沈強(qiáng)儒，張建國，曹 慧，呂玉婷，楊 帆

(1.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，江蘇 南通 226019； 2.南通市通州區(qū)水利局，江蘇 南通 226399； 3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 引 言

小型泵站系統(tǒng)主要應(yīng)用于我國廣大農(nóng)村地區(qū)的灌溉工程，在推進(jìn)我國農(nóng)村地區(qū)農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，發(fā)揮著舉足輕重的作用。然而，在小型泵站系統(tǒng)的使用過程中，依然存在著許多問題[1-3]。例如，關(guān)鍵技術(shù)不成熟、配套設(shè)備不完善、管理維護(hù)不及時以及使用年限無標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定等[4-6]。除此之外，還存在更嚴(yán)重的系統(tǒng)損耗過高等問題，嚴(yán)重影響小型泵站系統(tǒng)的使用效率，從而造成大量能源的浪費[1,7]。

農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)包括三大部分：輸變電設(shè)施(輸電線路、主變壓器和配電線路等)、小型泵站(電動機(jī)、傳動裝置、水泵、進(jìn)出水管道和進(jìn)出水池及前池等)和輸水渠道(輸水渠道、涵洞等)[8-9]。農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)組成復(fù)雜，不合理的設(shè)備設(shè)計方案直接影響其工作效率。截至2019年底，我國已建成約70×104座農(nóng)村小型泵站，然而當(dāng)前小型泵站系統(tǒng)使用效率僅為50%～60%，這種現(xiàn)象造成嚴(yán)重的能源浪費和經(jīng)濟(jì)損失[4,10-12]。因此，提高農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)使用效率是當(dāng)前亟需解決的技術(shù)問題。應(yīng)當(dāng)全面研究小型泵站系統(tǒng)各部分組成能耗特性以及各環(huán)節(jié)對系統(tǒng)能耗和效率的影響，對整個泵站系統(tǒng)作出更優(yōu)化設(shè)計，這在提高系統(tǒng)運(yùn)行效率上具有重大意義[8-9,13]。我國農(nóng)村地區(qū)發(fā)展不平衡，資源和社會環(huán)境差異大，全面分析農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)(水泵、電動機(jī)、傳動裝置以及管道系統(tǒng)等)能耗，對于指導(dǎo)小型泵站節(jié)能改造方案的設(shè)計和提高系統(tǒng)節(jié)能改造成效來說具有重要的現(xiàn)實意義[8,14-16]。本文綜述了我國農(nóng)村小型泵站使用現(xiàn)狀，分析了導(dǎo)致其使用效率底的根本原因，并針對性地探討了農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，以期為我國農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)的設(shè)計和使用效率的提高提供借鑒。

1 農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)能量損耗分析

農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)由輸變電設(shè)備(輸電線路、主變壓器和配電線路等)、小型泵站(電動機(jī)、傳動裝置、水泵、進(jìn)出水管道和進(jìn)出水池及前池等)和輸水渠道(輸水渠道、涵洞、水鬧等)三大部分組成[6,16-19]。小型泵站工作過程中，線路傳輸和能量轉(zhuǎn)換等原因均會導(dǎo)致其組成部件發(fā)生能量損耗(輸電、變電和配電損耗功率等，見圖1和表1)，進(jìn)而導(dǎo)致小型泵站系統(tǒng)使用效率大打折扣[19-21]。

圖1 農(nóng)村小型泵站能量傳遞與損耗[25]

表1 小型泵站系統(tǒng)能量損耗[10,11,16,21-26]

續(xù)表1

2 農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)效率分析

農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)能量損耗為各部分損耗(水泵、電動機(jī)、管道系統(tǒng)和傳動裝置)之和，小型泵站系統(tǒng)能量損耗、泵站能耗和小型泵站總效率分別見式(1)-式(3)[11,16,18,25]：

(1)

ΔPbz=ΔPpo+ΔPra+ΔPp+ΔPpi+ΔPtm+ΔPmot+ΔPzn

(2)

(3)

式中，ΔP、ΔPbz和ηxt分別為小型泵站系統(tǒng)能量損耗(kW)、泵站能耗(kW)以及小型泵站總效率(%)；ΔPte、ΔPtf、ΔPtw、ΔPbz和ΔPtw分別為輸電線、變壓器、輸水渠和泵站能耗，kW；Qi為第i臺水泵流量，m3/s；n為工作水泵數(shù)量；Hst為泵站揚(yáng)程，m；ΔPpo、ΔPra、ΔPp、ΔPpi、ΔPtm、ΔPmot和ΔPzn分別為泵站前池、進(jìn)出水池、欄污柵、水泵、管路、電動機(jī)、站用電以及為電網(wǎng)向泵站輸送功率，kW。

3 農(nóng)村小型泵站節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)對農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)的能耗及效率分析，其節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)方案的設(shè)計主要從水泵、電動機(jī)、傳動裝置和管道系統(tǒng)4個組成部分著手，再結(jié)合泵站管理與節(jié)能，從整個泵站系統(tǒng)角度研究小型泵站系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)，為小型泵站節(jié)能改造方案的制定提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)，實現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益[6,12,18-19,27]。節(jié)能優(yōu)化要點分析見表2，技術(shù)流程圖見圖2。

表2 小型泵站節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)分析[11,16,25,28-33]

圖2 農(nóng)村小型泵站系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)流程圖

3.1 水泵節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

泵系統(tǒng)是小型泵站系統(tǒng)的核心組成，泵系統(tǒng)節(jié)能是實現(xiàn)小型泵站系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[25-26,28-29,32,34]。關(guān)于泵系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計，主要從以下幾個方面著手[10,11,24,32,35]：①水泵的合理選型[11,16]。選擇合理的水泵型號是確保泵系統(tǒng)高效運(yùn)行的前提，其型號包括立式污水泵、潛水排污泵和軸流泵等。水泵的選擇原則上在保證其揚(yáng)程與流量安全前提下，滿足排水需求和可持續(xù)高效運(yùn)行即可。另一方面，水泵選型后還要保證幾何安裝高度的合理性，避免受汽蝕因素影響而造成限制流量增加，導(dǎo)致水泵安裝效果達(dá)不到設(shè)計要求。②水泵運(yùn)行效率的提高[12,27]?？梢酝ㄟ^調(diào)整葉片安裝角改變水泵調(diào)速，進(jìn)而提高水泵運(yùn)行效率。③確保水泵淹沒的深度[36-37]。在水泵使用過程中，保證其淹沒深度，以保證水泵安全運(yùn)行。④定期檢查[22,28]，及時更換水泵磨損零部件等，以確保水泵長期安全運(yùn)行。

3.2 電動機(jī)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

電動機(jī)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計應(yīng)從以下3方面著手：首先，電動機(jī)調(diào)速技術(shù)可為水泵系統(tǒng)節(jié)能開辟新途徑，通過控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速適應(yīng)水量和水壓的變化，從而使水泵高效工作，達(dá)到節(jié)約能耗的目的[6,11,24-25,27]。水泵調(diào)速和流量的關(guān)系見圖3。常用的調(diào)速方式包括變極對數(shù)調(diào)速、變頻調(diào)速和可控硅串級調(diào)速等，在電動機(jī)節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計時應(yīng)注意檢測電動機(jī)內(nèi)外扇和負(fù)載機(jī)械的固有頻率，以及脈動轉(zhuǎn)矩的諧振，從而決定運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。其次，應(yīng)考慮離心力問題，對于調(diào)速頻繁和重復(fù)加速度設(shè)備，應(yīng)該嚴(yán)格計算材料疲勞極限和安全性。其工作特性見圖4。最后，應(yīng)該合理選擇電動機(jī)容量，其容量應(yīng)和水泵型號配套，采用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)線材料適當(dāng)增加電動機(jī)容量。

圖3 水泵調(diào)速和流量關(guān)系[4]

圖4 電動機(jī)工作特性[16]

3.3 傳動裝置節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

傳動方式的選擇是否合理直接影響傳動效率[5,25,28]，因此應(yīng)合理選擇小型泵站傳動裝置的傳動方式。當(dāng)前常用傳動裝置包括齒輪箱傳動、液力親合器傳動、聯(lián)軸器傳動和皮帶傳動等，然而由于齒輪傳動經(jīng)濟(jì)性較差以及液壓耦合傳動能耗大等缺陷，小型泵站一般選用皮帶傳動和聯(lián)軸器直接傳動方式。皮帶傳動節(jié)能應(yīng)考慮選擇提升皮帶、高負(fù)荷用楔式型皮帶以及低棱皮帶等節(jié)能型皮帶，另外還應(yīng)該合理選擇輪徑和皮帶松緊度。對于傳動方式的選取，當(dāng)轉(zhuǎn)速滿足水泵運(yùn)行時，應(yīng)選用直接傳動方式；若水泵工況變化較大，動力機(jī)無法滿足調(diào)速要求時，應(yīng)選用間接傳動方式。

3.4 管道系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計

管道是泵站的重要組成部分，在工程投資、運(yùn)行費用及節(jié)能方面均有較大影響[6,24-25]。首先，應(yīng)該合理控制管道管徑。管道阻力隨管徑增大而減少，耗電量和年運(yùn)行費用降低；相反，縮小管徑，則管道阻力增大，損耗增大。因此，應(yīng)選用新型管材，采用經(jīng)濟(jì)管徑，控制經(jīng)濟(jì)流速(1.5～2.5 m/s)。其次，應(yīng)該盡可能減少彎頭設(shè)置。進(jìn)水管、出水管的長度應(yīng)最大限度地縮短，減少彎頭，減小管道內(nèi)壁的粗糙度。管路附件的局部阻力系數(shù)很大，運(yùn)行時必然會消耗大量的能量。因此，應(yīng)盡量減少不必要的管路附件。最后，應(yīng)該保證管路的密封性，進(jìn)而提高管路效率。

3.5 規(guī)范泵站管理與節(jié)能

規(guī)范農(nóng)村小型泵站管理[4,11,16,25]：①泵站群級間的優(yōu)化組合運(yùn)行，首先以泵站為最小單元組合形式，以耗能最小的準(zhǔn)則建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用優(yōu)化運(yùn)行算法求解，最后根據(jù)優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果確定出最優(yōu)的泵站組合。②及時清除泵站系統(tǒng)內(nèi)污染物，由于小型泵站中存在大量污染物且其組成較為復(fù)雜，嚴(yán)重影響泵機(jī)組安全運(yùn)行和工作效率，應(yīng)定期檢查泵站系統(tǒng)內(nèi)是否存在污染物，并及時清理，防止污染物導(dǎo)致泵效率降低，或者導(dǎo)致電機(jī)過負(fù)荷產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)事故。③加快經(jīng)營管理體制的改革，積極推進(jìn)農(nóng)村機(jī)電排灌泵站管理體制以及運(yùn)行機(jī)制。④逐步建立產(chǎn)權(quán)清晰、權(quán)責(zé)明確、管理科學(xué)的機(jī)電排灌管理體制和良性運(yùn)行機(jī)制。⑤建立適應(yīng)泵站的管理體制，積極推行和完善經(jīng)營管理責(zé)任制，綜合推進(jìn)人事、工資、獎懲、財務(wù)等方面的改革，甚至可以引入競爭機(jī)制以提高泵站使用效率。

圖5所示的自律協(xié)調(diào)型責(zé)任管護(hù)推進(jìn)模式的主要內(nèi)涵是通過從農(nóng)民自身角度提高泵站工程的能耗節(jié)約和長期運(yùn)行，競爭機(jī)制的內(nèi)核是增強(qiáng)用戶節(jié)約的意識和主動性，突出從根源上解決能源浪費問題。

圖5 自律協(xié)調(diào)型責(zé)任管護(hù)推進(jìn)模式流程圖[25]

4 建 議

目前，隨著國家對能源政策的束緊以及農(nóng)村地區(qū)泵站節(jié)能需求的增長，對小型泵站系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計和規(guī)范泵站管理，是解決當(dāng)前農(nóng)村地區(qū)小型泵站能耗高的關(guān)鍵舉措。對此，提出以下具體建議：

1) 合理選型，確保系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型。泵站選型需要綜合考慮多因素，對其節(jié)能效果實施不斷完善，提高泵機(jī)使用效率，積極引入等揚(yáng)程加大流量法進(jìn)行水泵選型，從而使其在工作過程中發(fā)揮最大的節(jié)能效果和使用效率。

2) 提高電網(wǎng)功率，選擇合適變壓器。慎重考慮變壓器功率，確保在滿載情況下仍可正常運(yùn)行，還應(yīng)考慮其臨界負(fù)荷值，提升變壓器可靠性和適用性。

3) 加強(qiáng)泵站線路檢查和維護(hù)。應(yīng)定期對設(shè)備進(jìn)行檢查，維護(hù)。日常維護(hù)過程中應(yīng)確保設(shè)備干凈整潔，確保設(shè)備正常運(yùn)行和安全性。