李 贛

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省水利廳農(nóng)水處，山西 太原 030002）

2009年國家全面啟動(dòng)大型泵站更新改造工程，如何把握機(jī)遇，改造好建設(shè)好泵站，實(shí)現(xiàn)泵站經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相統(tǒng)一的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，是我們面臨的一個(gè)重要課題。下面就如何做好泵站更新改造工作，實(shí)現(xiàn)泵站節(jié)能運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行探討。

泵站的節(jié)能運(yùn)行是指單方水耗能最小的泵站運(yùn)行方案，一般只涉及單座泵站。而經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是指單方水消耗費(fèi)用最少的泵站運(yùn)行方案，可以在單座泵站實(shí)現(xiàn)，在有流量配合的泵站群實(shí)現(xiàn)起來意義更大，是泵站運(yùn)行管理的較高階段。優(yōu)化運(yùn)行是在泵站節(jié)能運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，將泵站和灌區(qū)統(tǒng)籌考慮的運(yùn)行方案，不僅要考慮泵站內(nèi)部及泵站之間的運(yùn)行方案，更重要的是要考慮灌溉水費(fèi)帶來的效益，是泵站管理單位整體經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)，是泵站灌區(qū)管理的最高階段。本文對(duì)涉及調(diào)度、泵站以及灌區(qū)配水的優(yōu)化運(yùn)行方案暫時(shí)不做探討，只對(duì)泵站的節(jié)能運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方案和技術(shù)路線進(jìn)行探討。

泵站工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，要實(shí)現(xiàn)泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)能運(yùn)行是基礎(chǔ)。首先必須從設(shè)計(jì)階段開始就要貫穿節(jié)能理念，從方案選擇、設(shè)備選型等多方面著手，達(dá)到泵站設(shè)計(jì)工況下裝置效率最高。其次，必須安裝有先進(jìn)儀器儀表，借助于可以快速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、快速計(jì)算，及時(shí)判斷水泵機(jī)組是否處于節(jié)能運(yùn)行范圍之內(nèi)。第三，通過開發(fā)利用實(shí)用的泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理軟件，實(shí)現(xiàn)泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。

1 泵站更新改造設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施

第一，在滿足流量的前提下盡量選擇大型機(jī)組，減少機(jī)組數(shù)量。對(duì)同一類型水泵，口徑較大的水泵往往比口徑小的效率要高；同樣同一系列的電機(jī)一般情況下都是隨著功率的增加，電機(jī)效率和功率因數(shù)也隨之增大。

第二，盡量采用10kV高壓直配的供電方案。20世紀(jì)70年代以前建設(shè)的泵站由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，相當(dāng)數(shù)量的泵站是低壓供電，高壓供電一般是3kV和6kV的電壓等級(jí)。由于低壓供電效率低，加之中間必須設(shè)降壓變壓器增加一級(jí)損耗，因此，應(yīng)盡量選用高壓供電，取消6kV和3kV供電，改用10kV直供方案。

第三，增設(shè)無功補(bǔ)償裝置。無功補(bǔ)償可以減少輸配電線路中的視在電流，提高輸配電效率。電容補(bǔ)償應(yīng)盡量靠近負(fù)荷側(cè)，有條件的可以采用就地補(bǔ)償，隨著科技的進(jìn)步，不僅低壓無功補(bǔ)償裝置可以自動(dòng)投切，高壓無功補(bǔ)償裝置的自動(dòng)投切技術(shù)也日臻完美。

第四，負(fù)吸程安裝水泵。負(fù)吸程安裝是利用工程措施提高水泵裝置的抗汽蝕能力的主要措施。負(fù)吸程可以省去真空系統(tǒng)，節(jié)約輔機(jī)用電，簡化開機(jī)程序，為泵站自動(dòng)化運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

第五，新建沉沙池，最大限度地減輕水體比重。

2 設(shè)備選型要始終貫徹節(jié)能理念

2.1 水泵選型

泵站改造中設(shè)備選擇是重點(diǎn)，水泵改造是關(guān)鍵。

第一，要選擇定性的、成熟的、效率相對(duì)較高、高效區(qū)范圍寬、抗汽蝕性能較好的泵型，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)要落在高效區(qū)；

第二，針對(duì)實(shí)際情況開發(fā)效率高、抗汽蝕性能好的優(yōu)秀的新型泵型。實(shí)際設(shè)計(jì)選型中，往往沒有合適的泵型可供選擇，所以要結(jié)合實(shí)際，由水泵廠組織技術(shù)力量重點(diǎn)開發(fā)；

第三，開發(fā)新型水泵要綜合考慮效率和汽蝕。水泵流量大，效率就較高，但抗汽蝕能力較差，要提高水泵的設(shè)計(jì)效率通常會(huì)帶來水泵抗汽蝕能力的下降，反之設(shè)計(jì)時(shí)提高其抗汽蝕能力往往會(huì)以犧牲水泵設(shè)計(jì)效率為代價(jià)。

解決這一矛盾的思路是水泵設(shè)計(jì)時(shí)以提高效率作為主要目標(biāo)，而抗汽蝕能力通過以下措施來實(shí)現(xiàn)：選用不銹鋼等耐汽蝕材料，提高泵體和過流部件的抗汽蝕能力；采用鋼板焊葉輪法；負(fù)吸程安裝水泵；采用雙吸水管的雙吸泵，降低進(jìn)口流速；口環(huán)與葉輪的間隙汽蝕可以通過增加鑲套的辦法來解決。在抗汽蝕為最大的情況下，盡可能大地提高水泵的設(shè)計(jì)效率。

第四，采用樹脂沙、蠟?zāi)５裙鉂嵍容^高的鑄造方法，提高水泵內(nèi)部光潔度，噴涂抗磨蝕涂層，可以同時(shí)提高水泵的效率和抗汽蝕能力。

不銹鋼葉輪和鋼板焊接葉輪都具有很好的抗汽蝕能力，不銹鋼葉輪價(jià)格較高，而鋼板焊接葉輪技術(shù)已經(jīng)非常成熟，具有價(jià)格相對(duì)較低、耐磨損、耐汽蝕、效率高、表面光滑、流線型好、使用壽命長等特點(diǎn)，鋼板焊接葉輪必將成為今后發(fā)展的方向。

2.2 電機(jī)選型

電機(jī)選型一定要選擇效率高的系列電機(jī)，除了前面提到的要選擇大電機(jī)以外，功率確定后要選擇效率和功率因數(shù)均相對(duì)較高的型號(hào)，但兩者出現(xiàn)矛盾時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇效率，功率因數(shù)可以通過增加無功補(bǔ)償裝置來解決。

值得注意的是，電機(jī)也有其高效區(qū)，電機(jī)選型一定要將長期的輸出功率的工作點(diǎn)落在電機(jī)的高效區(qū)內(nèi)，異步電機(jī)一般負(fù)荷率在0.75以上，均有較高的效率，通過調(diào)整配套功率備用系數(shù)來選擇配套功率，對(duì)于黃河流域的泵站功率備用系數(shù)應(yīng)適當(dāng)取大，可以取到1.1~1.2之間，這樣既保證了電機(jī)高效運(yùn)行，又可避免超負(fù)荷工作。

2.3 輔助設(shè)備選型

離心泵站的輔助設(shè)備主要是指閘閥和止回閥，閘閥的選型一定要注意其內(nèi)部止水工作面處的直徑，老的閘閥所謂的通徑是指法蘭連接面出口的內(nèi)部直徑，而實(shí)際閥板止水工作面處的內(nèi)部直徑小于其通徑，形成“腸梗阻”，增加了局部損失。因此，止回閥一定要選擇阻力系數(shù)較小的節(jié)能緩閉閥。對(duì)于介質(zhì)泥沙含量較小，對(duì)設(shè)備磨損不構(gòu)成威脅的泵站可以采用兩閥并一閥的方法，即將閘閥和止回閥合并為液控緩閉蝶閥。

3 提高管道效率

對(duì)于管道較長的離心泵站，盡量選取經(jīng)濟(jì)流速的下限，甚至小于下限，一般不超過2m/s；減少彎頭，盡量減少內(nèi)水體流速和流向的突變；水泵吸水管彎頭在滿足后壁距、淹沒深度和不產(chǎn)生漩渦的情況下，將彎頭增大到120°以上；將泵站管道出口“高射炮”出水改為虹吸出水，可以節(jié)約0.5m左右的揚(yáng)程。

4 泵站運(yùn)行管理中的節(jié)能措施及實(shí)現(xiàn)手段

當(dāng)泵站更新改造設(shè)計(jì)施工和設(shè)備選型中完全體現(xiàn)了節(jié)能理念時(shí)，真正的節(jié)能則主要體現(xiàn)在泵站運(yùn)行管理中。

4.1 單座獨(dú)立泵站的節(jié)能

單座泵站的節(jié)能也就是所謂的站內(nèi)節(jié)能，要實(shí)現(xiàn)站內(nèi)節(jié)能，首先必須保證機(jī)組狀態(tài)良好，其次是在滿足流量的情況下實(shí)現(xiàn)裝置效率較高的機(jī)組進(jìn)行組合運(yùn)行。

技術(shù)路線：安裝多功能電能表、流量計(jì)及揚(yáng)程測量儀表；實(shí)現(xiàn)泵站微機(jī)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)；開發(fā)能夠?qū)崟r(shí)測量水泵效率、電機(jī)效率、管道效率的軟件；開發(fā)能夠根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和給定的總流量選擇判斷開機(jī)組合，為運(yùn)行人員提供決策支持的管理軟件；建立起水泵葉輪口環(huán)等易損部件自然壽命運(yùn)行周期內(nèi)水泵效率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線。通過長時(shí)間的資料積累，將已建立的大量的水泵效率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行比較迭加，找出水泵效率明顯開始下降的發(fā)生概率最大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間（或平均時(shí)間）。此轉(zhuǎn)折點(diǎn)就是泵站節(jié)能運(yùn)行的臨界點(diǎn)、報(bào)警點(diǎn)和提醒點(diǎn)，低于此點(diǎn)就要進(jìn)行檢修更換。

4.2 有流量配合的泵站群的節(jié)能運(yùn)行

泵站群的節(jié)能運(yùn)行是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，應(yīng)該從三個(gè)層面來考慮，首先要考慮的是站與站之間的流量配合，防止棄水和斷流是最大的節(jié)能；其次是滿足流量要求下的泵站內(nèi)部的機(jī)組運(yùn)行方案；第三是單臺(tái)機(jī)組的節(jié)能。滿足流量需求和流量配合是條件，站內(nèi)機(jī)組組合是手段，單臺(tái)機(jī)組的現(xiàn)狀效率是基礎(chǔ)。

技術(shù)路線：首先，泵站群里的每座泵站必須全部具備節(jié)能運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)條件；其次，必須有必要的調(diào)度運(yùn)行軟件。調(diào)度軟件通過收集各座泵站的實(shí)時(shí)流量，計(jì)算機(jī)通過理論分析和歷史經(jīng)驗(yàn)判斷來給出各個(gè)泵站的最佳開機(jī)組合，已需定供實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)中各座泵站之間的水量平衡；第三，通過對(duì)關(guān)鍵位置的水位變化趨勢來校核泵站流量配合情況，并及時(shí)給出提示信息，供調(diào)度人員決策。

5 泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需要研究獨(dú)立泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和有流量配合的多座泵站群的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行兩個(gè)層面的問題。需要研究多座泵站流量配合下的棄水和斷流、單方水消耗的電費(fèi)及單方水消耗的維修費(fèi)用等三方面的問題。

5.1 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行必須建立在泵站和泵站群能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能運(yùn)行的基礎(chǔ)上，也即必須實(shí)現(xiàn)完整的微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，有完整的測量儀器儀表設(shè)備，開發(fā)有節(jié)能運(yùn)行軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)合理調(diào)配水量，滿足各座泵站的運(yùn)行要求；

必須建立起水泵葉輪口環(huán)等易損部件自然壽命運(yùn)行周期內(nèi)水泵效率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線；

通過長時(shí)間的資料積累，將已建立的大量的水泵效率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行比較迭加，找出水泵效率明顯開始下降的發(fā)生概率最大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的運(yùn)行時(shí)間（或平均時(shí)間）。

5.2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵問題

泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵問題是確定對(duì)裝置效率和維修費(fèi)用同時(shí)都有較大影響的易損部件的最佳更換周期，也即葉輪口環(huán)等的經(jīng)濟(jì)壽命。

設(shè)備壽命一般有三個(gè)：第一是自然壽命，是指自然磨損失去功能的可使用時(shí)間，是指設(shè)備的物質(zhì)壽命,是從設(shè)備投產(chǎn)起至報(bào)廢為止所經(jīng)歷的時(shí)間；第二是技術(shù)壽命，是指設(shè)備從投產(chǎn)起至被新技術(shù)淘汰為止所經(jīng)歷的時(shí)間，也即由于新技術(shù)的產(chǎn)生導(dǎo)致設(shè)備落后無法維修或沒有維修價(jià)值的使用時(shí)間；第三是經(jīng)濟(jì)壽命，是指在設(shè)備使用的后期，花費(fèi)更多的維修費(fèi)用可能得不償失，因而要考慮是否需要更新，這種以經(jīng)營費(fèi)用為標(biāo)準(zhǔn)而確定的設(shè)備壽命叫經(jīng)濟(jì)壽命。經(jīng)濟(jì)壽命一般來說就是設(shè)備的最佳更新周期。

5.3 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的總目標(biāo)及技術(shù)路線

泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的總目標(biāo)是所有參與運(yùn)行的泵站平均每提一方水消耗最少的運(yùn)行費(fèi)用。正常情況下，維修及時(shí)和維修標(biāo)準(zhǔn)高，水泵機(jī)組的裝置效率就高，提一方水消耗的電費(fèi)就較低，但是，也會(huì)使提一方水消耗的維修費(fèi)用加大；反之，如果延長檢修周期，則提一方水消耗的維修費(fèi)用就會(huì)減少，但提一方水消耗的電費(fèi)就會(huì)升高。泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就是要尋找一個(gè)很好的結(jié)合點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過運(yùn)行軟件獲取水泵效率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線，在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命的靜態(tài)計(jì)算方法建立單方水電費(fèi)消耗與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系曲線，以及為恢復(fù)設(shè)備裝置效率而進(jìn)行的葉輪口環(huán)等設(shè)備維修更換形成的單方水維修成本與使用時(shí)間的關(guān)系曲線。兩曲線的交點(diǎn)就是葉輪口環(huán)等的最佳經(jīng)濟(jì)壽命。

6 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和節(jié)能運(yùn)行的關(guān)系

泵站節(jié)能運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都是泵站管理不同階段追求的目標(biāo)，兩者都必須是在滿足流量要求的前提下實(shí)施的，無論是灌溉泵站還是排澇泵站，都必須首先保證流量，如果流量不能滿足，節(jié)能運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都沒有意義。不同點(diǎn)是：泵站節(jié)能運(yùn)行遵循的原則是流量一定，耗能最小，追求的是泵站效率最高；泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行遵循的原則是：流量一定，運(yùn)行費(fèi)用最小，追求的是消耗最少。

節(jié)能運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，沒有實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行就無從談起，但節(jié)能運(yùn)行下并不一定是經(jīng)濟(jì)的，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行下也并不一定是最節(jié)能的。

經(jīng)濟(jì)運(yùn)行將為下一階段泵站和灌區(qū)配水一體化優(yōu)化運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，同樣道理，實(shí)現(xiàn)泵站和灌區(qū)配水優(yōu)化運(yùn)行后，由于引入了水費(fèi)收入帶來的效益，所以泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也不一定是最佳方案。