侯 波

（塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院，新疆 塔城 834700）

0 引言

在我國(guó)西部地區(qū)，節(jié)水和節(jié)能問(wèn)題是主要關(guān)注的問(wèn)題，為此相關(guān)地區(qū)實(shí)施了不同的政策以確保用水系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行。泵站作為水分配系統(tǒng)一部分，其中還包括供水源，存儲(chǔ)和分配管道，是整個(gè)供水系統(tǒng)運(yùn)行的主要電能消耗者。抽水成本約占水價(jià)的60%～70%，這使得抽水站設(shè)備的投資成為供水系統(tǒng)最佳運(yùn)行和維護(hù)方面的主要關(guān)注點(diǎn)。與抽水相關(guān)的電力成本可能占總運(yùn)營(yíng)成本的很大一部分。因此，減少能耗是集中式供水系統(tǒng)的所有運(yùn)營(yíng)商都應(yīng)優(yōu)先考慮的問(wèn)題。前人的研究成果大多致力對(duì)給水管網(wǎng)泵站操作最優(yōu)化的闡述和應(yīng)用，主要取決于向消費(fèi)者的服務(wù)水平、數(shù)量、質(zhì)量以及基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)[1～2]。

本文重點(diǎn)分析和討論了一種估算泵站運(yùn)行中的能源成本的方法，目的是提供一種整改策略，以減少能耗。

1 泵站的主要特點(diǎn)

供水系統(tǒng)中現(xiàn)有的水泵具有一些共同的特點(diǎn)，例如:

（1）在大多數(shù)情況下，泵站是并聯(lián)連接的泵組件。

（2）抽水流量在一天中會(huì)有所不同，并且每天都不相同，這取決于不同的因素（當(dāng)天的工作，節(jié)假日等）或受客觀(guān)因素（水資源不足，消耗過(guò)多，技術(shù)限制）的限制。

（3）在啟動(dòng)和停止泵施加的最小和最大排出壓力范圍內(nèi)，流量發(fā)生變化。

（4）泵站及其所服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)不再滿(mǎn)足供水系統(tǒng)的當(dāng)前要求。分配和運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)管道的直徑，在設(shè)計(jì)時(shí)由于沉積物沉積和維護(hù)過(guò)程中的不一致干預(yù)而過(guò)小。

（5）泵的特性與標(biāo)準(zhǔn)特性大不相同，因此在運(yùn)行期間，配水網(wǎng)絡(luò)要求和泵站容量之間可能會(huì)出現(xiàn)較大差異[3]。

（6）由于缺乏適當(dāng)?shù)脑O(shè)備效率，導(dǎo)致較高的單位能耗。

（7）設(shè)備和液壓機(jī)械裝置均已物理磨損，無(wú)法有效，安全地進(jìn)行處理（有時(shí)閥門(mén)處于打開(kāi)位置或閥門(mén)安裝不完全等）。

從上述特點(diǎn)可以看出，高耗電量是在泵站運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)的最重要的缺點(diǎn)之一。由于節(jié)約能源是水成本的重要組成部分，因此在最近研究中，節(jié)約能源變得非常重要。

2 減少泵站能耗的方法

減少泵站能耗的主要解決辦法包括:

（1）泵的液壓元件整改。通過(guò)改裝來(lái)完成。改造過(guò)程是通過(guò)改變?nèi)~輪的外徑（切割外徑）來(lái)進(jìn)行的，以確保根據(jù)配水系統(tǒng)的要求提供抽水參數(shù)[4]。

通過(guò)修改葉輪的外徑，泵特性曲線(xiàn)變化顯著，見(jiàn)圖1。

圖1 泵特性曲線(xiàn)的變化

（2）修改電機(jī)轉(zhuǎn)速。引入變速運(yùn)行泵，通過(guò)調(diào)節(jié)速度，泵將不斷嘗試將管網(wǎng)中的壓力保持在規(guī)定的水平，從而在最佳模式下適應(yīng)流量?？稍诓挥绊懕玫氖褂脡勖蚩煽啃缘那闆r下節(jié)省能源（圖2）。

圖2 點(diǎn)擊速度變化影響

（3）減少泵站的內(nèi)部能量損失。泵站的運(yùn)行狀態(tài)大多是通過(guò)泵的啟閉及作業(yè)人員操作泵的排放閥的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中電站操作員負(fù)責(zé)監(jiān)督三類(lèi)信息:①站場(chǎng)排水管壓力；②泵站水泵進(jìn)水管壓力；③電動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流消耗的最大值。

3 對(duì)塔城地區(qū)泵站的運(yùn)行分析

為全面貫徹落實(shí)自治區(qū)21號(hào)文件、自治區(qū)第八次黨代會(huì)和自治區(qū)水利工作會(huì)議精神，落實(shí)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)新機(jī)制，進(jìn)一步改善自治區(qū)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施條件，加大對(duì)小型農(nóng)田水利建設(shè)的支持力度，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，切實(shí)發(fā)揮自治區(qū)財(cái)政補(bǔ)助資金的引導(dǎo)和帶動(dòng)效應(yīng)。2015年自治區(qū)繼續(xù)把農(nóng)業(yè)高效節(jié)水建設(shè)納入重點(diǎn)民生水利工程，加以高度重視，按照指南要求，本著支持發(fā)展農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉工程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化建設(shè)，切實(shí)增強(qiáng)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)綜合能力，切實(shí)加強(qiáng)項(xiàng)目建設(shè)管理，保證盡快完成建設(shè)任務(wù)并發(fā)揮效益。

以塔城市某灌溉區(qū)為例，現(xiàn)有的泵站配備了五個(gè)并聯(lián)的125型電動(dòng)泵。泵的標(biāo)稱(chēng)參數(shù)為:流量Q=180 m3/h，揚(yáng)程H=85 m。泵由標(biāo)稱(chēng)功率為75 kW的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速n=3000 rpm。對(duì)于泵的初次啟動(dòng)，泵站內(nèi)設(shè)有兩個(gè)MIL502型真空泵。真空泵的標(biāo)稱(chēng)特性為:流量Q=220 m3/h，揚(yáng)程H=16 m由標(biāo)稱(chēng)功率為18.5 kW和轉(zhuǎn)速n=3000 rpm的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。抽水站嚴(yán)格按照規(guī)定運(yùn)行，抽水站的操作員手動(dòng)執(zhí)行泵的啟動(dòng)和停止。

為了在抽水過(guò)程中避免發(fā)生氣蝕，操作者沒(méi)有完全打開(kāi)泵的排放閥?？栈跗诎殡S著特定的噪聲，這些噪聲會(huì)提醒泵站的操作人員在空化噪聲消失之前，關(guān)閉排放閥。這種操作方法，會(huì)引入額外的水頭損失，能耗較大。

圖3 泵站工作水頭損失

圖3表示用兩臺(tái)泵（其揚(yáng)程與流量特性曲線(xiàn)H=f（Q）相同）來(lái)確定泵站工作水頭損失的方法?；谙鄳?yīng)的工作點(diǎn)參數(shù)（Qans和Hans），泵站所需的有效功率計(jì)算公式:

式中:Pu為有效功率，W；ρ為水的密度，kg/m3；Qans為泵站的流量，m3/s；Hans為泵站的揚(yáng)程，m。

泵站效率性能ηans:

效率值隨H1/Hans比值的增大而減小。H1和Hans之間的差異表示泵站排水管上的部分關(guān)閉閥所引起的水頭損失（耗能）。

這種通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉泵的排放閥來(lái)調(diào)節(jié)泵站工作參數(shù)的方法雖然操作簡(jiǎn)便，無(wú)需額外費(fèi)用，但是該方法引入水頭損失，具有明顯的缺點(diǎn)。根據(jù)以上介紹的理論要素，并考慮有關(guān)泵站運(yùn)行參數(shù)，從能耗角度分析泵站的實(shí)際功能:

1）訪(fǎng)問(wèn)泵站現(xiàn)場(chǎng)，并從操作寄存器中收集有關(guān)泵站設(shè)備的數(shù)據(jù)（泵類(lèi)型、標(biāo)稱(chēng)參數(shù)、泵數(shù)量、操作參數(shù)、運(yùn)行方式）；

2）通過(guò)基于數(shù)據(jù)從泵站的操作寄存器中識(shí)別泵的工作特點(diǎn)，來(lái)定義泵站的工作范圍；

3）根據(jù)實(shí)際情況確定電站的運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行計(jì)算，以確定實(shí)現(xiàn)這些參數(shù)所需的能源成本；

4）根據(jù)用水系統(tǒng)分配的要求選擇新的水泵；

5）對(duì)新配置的泵站的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算；

6）評(píng)估實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行參數(shù)所涉及的成本；

7）根據(jù)泵站運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在泵站現(xiàn)狀及投資合理性的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較分析。

根據(jù)可用的每日運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出該站的每日最大泵送流量為4381 m3/d，最小泵送每日流量為1682 m3/d。在運(yùn)行記錄儀中，工作站排氣管上達(dá)到的壓力為4.5 bar～5 bar。揚(yáng)程H=50 m，流量在Q=100 m3/h～200 m3/h之間。此參數(shù)與125型泵的標(biāo)稱(chēng)運(yùn)行參數(shù)（Q=180 m3/h和H=85 m）有很大不同，因此必須關(guān)閉排量大的（由泵引入系統(tǒng)）排放閥。關(guān)閉部分排氣閥后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出水頭損失為35 m，通過(guò)式（1）計(jì)算得出有效功率為17.5 kW。一天中，此操作序列平均每天至少10 h，因此部分關(guān)閉的排放閥中的每日平均能量損失最少為175 kW·h。

為全面了解當(dāng)前泵站的年度能源成本對(duì)整改前后的泵站進(jìn)行能耗計(jì)算。表1列出了2016年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，其中P為能耗，c為抽水量，揚(yáng)程為H，泵效為η，泵送平均流量為q。計(jì)算新泵的基本原理是使工作流量在泵的最大效率范圍內(nèi)。

能量分析結(jié)果表明:整改后的泵站可顯著降低能耗；在相同的泵送水流量，恒定水頭為50 m的情況下，對(duì)于整改后的電站，能耗降低了57%；考慮到1元/（kW·h）的成本，每年可節(jié)省能源成本32965元。考慮到該站模塊式泵組（由2+1泵組成）的價(jià)格為47921歐元，新設(shè)備的投資成本可在16個(gè)月內(nèi)從能源消耗減少所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益中回收。

表1 泵站整改前后能量耗損統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析原有泵站工作特點(diǎn)，對(duì)泵站進(jìn)行液壓元件、電機(jī)轉(zhuǎn)速和減少泵站內(nèi)部能量損失三個(gè)方面進(jìn)行整改，從而最大限度的減少泵站能量耗散，在環(huán)保方面，采用改進(jìn)后的適當(dāng)模塊泵組改變現(xiàn)有泵的解決方案，消除了水泵噪聲，滿(mǎn)足西部地區(qū)節(jié)能節(jié)水的需求的同時(shí)也符合環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展的規(guī)定。