鄭錄艷，黃正財(cái)，范小娟

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 概述

“十二五”以來，我國能源供需形勢(shì)日益嚴(yán)峻，完成節(jié)能目標(biāo)任務(wù)更加艱巨，大氣污染防治壓力繼續(xù)加大。節(jié)能降耗是當(dāng)今中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最緊迫的任務(wù)之一。國家陸續(xù)出臺(tái)一系列措施，控制能源消費(fèi)總量，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，確保實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)，助力建設(shè)美麗中國。

泵類被列入“電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程”，泵的用電量占全國用電量的20.9%。而提水泵站是水泵的主要應(yīng)用場(chǎng)所。降低泵站的能源消耗，已成為中國實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要措施。國內(nèi)外很多學(xué)者在泵站節(jié)能方面做了大量的研究[1-10]，但關(guān)于水泵能耗計(jì)算研究卻較少。而在評(píng)價(jià)一個(gè)泵站是否節(jié)能之前應(yīng)該對(duì)其能耗、能耗指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。因此，如何準(zhǔn)確計(jì)算提水泵站的水泵電耗，顯得十分重要，本文就此進(jìn)行研究。

本文對(duì)基于泵站參數(shù)的水泵電耗計(jì)算方法進(jìn)行探討，不僅是為了準(zhǔn)確計(jì)算泵站電能消耗，更將計(jì)算公式中各個(gè)影響因子意義對(duì)應(yīng)到泵站設(shè)計(jì)方案的各個(gè)環(huán)節(jié)中，指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)選型工作、把節(jié)能思想融入其中，降低泵站電能消耗，從源頭上使得各泵站都能在建成后節(jié)能高效運(yùn)行。

2 水泵電耗計(jì)算基礎(chǔ)公式分析

在前期設(shè)計(jì)中，為了評(píng)價(jià)提水泵站的各項(xiàng)能效指標(biāo)，需要計(jì)算提水泵站的水泵電耗。水泵電耗用э 表示，基礎(chǔ)公式為:

э=P·t

(1)

式中P為水泵的功率，即原動(dòng)機(jī)傳給泵的功率，又稱軸功率，kW;t為水泵運(yùn)行時(shí)間,h。

公式(1)的組成比較簡單、直觀，即軸功率為P(kW)的水泵運(yùn)行時(shí)間t(h)消耗的電能э(kW·h)，該公式應(yīng)用到流量、揚(yáng)程穩(wěn)定的水泵時(shí)計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確的。但實(shí)際應(yīng)用中，特別是水庫工程，取水水泵的抽水過程中的流量、揚(yáng)程常常是不斷變化且幅度較大。相應(yīng)的軸功率是1個(gè)變值，二者之間變化情況可由水泵性能曲線得知。對(duì)于單臺(tái)水泵，隨著揚(yáng)程增大時(shí)其流量在減少，而軸功率隨著流量加大也隨之發(fā)生變化，總體呈上升趨勢(shì)。

電機(jī)功率選配時(shí)一般按水泵最大軸功率考慮。水泵運(yùn)行過程中，電壓的波動(dòng)和水泵轉(zhuǎn)速的變化，也會(huì)引起軸功率變化，水泵和電動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)中的允許誤差、機(jī)組在長期運(yùn)行后水泵與管道特性的變化、水源泥沙含量的變化、水泵填料過緊及其其他條件的變化等，都可引起水泵軸功率的增加，使電動(dòng)機(jī)發(fā)生超負(fù)荷現(xiàn)象，故電機(jī)選配時(shí)需考慮一定的備用系數(shù)[11](一般取1.05～1.1)。在計(jì)算年耗電量時(shí)一般取1 a進(jìn)行計(jì)算，由此計(jì)算電能值顯然偏大。

3 水泵電耗計(jì)算衍生公式推導(dǎo)過程及分析

3.1 衍生公式

水泵電耗計(jì)算的衍生公式最早由蘇聯(lián)B.Φ.切巴耶夫斯基等學(xué)者提出，但由于公式組成較為專業(yè)，等式右邊參數(shù)量綱與電能單位需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，很多水力機(jī)械初學(xué)者對(duì)其組成未能完全理解。本文對(duì)其進(jìn)行梳理、分析，便于理解并推廣應(yīng)用。

提水泵站水泵電耗衍生計(jì)算公式[12]為：

(2)

式中H為泵的揚(yáng)程，m；W為抽水裝置在工作時(shí)間內(nèi)抽送水的體積，即提水量，m3；ηΗ.y為水泵效率、電機(jī)效率、動(dòng)力變壓器及電纜效率、動(dòng)力機(jī)與泵之間傳動(dòng)裝置效率之積。

ηΗ.y=ηηΠBηCηnep

(3)

式中η為水泵效率；ηΠB為電機(jī)效率；ηC動(dòng)力變壓器及電纜效率，一般取0.96～0.98；ηnep為動(dòng)力機(jī)與泵之間傳動(dòng)裝置效率，水泵與電機(jī)一般為剛性聯(lián)結(jié)，ηnep值取1。

3.2 衍生公式來源分析

水泵是能量轉(zhuǎn)換的機(jī)械，把動(dòng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)換給被抽送的液體(水泵運(yùn)行原理及泵站管理)，而動(dòng)力機(jī)機(jī)械能一般由電能轉(zhuǎn)換而來。水泵提水的過程實(shí)際為能量轉(zhuǎn)換的過程，即電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能和動(dòng)能的過程，能量方程[13]見式(4)，工藝流程示意見圖1。

圖1 工藝流程示意

(4)

式中H為水泵揚(yáng)程，m;z1、p1、v1分別為水泵進(jìn)口斷面位置水頭,m；絕對(duì)壓強(qiáng),mH2O；流速,m/s；z2、p2、v2分別為水泵出口斷面位置水頭,m；絕對(duì)壓強(qiáng),mH2O；流速,m/s；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

1) 水泵的輸出功率Pu：單位時(shí)間內(nèi)流過水泵的液體從水泵獲得的能量[13]

(5)

式中ρ為水的密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2;Q為水泵的流量，m3/s;H為水泵的揚(yáng)程，m。

2) 水泵的輸入功率Pa：動(dòng)力機(jī)械傳遞給水泵的能量

3) 水泵提水過程即是電能轉(zhuǎn)為勢(shì)能的過程

Pu=PaηΗ.y

(6)

由式(5)(6)可得:

(7)

4) 衍生公式推導(dǎo)

由式(1)(7)可得:

(8)

(9)

由式(8)(9)即可得到式(2)。

4 計(jì)算實(shí)例

某工程年提水量為2 360萬m3,提水流量為0.898 m3/s(日變化系數(shù)為1.2)，所選水泵泵型為單級(jí)雙吸臥式離心泵，水泵電機(jī)通過聯(lián)軸器剛性連接。單泵流量為0.449 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為128.50 m，揚(yáng)程范圍為114.50～131.50 m，配套電機(jī)功率為900 kW，工作泵2臺(tái)。水泵設(shè)計(jì)點(diǎn)效率為85%，電動(dòng)機(jī)效率為96%。水泵性能曲線如圖2所示。

分別用基礎(chǔ)公式和衍生公式對(duì)水泵電能進(jìn)行計(jì)算：

1) 用基礎(chǔ)公式計(jì)算水泵電耗

由圖2可知，水泵軸功率范圍為650～804 kW，配套電機(jī)功率取值900 kW合理，水泵運(yùn)行小時(shí)按全年運(yùn)行取值。運(yùn)行過程中軸功率是1個(gè)變值，且各個(gè)階段出現(xiàn)頻率尚不能確定，故若采用基礎(chǔ)公式對(duì)水泵電耗進(jìn)行計(jì)算時(shí)常規(guī)帶入配套電機(jī)功率：

圖2 水泵性能曲線示意

э=P·t=2×900×8 760=1 576.80萬kW·h 。

2) 用衍生公式計(jì)算水泵電耗

泵站布置、選型確定后揚(yáng)程、年提水量、機(jī)組效率等參數(shù)即確定后可應(yīng)用衍生公式對(duì)水泵電耗進(jìn)行計(jì)算(本工程取ηC=0.97)。

由式(3)可得：

ηΗ.y=0.85×0.96×0.97×1=0.791 52 。

代入式(2)即可算得水泵電耗：

3) 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2種計(jì)算方法的結(jié)果對(duì)比見表1，由表1可知：① 采用基礎(chǔ)公式，帶入配套電機(jī)功率、運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到的數(shù)據(jù)偏大；② 采用衍生公式，代入泵站揚(yáng)程、年提水量、各關(guān)鍵設(shè)備效率進(jìn)行計(jì)算更為準(zhǔn)確。

表1 計(jì)算結(jié)果對(duì)比 萬kW·h

水泵電耗計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確，不僅影響前期設(shè)計(jì)工作中對(duì)泵站運(yùn)行成本的估算還會(huì)影響對(duì)提水泵站進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)。水泵電耗計(jì)算結(jié)果直接影響關(guān)鍵指標(biāo)單位提水揚(yáng)程電耗的計(jì)算，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[14]要求，單位提水揚(yáng)程電耗應(yīng)不大于4.53 (kW·h)/(kt·m),若計(jì)算值不夠準(zhǔn)確，將直接導(dǎo)致該泵站節(jié)能評(píng)價(jià)不滿足要求。

5 節(jié)能思考

采用衍生公式對(duì)提水泵站的水泵電耗進(jìn)行計(jì)算的意義不僅在于其計(jì)算數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確、接近實(shí)際電耗數(shù)值，更在于可以將公式中各個(gè)影響因子對(duì)應(yīng)到泵站設(shè)計(jì)方案的各個(gè)環(huán)節(jié)中,指導(dǎo)前期設(shè)計(jì)選型工作、節(jié)能融入思想,為各泵站建成后節(jié)能高效運(yùn)行。水泵提水的過程實(shí)際為能量轉(zhuǎn)換的過程，即電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能和動(dòng)能的過程。泵站能量轉(zhuǎn)換平衡示意見圖3。

圖3 泵站能量轉(zhuǎn)換平衡示意

從工藝流程前端(勢(shì)能、動(dòng)能角度)看，影響提水泵站電耗的主要因素包括取水點(diǎn)、提水量、受水點(diǎn)位置、輸水系統(tǒng)沿程損失等。結(jié)合地形地質(zhì)條件合理選擇取水點(diǎn)、結(jié)合用戶端需求資料合理測(cè)算提水量、依據(jù)受水對(duì)象分布情況合理選擇出水池高程等決定了參與水泵電耗計(jì)算主要因素即流量、揚(yáng)程的合理性。前三者確定后所需重力勢(shì)能基本確定，如何在保證功能性的條件下盡量降低所需的重力勢(shì)能呢？工程的布置方案中進(jìn)、出水池選擇、管線走向選擇、管材選擇、管徑選擇均較為重要。

合理選擇泵站進(jìn)、出水池，直接影響泵站提水揚(yáng)程的大小，在滿足受水區(qū)需求的前提下，合理選擇高位水池體現(xiàn)了工程布置方案的節(jié)能思想；另外管線走向、管材、管徑的合理選擇可使輸水管線沿程損失最小化，也是降低泵站提水揚(yáng)程重要因素。

從工藝流程前端(電能角度)看，一個(gè)提水泵站在滿足提水量、提水揚(yáng)程的的條件下盡量降低所需的電能，提水泵站的水泵、電機(jī)效率、電機(jī)的運(yùn)行方式、接入系統(tǒng)的選擇、變壓器的選擇均為重要。

水泵、電機(jī)、變壓器等關(guān)鍵設(shè)備選擇時(shí)應(yīng)依據(jù)相關(guān)節(jié)能規(guī)范[15-17]，選擇能效水平較高的產(chǎn)品。水泵選擇時(shí)效率節(jié)能評(píng)價(jià)值的計(jì)算，首先根據(jù)水泵單泵流量查出節(jié)能效率的基準(zhǔn)值，然后依據(jù)不同泵型式計(jì)算其比轉(zhuǎn)速，查得效率修正值，最后計(jì)算得到本工程水泵的節(jié)能效率評(píng)價(jià)值，所選水泵效率不得低于該值。電機(jī)的節(jié)能等級(jí)一般分為節(jié)能1、2、3級(jí)，在經(jīng)濟(jì)條件允許情況下應(yīng)盡量選擇1級(jí)能效產(chǎn)品，嚴(yán)禁選用淘汰產(chǎn)品。變壓器選擇時(shí)應(yīng)盡量選擇滿足能效限定值和節(jié)能評(píng)價(jià)值要求新型節(jié)能高效產(chǎn)品。

6 結(jié)語

1) 在前期設(shè)計(jì)工作時(shí)采用衍生公式計(jì)算提水泵站的水泵電能更為準(zhǔn)確。

2) 提水泵站水泵電耗涉及因素包括進(jìn)、出水池位置選擇、管線走向選擇、管材選擇、管徑選擇、水泵電機(jī)效率、機(jī)組運(yùn)行方式、接入系統(tǒng)的選擇、變壓器的選擇等。在前期各階段設(shè)計(jì)工作時(shí)應(yīng)將影響能耗的各大要素融入。在泵站設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合比較時(shí)，考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)的同時(shí)也要著重考慮節(jié)能因素。