董加新,,王玉川,陳曉俊,楊建國(guó)
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌712100;3.渭南市東雷抽黃工程管理中心,陜西合陽715300;4.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所,呼和浩特010020)
高揚(yáng)程大型引黃提灌泵站主要分布于黃河中上游的陜西、甘肅、寧夏、山西等省(區(qū)),具有揚(yáng)程高、梯級(jí)多、總裝機(jī)功率大、輸水距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。這些多級(jí)泵站是由不同類型、型號(hào)和數(shù)量的水泵機(jī)組構(gòu)成的復(fù)雜多級(jí)泵站系統(tǒng),水泵機(jī)組受級(jí)間水位、泵站之間的流量匹配的影響而開關(guān)不同的機(jī)組,同時(shí),級(jí)間又存在水量分流情況,因此整個(gè)多級(jí)泵站系統(tǒng)能耗的準(zhǔn)確計(jì)算一直是待解決的問題[1]。泵站實(shí)際運(yùn)行過程中的能耗是灌區(qū)水價(jià)制定[2-5]、財(cái)政補(bǔ)貼和節(jié)能降耗的主要依據(jù),也可作為水泵機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的參數(shù)。東雷抽黃灌區(qū)管理部門提出,對(duì)于多級(jí)泵站的運(yùn)行管理,系統(tǒng)能耗參數(shù)具有重要的參考和應(yīng)用價(jià)值,需要簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的多級(jí)泵站系統(tǒng)能耗的計(jì)算方法。
描述泵站工作能耗常用的3 個(gè)參數(shù)為裝置效率、能源單耗和能耗系數(shù),三者既有聯(lián)系又有區(qū)別。裝置效率[6]是指泵站將動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體能量的大小,是水泵、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、管路(包括閘閥)等各項(xiàng)效率的綜合反映[7,8],但其不能直觀地反映出輸送的水量與耗電量之間的關(guān)系。能源單耗[6,9]是指將千噸水提高1 m 的耗電量,考慮了能耗與提水高度及輸送水量之間的關(guān)系,實(shí)際上是泵站裝置效率的轉(zhuǎn)化形式,用此種評(píng)價(jià)指標(biāo)還是不能直觀反映出泵站系統(tǒng)的耗能量。能耗系數(shù)[10]是指提升單位體積液體至一定高度的耗能量,與裝置效率及提水高度均有關(guān),可以直觀反映提水高度與耗能量的關(guān)系。
泵站裝置效率是有效能量與輸入能量之比。有效能量計(jì)算實(shí)際上應(yīng)該采用灌區(qū)用水終端的流量與揚(yáng)程參數(shù)計(jì)算,所以不同的文獻(xiàn)考慮不同的損失因素,比如電機(jī)效率[11]、泵段效率[12]以及輸水過程中的各種損失[1,13-15]等,從而提出了不同形式的計(jì)算公式。但是,實(shí)際運(yùn)行中終端的相關(guān)參數(shù)獲取比較困難,不利于實(shí)際采集和計(jì)算。對(duì)于實(shí)際的泵站運(yùn)行管理而言,易于測(cè)得各臺(tái)泵電網(wǎng)輸入的功率、水泵的流量和揚(yáng)程,因此本文基于這些參數(shù)推導(dǎo)能耗參數(shù)計(jì)算公式。
能源單耗及能耗系數(shù)通常作為能耗高低評(píng)價(jià)指標(biāo)。單臺(tái)水泵的能源單耗或能耗系數(shù)易于求得,而多級(jí)泵站系統(tǒng)的能耗與各臺(tái)水泵的性能、組合形式及工作時(shí)間有關(guān),目前沒有成熟的計(jì)算方法。本文推導(dǎo)多級(jí)泵站系統(tǒng)的能源單耗和能耗系數(shù)的計(jì)算方法,旨在為政府對(duì)灌區(qū)水價(jià)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼,泵站管理局進(jìn)行水價(jià)制定,校核成本以及泵站節(jié)能改造[16]提供依據(jù)。另外,通過計(jì)算多級(jí)泵站系統(tǒng)的能耗,可以確定能耗最低的組合,為泵站的運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)[17-19],并監(jiān)測(cè)水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。
泵站的能源單耗是指將千噸水提高1 m 所耗電量[6,9],單位是kWh/(kt·m),其表達(dá)式如下:
式中:e為能源單耗值,kWh/(kt·m);Q為某時(shí)間段內(nèi)水泵的平均流量,m3/s;H為某時(shí)間段內(nèi)水泵的平均揚(yáng)程,m;P為水泵機(jī)組的實(shí)測(cè)平均功率,kW;γ為水的容重,kN/m3;η為泵站的裝置效率。
泵站的能源單耗是泵站裝置效率的另一種表達(dá)形式,兩者之間的關(guān)系為η=2.72/e,可以看出,泵站的能源單耗越大,效率越低,能源單耗值直觀的表示出泵站的整體工作的能耗情況。
泵站的能耗系數(shù)是指輸送單位體積(1 m3)液體的能耗量[9,10],其具體表達(dá)式為:
式中:KE為能耗系數(shù),kWh/m3;E為某時(shí)間內(nèi)水泵消耗的電能,kWh;Q為單位小時(shí)內(nèi)流過水泵水的體積,m3/h;T為計(jì)算時(shí)間段,h。
由上式可知,能耗系數(shù)表征了能耗與揚(yáng)程的關(guān)系。與能源單耗相比,可以比較當(dāng)能源單耗或者泵站裝置效率相同時(shí)泵站能耗量的大小[8]。
多級(jí)泵站系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中,由下面兩種情況組成,一是計(jì)算一多級(jí)泵站系統(tǒng)在一段工作時(shí)間內(nèi)的能耗參數(shù),該多級(jí)泵站系統(tǒng)由多級(jí)串聯(lián)(有分流和無分流兩種情況),多臺(tái)水泵并聯(lián)(分為具有相同揚(yáng)程和不同揚(yáng)程兩種情況)組成;二是計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)不同的多級(jí)泵站系統(tǒng)工作不同時(shí)間的系統(tǒng)能耗,比如某泵站的冬灌或者春灌期間,啟動(dòng)了不同的多級(jí)泵站系統(tǒng),管理部門需要確定該灌溉期的多級(jí)泵站系統(tǒng)能耗。
對(duì)于一個(gè)固定的多級(jí)泵站系統(tǒng),將其系統(tǒng)能耗參數(shù)分為兩種類型考察,一種是系統(tǒng)的固有能耗參數(shù),指將相同水量從首級(jí)提到末級(jí)的系統(tǒng)能耗,即無分流情況下的系統(tǒng)能耗;第二種是系統(tǒng)的實(shí)際能耗參數(shù),泵站系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,各級(jí)泵站的提水量不斷變化,其實(shí)際能耗參數(shù)也不斷變化,反映了系統(tǒng)的即時(shí)能耗特性。對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)不同的多級(jí)泵站系統(tǒng)工作的情況,因?yàn)橄到y(tǒng)能耗參數(shù)與各系統(tǒng)的工作時(shí)間有關(guān),只計(jì)算其實(shí)際能耗參數(shù)。下面分別推導(dǎo)上述情況系統(tǒng)能耗參數(shù)的計(jì)算方法。
多級(jí)泵站系統(tǒng)的固有能耗參數(shù)是指將相同流量的水從首級(jí)提至末級(jí)特定高度的能耗參數(shù)。實(shí)際泵站系統(tǒng)運(yùn)行中,這種情況一般不存在,需根據(jù)已知的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)。
以兩級(jí)串聯(lián)泵站為例,計(jì)算系統(tǒng)的固有能源單耗及能耗系數(shù),如圖1所示,已知各單級(jí)泵站測(cè)得的平均功率為P1、P2,流量為Q1、Q2,其中Q2≤Q1,揚(yáng)程為H1、H2,則可由式(1)計(jì)算各級(jí)泵站的能源單耗e1、e2,由式(2)計(jì)算各級(jí)泵站的能耗KE1,KE2。
圖1 兩級(jí)泵站的能源單耗及能耗系數(shù)推導(dǎo)示意圖Fig.1 Schematic diagram of deriving unit energy consumption and energy consumption coefficient of two-stage pumping station
將兩級(jí)泵站簡(jiǎn)化為單級(jí)泵站模型,假設(shè)單級(jí)泵站模型流量為Q1,揚(yáng)程為H1+H2,則假設(shè)的單級(jí)模型與實(shí)際的兩級(jí)模型相比,相當(dāng)于把Q1-Q2的流量提高了H2,消耗的額外功率應(yīng)為
因此,假設(shè)的單級(jí)泵站消耗的總功率為P=P1+P2+P2?,根據(jù)公式(1)計(jì)算可得兩級(jí)串聯(lián)泵站的能源單耗為:
同理可得,三級(jí)串聯(lián)泵站(Q3≤Q2≤Q1)的能源單耗為:
故n級(jí)串聯(lián)泵站(Qn≤…≤Q2≤Q1)的能源單耗為:
根據(jù)公式(2)、(3)計(jì)算可得假設(shè)的單級(jí)泵站(即兩級(jí)串聯(lián)泵站)的能耗系數(shù)為:
同理可得,三級(jí)串聯(lián)泵站(Q3≤Q2≤Q1)的能耗系數(shù)為:
故n級(jí)串聯(lián)泵站(Qn≤…≤Q2≤Q1)的能耗系數(shù)為:
以單級(jí)泵站不同揚(yáng)程的兩臺(tái)水泵并聯(lián)為例,計(jì)算系統(tǒng)的能耗系數(shù),如圖2所示,已知各單泵的平均功率為P1、P2,流量為Q1、Q2,揚(yáng)程為H1、H2,其中H2≥H1,則可由式(1)計(jì)算各個(gè)水泵的能源單耗e1、e2,由式(2)計(jì)算各級(jí)泵站的能耗KE1,KE2。
將兩臺(tái)不同揚(yáng)程的并聯(lián)水泵簡(jiǎn)化為單臺(tái)水泵模型,假設(shè)的單臺(tái)水泵模型流量為Q1+Q2,揚(yáng)程為H2,單臺(tái)水泵模型與實(shí)際的兩臺(tái)水泵模型相比,相當(dāng)于把Q1的流量提高了H2-H1,消耗的額外功率為:
圖2 不同揚(yáng)程兩臺(tái)水泵并聯(lián)泵站的能源單耗及能耗系數(shù)推導(dǎo)示意圖Fig.2 Schematic diagram of derivation of unit energy consumption and energy consumption coefficient of two pump stations in parallel with different heads
因此,假設(shè)的單級(jí)泵站消耗的總功率為P=P1+P2+P1′,根據(jù)公式(1)計(jì)算可得兩臺(tái)不同揚(yáng)程并聯(lián)的單級(jí)泵站的能源單耗為:
同理可得,不同揚(yáng)程三臺(tái)水泵(H1≤H2≤H3)和n臺(tái)水泵(H1≤H2≤…≤Hn)并聯(lián)的單級(jí)泵站的能源單耗計(jì)算公式分別為:
從上式可以看出,并聯(lián)泵的能源單耗計(jì)算公式與水泵揚(yáng)程無關(guān)。
根據(jù)公式(2)和式(10)計(jì)算可得不同揚(yáng)程兩臺(tái)水泵(H1≤H2)并聯(lián)的單級(jí)泵站的能耗系數(shù)為:
同理可得,不同揚(yáng)程3 臺(tái)水泵(H1≤H2≤H3)并聯(lián)的單級(jí)泵站的能耗系數(shù)為:
故不同揚(yáng)程n臺(tái)水泵(H1≤H2≤…≤Hn)并聯(lián)的單級(jí)泵站的能耗系數(shù)為:
當(dāng)Hi=Hn時(shí),有:
利用上述公式計(jì)算多級(jí)泵站系統(tǒng)能耗的原則是,先計(jì)算同級(jí)的并聯(lián),再計(jì)算串聯(lián)。
根據(jù)多級(jí)泵站系統(tǒng)中各臺(tái)水泵機(jī)組的工作流量Qi、揚(yáng)程Hi和輸入的平均功率Pi求得多級(jí)泵站系統(tǒng)的實(shí)際裝置效率,計(jì)算公式為:
而多級(jí)泵站系統(tǒng)實(shí)際的能源單耗es可根據(jù)式(1)求得,提水至不同高度的能耗系數(shù)KEs可根據(jù)式(2)求得。
以兩個(gè)系統(tǒng)分別工作時(shí)間長(zhǎng)度T1和T2為例,各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際裝置效率由式(18)計(jì)算,分別為ηs1和ηs2。將兩個(gè)工作不同時(shí)長(zhǎng)的系統(tǒng)假設(shè)為工作時(shí)間T1+T2的系統(tǒng),根據(jù)能量守恒,對(duì)于假設(shè)的系統(tǒng)有如下公式成立。
其中:
則:
對(duì)于有n個(gè)不同系統(tǒng)工作不同時(shí)段時(shí),有:
根據(jù)式(1)可計(jì)算確定此種情況的能源單耗,而能耗系數(shù)對(duì)這種情況無明顯的物理意義,可不予以考慮。
東雷抽黃工程采取無壩引水,分區(qū)分級(jí)的抽水辦法,由一級(jí)站把黃河水提入總干渠,沿總干渠自北向南構(gòu)成東雷、新民、烏牛、加西4 個(gè)塬上灌溉系統(tǒng),總裝機(jī)功率達(dá)11.86 萬kW,是大型引黃泵站系統(tǒng)。新民系統(tǒng)共設(shè)6 個(gè)抽水站,裝機(jī)27 臺(tái),功率達(dá)23 005 kW,累計(jì)最大揚(yáng)程達(dá)290 m 以上,整個(gè)系統(tǒng)包括新民二級(jí)站,東洼三級(jí)站,黑池四級(jí)站,坡里五級(jí)站,申莊六級(jí)站以及西王莊七級(jí)站。圖3為新民系統(tǒng)多級(jí)泵站系統(tǒng)圖及2019年冬灌T1、T2時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)1、系統(tǒng)2中水泵實(shí)際運(yùn)行圖,可以看出各級(jí)泵站不同的水泵運(yùn)行會(huì)組成不同的多級(jí)泵站系統(tǒng),其固有能耗參數(shù)隨系統(tǒng)不同而不同,但對(duì)固定的系統(tǒng),由于首級(jí)提水流量一般變化幅度非常小,認(rèn)為其不變,則其固有能耗參數(shù)為一定值。
表1和表2分別為運(yùn)用多級(jí)泵站系統(tǒng)能耗計(jì)算公式對(duì)圖3所示新民多級(jí)泵站系統(tǒng)2019年冬灌T2時(shí)段(48 h)系統(tǒng)2中各級(jí)泵站和系統(tǒng)能耗的計(jì)算結(jié)果;表3計(jì)算了工作時(shí)間為T1、T2系統(tǒng)1、2實(shí)際能耗參數(shù)及在T1+T2時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)的實(shí)際能耗參數(shù)。
表1 2019年東雷抽黃工程T2時(shí)段內(nèi)新民系統(tǒng)各級(jí)泵站實(shí)測(cè)參數(shù)表Tab.1 Measured parameters of pump stations at all levels of Xinmin system during T2 period of Donglei irrigation Project in 2019
圖3 新民多級(jí)泵站系統(tǒng)圖及T1、T2計(jì)算時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)1、2的水泵實(shí)際運(yùn)行圖Fig.3 Xinmin multi-stage pumping station system diagram and the actual operation diagram of the pumps of systems 1 and 2 during the calculation period of T1 and T2
表2 T2時(shí)段內(nèi)各級(jí)泵站子系統(tǒng)及多級(jí)泵站系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和能耗計(jì)算結(jié)果表Tab.2 Table of measured data and energy consumption calculation results of various pump station subsystems and multi-stage pump station systems during the T2 period
表3 T1、T2時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)1、2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和T1+T2內(nèi)新民系統(tǒng)實(shí)際能耗計(jì)算結(jié)果表Tab.3 Table of actual measurement data of systems 1 and 2 during T1 and T2 and actual energy consumption calculation results of Xinmin system in T1+T2
由表1可以看出,多級(jí)泵站系統(tǒng)中各單臺(tái)水泵機(jī)組的能耗參數(shù)與實(shí)際能耗參數(shù)相同;表2顯示,相同揚(yáng)程并聯(lián)的水泵機(jī)組按照本文推導(dǎo)的能耗參數(shù)計(jì)算方法與實(shí)際能耗參數(shù)計(jì)算結(jié)果一致,說明此時(shí)系統(tǒng)的固有能耗參數(shù)與實(shí)際能耗參數(shù)相同。但是,對(duì)于不同揚(yáng)程并聯(lián)的西王莊七級(jí)站和整個(gè)新民系統(tǒng),實(shí)際能耗參數(shù)與第2 節(jié)中推導(dǎo)的固有能耗參數(shù)結(jié)果不一致,系統(tǒng)固有能耗參數(shù)小于實(shí)際能耗參數(shù)。這是因?yàn)楸疚耐茖?dǎo)的多級(jí)泵站系統(tǒng)固有能耗將首級(jí)泵站的流量從下游輸送到上游的能量利用率,而實(shí)際工作的泵站在每一級(jí)都有分流,高一級(jí)泵站提升的水量小于首級(jí)泵站提水量。通常泵站的規(guī)模隨著級(jí)數(shù)的提高,規(guī)模也逐漸減小,其泵站的裝置效率逐漸降低,也就意味著實(shí)際工作中裝置效率高的泵站提水量大,裝置效率低的泵站提水量小,因此會(huì)出現(xiàn)新民多級(jí)泵站系統(tǒng)的實(shí)際裝置效率高于固有裝置效率。
經(jīng)推導(dǎo)分析,固有能耗參數(shù)與實(shí)際能耗參數(shù)有如下關(guān)系,對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)而言,Qn<…<Q2<Q1,通常有ηi<η1,固有裝置效率為系統(tǒng)的最小裝置效率。反之,如果出現(xiàn)ηi>η1,則實(shí)際工作裝置效率有可能小于固有裝置效率。對(duì)H1≤H2≤…≤Hn的并聯(lián)機(jī)組而言,如果ηi<ηn,推導(dǎo)的固有裝置效率為最小的裝置效率;反之,如果出現(xiàn)ηi>ηn,就有可能出現(xiàn)實(shí)際工作裝置效率小于固有裝置效率。對(duì)于不同系統(tǒng)工作不同時(shí)間的情況,其能耗參數(shù)與各系統(tǒng)的工作時(shí)間有關(guān),因此,只計(jì)算實(shí)際能耗參數(shù)即可。
調(diào)查發(fā)現(xiàn),泵站在實(shí)際運(yùn)行管理中有時(shí)采用系統(tǒng)的實(shí)測(cè)總功率(總耗電量)、首級(jí)泵站的流量和多級(jí)泵站系統(tǒng)總揚(yáng)程計(jì)算系統(tǒng)能耗,計(jì)算的值偏小,裝置效率偏高。新民系統(tǒng)若采用這種方法計(jì)算,得出的裝置效率為105.3%,與物理規(guī)律不符,這種計(jì)算方法有誤,不能作為應(yīng)用參考依據(jù)。
水泵機(jī)組或多級(jí)泵站系統(tǒng)的能耗參數(shù)可以作為水泵運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo),進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)于參數(shù)異常的水泵機(jī)組要及時(shí)檢修和查找原因,確保多級(jí)泵站系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。比如,新民系統(tǒng)中的東洼三級(jí)站,額定參數(shù)相同的三臺(tái)水泵機(jī)組(3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào))同時(shí)運(yùn)行時(shí),能源單耗差異明顯,說明能源單耗高的水泵存在一定的問題,要及時(shí)檢修查找原因。黑池四級(jí)站也存在同樣的問題。西王莊七級(jí)站已運(yùn)行20 多年,尚未改造,機(jī)組運(yùn)行效率低,能源單耗遠(yuǎn)大于《泵站技術(shù)改造規(guī)程》[20]中規(guī)定的5 kWh/(kt·m),因此要及時(shí)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。另外,可以利用計(jì)算的多級(jí)泵站系統(tǒng)固有能耗的最小值或者裝置效率的最大值作為確定多級(jí)泵站系統(tǒng)最高效運(yùn)行的水泵組合方式的方法。
本文根據(jù)運(yùn)行中測(cè)得水泵的平均輸入電功率、流量和揚(yáng)程計(jì)算的單級(jí)和多級(jí)泵站系統(tǒng)的裝置效率沒有考慮輸水過程中的流量和水頭損失,因此得到的系統(tǒng)裝置效率偏高。事實(shí)上,多級(jí)泵站系統(tǒng)真實(shí)的總效率應(yīng)為用水終端得到的水量和提水高度作為有效功率的計(jì)算參數(shù),但是,輸水過程中的流量和水頭損失難于實(shí)時(shí)測(cè)量,因此灌區(qū)管理部門可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或者實(shí)際測(cè)量參數(shù)對(duì)文中計(jì)算的裝置效率做適當(dāng)修正后,再作為水價(jià)制定、政府補(bǔ)貼和節(jié)能改造的依據(jù)。
(1)在充分考慮多級(jí)泵站系統(tǒng)中的所有工作組合方式后,推導(dǎo)了多級(jí)泵站系統(tǒng)能耗的計(jì)算方法,包括系統(tǒng)的固有能耗參數(shù)和實(shí)際能耗參數(shù)。對(duì)于一個(gè)固定的多級(jí)泵站系統(tǒng)來說,系統(tǒng)的固有裝置效率為一定值,通常小于實(shí)際裝置效率。
(2)能耗參數(shù)可以作為水泵機(jī)組或者多級(jí)泵站系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和節(jié)能改造的依據(jù)。泵站管理者可根據(jù)固有能源單耗最小的原則,對(duì)泵站系統(tǒng)中運(yùn)行的不同水泵組合進(jìn)行計(jì)算,確定最優(yōu)的提水調(diào)度方案。
(3)推導(dǎo)的多級(jí)泵站系統(tǒng)的能耗參數(shù)的計(jì)算公式,是以水泵機(jī)組的工作參數(shù)計(jì)算的,主要用于分析水泵機(jī)組系統(tǒng)的能耗情況,沒有考慮系統(tǒng)中輸水過程的損失,計(jì)算的效率偏高,能耗偏低,若需要整個(gè)灌區(qū)抽水系統(tǒng)的實(shí)際效率應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加以修正。 □