范嘉維

（肇慶市鼎湖區(qū)機(jī)電排灌管理站，廣東 肇慶 526070）

1 引言

20世紀(jì)60年代以來，隨著泵站效率和能耗的長期深入研究，形成了完整的理論體系。在泵站工程規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)研究中，人們只關(guān)注泵、泵組或泵站的效率，泵組件僅包含泵扇形區(qū)和進(jìn)出口通道或管道[1]。泵站效率等于電動機(jī)效率、傳動效率、泵組效率和進(jìn)出水池效率的乘積。研究范圍擴(kuò)大，但泵站效率不能充分反映泵站的整體效率和泵站系統(tǒng)的總能量經(jīng)濟(jì)性能。研究大型泵站系統(tǒng)的能耗和節(jié)能潛力，可以提高泵站系統(tǒng)的設(shè)計水平，充分發(fā)揮工程效率，將帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[2，3]。

2 泵站系統(tǒng)

大型泵站的能耗設(shè)備和流量設(shè)施通常包括主泵、電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、進(jìn)出口通道及其附件、前池和出水池。事實上，為了輸水，其他機(jī)電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)（如油、氣、水輔助設(shè)備、起重機(jī)、攔污柵、清污設(shè)備）和照明設(shè)備也是必不可少的。以上為泵站能耗設(shè)備及設(shè)施。從更廣泛的角度來看，一方面需要特殊的輸電設(shè)施來提供大量的能源。另一方面，水源水要通過河流或管道輸送到目的地一定距離。因此，從制度上看，要完成從水源地到目的地的調(diào)水任務(wù)，輸電、泵站和輸水設(shè)施要齊心協(xié)力。

2.1 能耗分析

按照能量轉(zhuǎn)移順序，能量從外部的變電站通過專用高壓輸電線路轉(zhuǎn)移到泵站的主變電站，然后沿供電電纜轉(zhuǎn)移到主電機(jī)和輔助設(shè)備等。因此，對于泵站系統(tǒng)，一部分功率是有用的有效功率，另一部分功率轉(zhuǎn)化為傳輸損耗、變壓器損耗、變頻損耗、電機(jī)損耗、傳輸機(jī)構(gòu)損耗、主泵損耗、通道損耗、水池?fù)p耗、廠用變壓器損耗、輔助設(shè)備能耗、輸水損耗等。

2.2 有效功率

對于泵站系統(tǒng)，假定源水位為z0（m），源流量為Q0（m3/s），目 的 水 位 為z1（m），目 的 流 量 為Q1（m3/s），則有效功率Pe（W）為：

式中，ρ為水的密度，kg/m3；

g是重力加速度，m/s2。

2.3 輸水渠道能量損失

在河道或河流的輸水過程中，不可避免地會產(chǎn)生水損失和水力損失。水損失和水力損失是由泵站提供的外部工程損失。河流因滲漏和蒸發(fā)造成的水量損失，是指起始側(cè)總流量與末端側(cè)凈流量之差。河流或河道的水頭損失是指起始側(cè)和終止側(cè)的水頭差。因此，河流或河道的能量損失是相應(yīng)起始側(cè)和結(jié)束側(cè)之間的功率差。

2.4 泵站能耗

(1)池塘和通道的能量損失。當(dāng)水流經(jīng)過泵站前后的前池和出水池時，由于水流面積的減小和擴(kuò)散，會產(chǎn)生局部漩渦和水流脫落，造成水頭損失。其值等于泵總成揚程減去泵站揚程。當(dāng)水通過進(jìn)出口通道時，由于轉(zhuǎn)彎、斷面形狀變化和水泵的影響，斷面流速分布不均，會產(chǎn)生非軸流、規(guī)則流和附加水頭損失。同時，流型也會影響泵和泵總成的性能。

(2)泵的能量損失。在泵軸功率傳遞過程中，要克服機(jī)械損失、水力損失和容積損失。泵效是衡量泵性能的重要技術(shù)指標(biāo)。

(3)傳動機(jī)構(gòu)的能量損失。如果驅(qū)動裝置直接連接泵和電機(jī)，則傳動機(jī)構(gòu)中沒有能量損失。齒輪傳動箱在使用過程中會產(chǎn)生能量損失，主要是由于齒輪嚙合的摩擦損失、攪拌潤滑油的阻力損失和軸承的摩擦損失。齒輪箱傳動效率與傳動比、電機(jī)轉(zhuǎn)速和傳動功率有關(guān)，一般為96%～98%。

(4)電機(jī)能量損失。電動機(jī)的能量損耗包括鐵損耗、銅損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗。電機(jī)效率與功率因數(shù)和負(fù)載率有關(guān)，平均值為92%～95%。

(5)變頻器能量損耗。變頻器的能量損耗包括整流損耗、逆變損耗和控制電路損耗。其中，前兩項約占虧損總額的90%。在一定頻率下，負(fù)載電流對變頻器的損耗起著決定性的作用。

(6)站內(nèi)能耗。站內(nèi)用電設(shè)備主要為輔助設(shè)備，保證主泵正常工作。通常包括勵磁變壓器、給水泵、排水泵、風(fēng)機(jī)、壓力油泵、空壓機(jī)、攔污柵及清污設(shè)備、照明設(shè)備等。這些設(shè)備中，有的連續(xù)運行，有的間歇運行，運行時間也不同。因此，在不同的時間間隔，功耗是不同的。同時，不同泵站的輔助設(shè)備及其運行方式也不盡相同。

2.5 輸電能量損失

（1）變壓器損耗。在實際運行條件下，變壓器損耗額定為空載損耗Pkz和負(fù)載損耗Pfz，在額定條件和實際容量S下，即：

式中：Se是變壓器的額定容量，kVA。

變壓器效率ηb是變壓器輸出功率與輸入功率之比，即：

式中：β是變壓器的負(fù)載率，β=S/Se。

（2）傳輸損耗。輸電損耗與電流、電纜長度、電纜材料、截面積等參數(shù)有關(guān)。輸電電纜分為兩部分。一部分由廠外變電所至主變電所，另一部分由主變電所至站內(nèi)主電機(jī)等電氣設(shè)備。

3 泵站系統(tǒng)節(jié)能途徑設(shè)計與選擇分析

（1）輸水渠道。選擇河道時，要求河道平、直、短、彎道少、斷面經(jīng)濟(jì)、土質(zhì)好，以減少水土流失。盡量利用現(xiàn)有河流減少土方量。新建渠道應(yīng)考慮對周邊環(huán)境和建筑物的影響。因此，有必要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個方面對既有渠道與新挖渠道進(jìn)行比較。

（2）前池和出水池。前池和出水池的形狀和尺寸設(shè)計應(yīng)合理，否則會引起漩渦、回流、壁面脫落等不良水力現(xiàn)象，導(dǎo)致前池和出水池效率降低。

（3）入口和出口通道。進(jìn)出口通道的設(shè)計對工程投資、運行費用和節(jié)能降耗具有重要影響。流線應(yīng)平滑均勻變化，流速應(yīng)經(jīng)濟(jì)。增大斷面面積，不僅可以降低流動阻力，而且可以降低能耗和年運行費用，但一次性投資會增加。相反，如果截面面積減小，則流動阻力和功耗會增加，但投資會減少。因此，通道的設(shè)計應(yīng)短、彎頭少、粗糙度低、不必要的附件少。

（4）泵的選擇。根據(jù)泵的性能曲線和進(jìn)出口通道特性曲線，對泵的工作參數(shù)進(jìn)行平均、最高和最低揚程的校核。要求泵站在平均揚程下高效運行，在最高揚程和最低揚程下安全穩(wěn)定運行。對于揚程和流量變化較大的泵站，應(yīng)根據(jù)不同的輸水目標(biāo)配置水泵葉片或調(diào)速機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)運行工況。

（5）電機(jī)選擇。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與泵相接時，可采用直接驅(qū)動。當(dāng)泵的運行方式變化較大，電機(jī)不能調(diào)速時，應(yīng)采用間接傳動。如果電動機(jī)的備用系數(shù)過大，其效率就會降低。同時，電機(jī)的功率因數(shù)會降低，導(dǎo)致輸電線路和變壓器損耗增加。備用系數(shù)也不宜太小，否則電機(jī)會過載運行，縮短其使用壽命。

（6）調(diào)節(jié)模式選擇。對于所有的葉片泵，其工作負(fù)荷可以通過調(diào)節(jié)頻率來調(diào)節(jié)。但是變頻裝置很貴，從控制方式、安裝、電壓等級、調(diào)速范圍、精度等方面進(jìn)行分析，變頻裝置的容量應(yīng)不大于過載能力。對于帶有葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的泵，其工作職責(zé)可以通過調(diào)整葉片角度來調(diào)節(jié)。對于不同的葉片調(diào)節(jié)方式，其調(diào)節(jié)功能、結(jié)構(gòu)、成本、可靠性和調(diào)節(jié)力都不盡相同。對于具體的泵站和泵型，應(yīng)綜合考慮多種因素，選擇合適的調(diào)節(jié)方式。

（7）輸電。對于高壓、輸電距離較短的泵站，高壓線路可直接從廠外變電所接入。否則，需要單獨建設(shè)變電站。

輸電線路的功率損耗與輸電方式、電壓等級、電流、電阻和電纜長度有關(guān)。假定所有機(jī)組均在額定功率下運行，電機(jī)效率95%，功率因數(shù)0.9，泵站房內(nèi)2臺800 kVA變壓器滿負(fù)荷運行，計算出不同送電方式和電壓等級下的輸電線路損耗，并對其進(jìn)行了計算，結(jié)果見表1。

表1 不同傳輸方式和供電電壓等級下的傳輸線損耗

由表1可知，110 kV架空線路的輸電損耗與供電電壓無關(guān)，與線路電阻、線路長度和泵站系統(tǒng)負(fù)荷有關(guān)。對于電纜傳輸，損耗與電源電壓有關(guān)。電壓等級越高，損耗越小。110 kV架空線路的輸電損耗是6 kV架空線路的0.003倍，是6 kV或10 kV電纜的0.065倍或0.181倍。為了減少輸電損耗，輸電線路不能太長。

由于架空線路采用裸電線，在不考慮絕緣情況下，架空線路價格低于電纜。在架空線路的高壓走廊下，禁止修建經(jīng)常有人走動的建筑物。電纜運行可靠，無需維護(hù)和桿塔。因此，對于高價值土地，有必要從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面考慮選擇電纜或架空線路。

選擇變壓器時，實際負(fù)荷應(yīng)接近設(shè)計的最佳負(fù)荷。一般情況下，變壓器的負(fù)載率為60%～70%。大容量將增加輸電線路的損耗。如前所述，在一定負(fù)載率下，Pkz和Pfz越小，效率越高。

4 經(jīng)營管理

（1）輸水渠道。輸水損失與河流長度、斷面尺寸、形狀、糙率、岸坡植被、流量、土壤等因素有關(guān)。為減少渠道失水，應(yīng)加強(qiáng)渠道管理，減少孔口、裂縫和滲漏。對于土質(zhì)不良的渠道，應(yīng)采取加固措施。對于泥沙嚴(yán)重的河道，應(yīng)進(jìn)行疏浚，以減少水力損失。

（2）變壓器運行。對于給定的變壓器，Pkz和Pfz的值是確定的，效率ηb由負(fù)載率β決定。在式（3）中，取帶β的導(dǎo)數(shù)，使之等于零，則，即當(dāng)負(fù)載損耗等于空載損耗時，變壓器效率最高。在實際運行中，通過合理調(diào)整變壓器負(fù)荷可提高效率。

以某大型泵站為例，變壓器安裝方案有兩種，一種為2萬kVA變壓器（4臺電動機(jī)供電），另一種為2萬kVA變壓器（每臺變壓器2臺電動機(jī)供電）。由于10 000 kVA變壓器損耗的額定損耗小于20 000 kVA變壓器，當(dāng)負(fù)載小于3 524.5 kW時，10 000 kVA變壓器的效率高于20 000 kVA變壓器。相反，當(dāng)負(fù)荷大于3 524.5 kWW時，10 000 kVA變壓器的效率低于20 000 kVA變壓器。

變壓器損耗見表2，可以看出，對于運行功率較小的泵站，小容量變壓器損耗較低，小容量變壓器比較合適。另外，對于運行功率較大的泵站，大容量變壓器損耗較低，適合采用大容量變壓器。

表2 兩種變壓器損耗單位：kW

（3）最佳操作。對于大型泵站，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)泵的工作負(fù)荷；對于葉片可調(diào)的軸流泵，可以通過調(diào)節(jié)葉片角度來調(diào)節(jié)泵的工作負(fù)荷。以泵組效率最高或機(jī)組運行費用最低為目標(biāo)，與設(shè)計方案相比，優(yōu)化運行方案的費用節(jié)省2%～9%。對于包括輸水渠道和輸電設(shè)備在內(nèi)的泵站系統(tǒng)來說，優(yōu)化運行問題更為復(fù)雜，節(jié)能效果更為顯著。

5 結(jié)論

泵站系統(tǒng)由輸電、泵站和供水設(shè)施組成。系統(tǒng)的能耗、節(jié)能效果和方式與系統(tǒng)中的設(shè)備設(shè)施有關(guān)。在泵站設(shè)計中，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，合理選擇水渠、前池、出水池、進(jìn)出水渠、水泵、電動機(jī)、驅(qū)動方式、調(diào)功方式、變壓器、輸電方式和電壓等級。在運行管理中，通過合理調(diào)整運行職責(zé)，使系統(tǒng)輸入功率最小。