需形勢日益嚴峻，完成節能目標任務更加艱巨，大氣污染防治壓力繼續加大。節能降耗是當今中國社會經濟發展中最緊迫的任務之一。國家陸續出臺一系列措施，控制能源消費總量，推進生態文明建設，確保實現規劃目標，助力建設美麗中國。

泵類被列入“電機系統節能工程”，泵的用電量占全國用電量的20.9%。而提水泵站是水泵的主要應用場所。降低泵站的能源消耗，已成為中國實現節能降耗的重要措施。國內外很多學者在泵站節能方面做了大量的研究[1-10]，但關于水泵能耗計算研究卻較少。而在評價一個泵站是否節能之前應該對其能耗、能耗指標進行準確的計算。因此，如何準確計算提水泵站的水泵電耗，顯得十分重要，本文就此進行研究。

本文對基于泵站參數的水泵電耗計算方法進行探討，不僅是為了準確計算泵站電能消耗，更將計算公式中各個影響因子意義對應到泵站設計方案的各個環節中，指導前期設計選型工作、把節能思想融入其中，降低泵站電能消耗，從源頭上使得各泵站都能在建成后節能高效運行。

2 水泵電耗計算基礎公式分析

在前期設計中，為了評價提水泵站的各項能效指標，需要計算提水泵站的水泵電耗。水泵電耗用э 表示，基礎公式為:

э=P·t

(1)

式中P為水泵的功率，即原動機傳給泵的功率，又稱軸功率，kW;t為水泵運行時間,h。

公式(1)的組成比較簡單、直觀，即軸功率為P(kW)的水泵運行時間t(h)消耗的電能э(kW·h)，該公式應用到流量、揚程穩定的水泵時計算結果是準確的。但實際應用中，特別是水庫工程，取水水泵的抽水過程中的流量、揚程常常是不斷變化且幅度較大。相應的軸功率是1個變值，二者之間變化情況可由水泵性能曲線得知。對于單臺水泵，隨著揚程增大時其流量在減少，而軸功率隨著流量加大也隨之發生變化，總體呈上升趨勢。

電機功率選配時一般按水泵最大軸功率考慮。水泵運行過程中，電壓的波動和水泵轉速的變化，也會引起軸功率變化，水泵和電動機性能試驗中的允許誤差、機組在長期運行后水泵與管道特性的變化、水源泥沙含量的變化、水泵填料過緊及其其他條件的變化等，都可引起水泵軸功率的增加，使電動機發生超負荷現象，故電機選配時需考慮一定的備用系數[11](一般取1.05～1.1)。在計算年耗電量時一般取1 a進行計算，由此計算電能值顯然偏大。

3 水泵電耗計算衍生公式推導過程及分析

3.1 衍生公式

水泵電耗計算的衍生公式最早由蘇聯B.Φ.切巴耶夫斯基等學者提出，但由于公式組成較為專業，等式右邊參數量綱與電能單位需要進一步轉換，很多水力機械初學者對其組成未能完全理解。本文對其進行梳理、分析，便于理解并推廣應用。

提水泵站水泵電耗衍生計算公式[12]為：

(2)

式中H為泵的揚程，m；W為抽水裝置在工作時間內抽送水的體積，即提水量，m3；ηΗ.y為水泵效率、電機效率、動力變壓器及電纜效率、動力機與泵之間傳動裝置效率之積。

ηΗ.y=ηηΠBηCηnep

(3)

式中η為水泵效率；ηΠB為電機效率；ηC動力變壓器及電纜效率，一般取0.96～0.98；ηnep為動力機與泵之間傳動裝置效率，水泵與電機一般為剛性聯結，ηnep值取1。

3.2 衍生公式來源分析

水泵是能量轉換的機械，把動力機的機械轉換給被抽送的液體(水泵運行原理及泵站管理)，而動力機機械能一般由電能轉換而來。水泵提水的過程實際為能量轉換的過程，即電能轉化為機械能，機械能轉化為重力勢能和動能的過程，能量方程[13]見式(4)，工藝流程示意見圖1。

圖1 工藝流程示意

(4)

式中H為水泵揚程，m;z1、p1、v1分別為水泵進口斷面位置水頭,m；絕對壓強,mH2O；流速,m/s；z2、p2、v2分別為水泵出口斷面位置水頭,m；絕對壓強,mH2O；流速,m/s；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

1) 水泵的輸出功率Pu：單位時間內流過水泵的液體從水泵獲得的能量[13]

(5)

式中ρ為水的密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;Q為水泵的流量，m3/s;H為水泵的揚程，m。

2) 水泵的輸入功率Pa：動力機械傳遞給水泵的能量

3) 水泵提水過程即是電能轉為勢能的過程

Pu=PaηΗ.y

(6)

由式(5)(6)可得:

(7)

4) 衍生公式推導

由式(1)(7)可得:

(8)

(9)

由式(8)(9)即可得到式(2)。

4 計算實例

某工程年提水量為2 360萬m3,提水流量為0.898 m3/s(日變化系數為1.2)，所選水泵泵型為單級雙吸臥式離心泵，水泵電機通過聯軸器剛性連接。單泵流量為0.449 m3/s，設計揚程為128.50 m，揚程范圍為114.50～131.50 m，配套電機功率為900 kW，工作泵2臺。水泵設計點效率為85%，電動機效率為96%。水泵性能曲線如圖2所示。

分別用基礎公式和衍生公式對水泵電能進行計算：

1) 用基礎公式計算水泵電耗

由圖2可知，水泵軸功率范圍為650～804 kW，配套電機功率取值900 kW合理，水泵運行小時按全年運行取值。運行過程中軸功率是1個變值，且各個階段出現頻率尚不能確定，故若采用基礎公式對水泵電耗進行計算時常規帶入配套電機功率：

圖2 水泵性能曲線示意

э=P·t=2×900×8 760=1 576.80萬kW·h 。

2) 用衍生公式計算水泵電耗

泵站布置、選型確定后揚程、年提水量、機組效率等參數即確定后可應用衍生公式對水泵電耗進行計算(本工程取ηC=0.97)。

由式(3)可得：

ηΗ.y=0.85×0.96×0.97×1=0.791 52 。

代入式(2)即可算得水泵電耗：

3) 計算結果對比分析

2種計算方法的結果對比見表1，由表1可知：① 采用基礎公式，帶入配套電機功率、運行小時數進行計算得到的數據偏大；② 采用衍生公式，代入泵站揚程、年提水量、各關鍵設備效率進行計算更為準確。

表1 計算結果對比 萬kW·h

水泵電耗計算結果是否準確，不僅影響前期設計工作中對泵站運行成本的估算還會影響對提水泵站進行節能評價。水泵電耗計算結果直接影響關鍵指標單位提水揚程電耗的計算，根據相關規范[14]要求，單位提水揚程電耗應不大于4.53 (kW·h)/(kt·m),若計算值不夠準確，將直接導致該泵站節能評價不滿足要求。

5 節能思考

采用衍生公式對提水泵站的水泵電耗進行計算的意義不僅在于其計算數據比較準確、接近實際電耗數值，更在于可以將公式中各個影響因子對應到泵站設計方案的各個環節中,指導前期設計選型工作、節能融入思想,為各泵站建成后節能高效運行。水泵提水的過程實際為能量轉換的過程，即電能轉化為機械能，機械能轉化為勢能和動能的過程。泵站能量轉換平衡示意見圖3。

圖3 泵站能量轉換平衡示意

從工藝流程前端(勢能、動能角度)看，影響提水泵站電耗的主要因素包括取水點、提水量、受水點位置、輸水系統沿程損失等。結合地形地質條件合理選擇取水點、結合用戶端需求資料合理測算提水量、依據受水對象分布情況合理選擇出水池高程等決定了參與水泵電耗計算主要因素即流量、揚程的合理性。前三者確定后所需重力勢能基本確定，如何在保證功能性的條件下盡量降低所需的重力勢能呢？工程的布置方案中進、出水池選擇、管線走向選擇、管材選擇、管徑選擇均較為重要。

合理選擇泵站進、出水池，直接影響泵站提水揚程的大小，在滿足受水區需求的前提下，合理選擇高位水池體現了工程布置方案的節能思想；另外管線走向、管材、管徑的合理選擇可使輸水管線沿程損失最小化，也是降低泵站提水揚程重要因素。

從工藝流程前端(電能角度)看，一個提水泵站在滿足提水量、提水揚程的的條件下盡量降低所需的電能，提水泵站的水泵、電機效率、電機的運行方式、接入系統的選擇、變壓器的選擇均為重要。

水泵、電機、變壓器等關鍵設備選擇時應依據相關節能規范[15-17]，選擇能效水平較高的產品。水泵選擇時效率節能評價值的計算，首先根據水泵單泵流量查出節能效率的基準值，然后依據不同泵型式計算其比轉速，查得效率修正值，最后計算得到本工程水泵的節能效率評價值，所選水泵效率不得低于該值。電機的節能等級一般分為節能1、2、3級，在經濟條件允許情況下應盡量選擇1級能效產品，嚴禁選用淘汰產品。變壓器選擇時應盡量選擇滿足能效限定值和節能評價值要求新型節能高效產品。

6 結語

1) 在前期設計工作時采用衍生公式計算提水泵站的水泵電能更為準確。

2) 提水泵站水泵電耗涉及因素包括進、出水池位置選擇、管線走向選擇、管材選擇、管徑選擇、水泵電機效率、機組運行方式、接入系統的選擇、變壓器的選擇等。在前期各階段設計工作時應將影響能耗的各大要素融入。在泵站設計方案進行綜合比較時，考慮技術經濟的同時也要著重考慮節能因素。