許世梁

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院，上海200092）

0 引言

2009年12，在丹麥哥本哈根舉行的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》締約方第15次會(huì)議上，面對(duì)全球氣候變暖的嚴(yán)酷現(xiàn)實(shí)，世界各國(guó)又一次針對(duì)氣候變化的應(yīng)對(duì)策略和溫室氣體的減排量展開了熱烈的討論。溫家寶總理在大會(huì)上代表中國(guó)政府又一次莊嚴(yán)承諾，到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%。在如此短的時(shí)間內(nèi)大規(guī)模降低二氧化碳排放，需要付出艱苦卓絕的努力，需要有更加嚴(yán)格的節(jié)能減排措施，在生產(chǎn)和消費(fèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)掘節(jié)能減排的潛力。

我國(guó)水資源貧乏，且分布不均勻，為了解決飲水問(wèn)題，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，許多地區(qū)均在實(shí)施長(zhǎng)距離大流量的輸水調(diào)水工程。同時(shí)，近年來(lái)隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，為保護(hù)內(nèi)河淡水資源，一些長(zhǎng)距離的污水處理尾水排放工程也相繼上馬。這些長(zhǎng)距離的供排水輸水工程，由于輸送水量大，輸送距離長(zhǎng)，有著較高的能耗。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)節(jié)能減排的今天，發(fā)掘工程中的節(jié)能潛力有著十分重要的意義。

1 概述

長(zhǎng)距離輸水工程的能源消耗主要是輸水水泵的電耗，約占總能耗的90%以上，是節(jié)能的重點(diǎn)。

水泵電耗的計(jì)算公式是W=γQHt/η1η2η3（γ為水的容重；Q為泵的流量；H為泵的揚(yáng)程；t為泵運(yùn)行時(shí)間；η1、η2、η3分別為泵的運(yùn)行效率、傳動(dòng)效率和電機(jī)效率）?？梢钥闯?，W 與 γ、Q、H、t成正比，與η1、η2、η3成反比。而其中，水的容重 γ 是常數(shù)，泵的流量Q和運(yùn)行時(shí)間t由工程規(guī)模決定，也是定值。因此，工程的節(jié)能主要應(yīng)從以下兩方面考慮：降低水泵揚(yáng)程H和提高水泵效率η。結(jié)合長(zhǎng)距離輸水工程的實(shí)踐，這兩方面又可以通過(guò)管材、管徑的選擇，輸水路線的合理布局，以及水泵的選型和設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 管材與節(jié)能

目前國(guó)內(nèi)用于長(zhǎng)距離輸水工程的管材有許多種，它們各有特點(diǎn)，其中常用的主要有鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）和玻璃鋼夾砂管。這些管材的管內(nèi)壁粗糙度有所不同，其中，鋼管、球墨鑄鐵管和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）的管內(nèi)壁粗糙度為0.013，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的內(nèi)壁粗糙度為0.012，玻璃鋼夾砂管的內(nèi)壁粗糙度為0.010。

從節(jié)能的角度出發(fā)，管內(nèi)壁的粗糙度越小，水在管道中的流動(dòng)阻力損失就越小，所需的水泵揚(yáng)程越低，就越節(jié)能。因此，應(yīng)盡量選擇管內(nèi)壁粗糙度低的管材，例如：玻璃鋼夾砂管。但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，管材的選擇需同時(shí)結(jié)合管道的承壓大小、管徑、埋深、水文地質(zhì)情況、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施工技術(shù)，以及工程造價(jià)等方面綜合進(jìn)行確定。

另外，隨著近年來(lái)新技術(shù)和新材料的發(fā)展，又出現(xiàn)了許多新型管材，例如玻璃纖維增強(qiáng)樹脂混凝土管。這些新型管材性能更加完善，具有更加優(yōu)越的水力性能，節(jié)能效果也更好。因此，隨著新型管材施工規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的完善，可以考慮在長(zhǎng)距離輸水工程中進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。

3 管徑與節(jié)能

長(zhǎng)距離輸水工程中管徑的確定對(duì)于水泵的揚(yáng)程和能耗有著較大的影響。在輸水量一定的情況下，管徑越大，管道流速越低，能耗越小，但工程投資越大，相反，管徑越小，管道流速越大，能耗越高，但工程投資越小。因此，需要通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較綜合加以分析，確定工程的經(jīng)濟(jì)管徑，控制經(jīng)濟(jì)流速。

在南通大型達(dá)標(biāo)水排?；A(chǔ)設(shè)施工程中，設(shè)計(jì)輸水流量為15萬(wàn)m3/d，對(duì)DN1400和DN1600兩種管徑條件下的能耗大小和工程投資加以比較，其結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 不同管徑條件的綜合比較表

可以看出，在合理的流量范圍內(nèi)，適當(dāng)增加管徑，工程造價(jià)增加較少，但可以大幅降低能耗，節(jié)約運(yùn)行成本，是長(zhǎng)距離輸水工程的一個(gè)不錯(cuò)選擇。

4 路線布局與節(jié)能

長(zhǎng)距離輸水工程的特點(diǎn)是輸水線路長(zhǎng)，沿線地形、地物復(fù)雜，需要穿越公路、河道及其他管道等。在輸水工程的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，一般均有著幾種路線走向可供選擇，各路線布局方案的管道長(zhǎng)度和沿線復(fù)雜程度可能會(huì)有所不同。輸水路線越短，管道的沿程水頭損失就越??；管道沿線的地形、地物越簡(jiǎn)單，管道沿線的管配件數(shù)量越少，由管道局部變化而引起的水流紊亂就越少，局部水頭損失也就越小。因此，管道的路線走向和布局，影響著管道的水頭損失，從而影響著水泵的揚(yáng)程和能耗。

在長(zhǎng)距離輸水工程的路線布局選擇上，應(yīng)在符合規(guī)劃要求的前提下，盡量使管道路線順暢、簡(jiǎn)捷，以減小管道長(zhǎng)度和管道附件數(shù)量。同時(shí)，盡量避免管道路線穿越河道、道路等障礙物，降低局部水頭損失。

5 水泵的節(jié)能

提高水泵效率、保證水泵高效運(yùn)行是降低水泵電耗、促進(jìn)節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)。水泵的效率與水泵選型、水泵運(yùn)行方式，以及水泵的進(jìn)出水設(shè)施等有關(guān)。

5.1 水泵的選型

水泵選型合理、可靠是確保水泵高效運(yùn)行的最直接因素，應(yīng)根據(jù)水泵的性能曲線和輸水管道系統(tǒng)的特性曲線進(jìn)行選型。

長(zhǎng)距離輸水工程中，一般均設(shè)有清水池或調(diào)節(jié)池等儲(chǔ)水設(shè)施，水泵運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)流量頻繁波動(dòng)的情況，但是，因儲(chǔ)水設(shè)施的規(guī)模有限，受城市用水量或排水量不均的影響，輸水工程中的水泵通常會(huì)有幾個(gè)不同的流量工況點(diǎn)。在水泵選型時(shí)，應(yīng)校核水泵在各工況時(shí)的工作點(diǎn)參數(shù)，要求在最大流量時(shí)，水泵在高效區(qū)運(yùn)行，即確保水泵能夠滿足最大流量、最高揚(yáng)程的工況條件下，將水輸送至目的地。同時(shí)，水泵的選型還應(yīng)確保通過(guò)變頻等調(diào)節(jié)手段使水泵的其余運(yùn)行工況盡量位于水泵的高效區(qū)。

另外，長(zhǎng)距離輸水工程中的水泵流量一般都相對(duì)較大，而我國(guó)生產(chǎn)的大流量水泵效率比國(guó)外同類產(chǎn)品低約5%～10%。因此，在投資允許的情況下，可以考慮優(yōu)先選用進(jìn)口或合資品牌的水泵，以提高節(jié)電性能。

5.2 水泵的運(yùn)行方式

按照最大流量工況條件下水泵在高效區(qū)運(yùn)行進(jìn)行水泵選型，只能保證一個(gè)工作點(diǎn)在水泵性能曲線的高效范圍內(nèi)，并說(shuō)明所選擇的水泵機(jī)組能夠滿足輸水要求。但是，長(zhǎng)距離輸水工程的輸水管道較長(zhǎng)，輸水流量的小幅變化即會(huì)引起所需揚(yáng)程較大的變化，在水泵的其它工況條件下，由于輸送水量減少，所需的輸水壓力會(huì)大幅降低。而根據(jù)水泵的特性曲線，水泵的流量降低反而會(huì)造成水泵的揚(yáng)程上升。因此，一方面水泵其它工況條件下的工作點(diǎn)可能會(huì)偏離高效區(qū)，甚至偏出水泵的性能曲線，造成效率降低；另一方面，輸水所需壓力降低而水泵揚(yáng)程反而升高會(huì)產(chǎn)生較高的富裕水頭，浪費(fèi)能源。因此，采用變頻調(diào)速的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式尤為重要。

采用變頻調(diào)節(jié)的運(yùn)行方式，可以通過(guò)調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速改變水泵的性能曲線，使水泵的各工況工作點(diǎn)位于水泵的高效區(qū)。同時(shí)，當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速改變時(shí)，流量、揚(yáng)程和軸功率分別和轉(zhuǎn)速比成一次方、二次方和三次方的正比關(guān)系，也就是說(shuō)變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)，軸功率的改變最大。因此，通過(guò)降低水泵轉(zhuǎn)速滿足輸水工程中的流量和揚(yáng)程變化，可以有效降低水泵的軸功率，達(dá)到節(jié)能的目的。

在南通大型達(dá)標(biāo)水排?；A(chǔ)設(shè)施工程中，有9.5萬(wàn) m3/d、12萬(wàn) m3/d和 15萬(wàn) m3/d三個(gè)輸水流量工況。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，按照15萬(wàn)m3/d的工況條件進(jìn)行水泵選型和配置，并通過(guò)變頻調(diào)速的方式使水泵在9.5萬(wàn)m3/d和12萬(wàn)m3/d兩個(gè)工況條件下運(yùn)行。表2是1號(hào)泵站各工況下變頻運(yùn)行方式與不變頻運(yùn)行方式的能耗對(duì)比。

通過(guò)表2的比較可見(jiàn)，對(duì)水泵采用變頻調(diào)節(jié)，與僅改變水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)相比較，能夠避免浪費(fèi)水泵揚(yáng)程，降低水泵運(yùn)行功率，節(jié)能效果非常顯著。

表2 水泵是否變頻的運(yùn)行能耗對(duì)照表

5.3 水泵的進(jìn)出水設(shè)施

水泵的進(jìn)出水管路應(yīng)短而直，盡量減少不必要的管道附件，以降低水頭損失，提高水泵效率。進(jìn)出水彎頭應(yīng)采用偏心漸變彎頭，保證水泵進(jìn)出水口平順銜接。

對(duì)于設(shè)有前池或吸水池的泵站，水池的形狀及尺寸設(shè)計(jì)需合理，可采用折線型或曲線型的池型，并合理控制擴(kuò)散角的大小，避免在池內(nèi)發(fā)生漩渦、回流、脫壁等不良水力現(xiàn)象。同時(shí)，可采取設(shè)置導(dǎo)流墩等措施，改善進(jìn)水條件，提高水泵效率。

5.4 其它

水泵的安裝精度、運(yùn)行控制和維修保養(yǎng)等也對(duì)提高水泵效率，節(jié)約能耗有著一定的影響。

在水泵安裝時(shí)應(yīng)選用經(jīng)驗(yàn)豐富的施工單位，并加強(qiáng)施工管理。在水泵的運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)選用先進(jìn)的控制儀表，實(shí)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)最佳控制，合理調(diào)整工況，保證高效工作。

同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)水泵的維修保養(yǎng)。水泵運(yùn)行一段時(shí)間后必將產(chǎn)生磨損，增加泵內(nèi)的能量損失。為保證水泵能長(zhǎng)期高效工作，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督，及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，定期進(jìn)行小、大修，并更換損壞的零部件。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的對(duì)象是水泵的葉輪、口環(huán)、填料、軸承和地腳螺栓等。

6 結(jié)語(yǔ)

低碳經(jīng)濟(jì)是氣候變化背景下各國(guó)政府和人民不可動(dòng)搖的戰(zhàn)略選擇。對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，面對(duì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展中能源消耗量大、成本高的問(wèn)題，注重節(jié)能減排、加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)已成為了上至中央、下至地方乃至全民的共識(shí)。

目前，我國(guó)長(zhǎng)距離輸水工程等給排水工程的能耗指標(biāo)還遠(yuǎn)高于美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，節(jié)能潛力巨大。因此，應(yīng)從工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段開始，重視節(jié)能問(wèn)題，對(duì)逐個(gè)耗能環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)給排水工程的科技進(jìn)步。

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