莊偉棟，沈春林

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225000；2.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇 南通 226300)

目前，我國現(xiàn)有各類固定式排灌泵站裝機容量已突破8 700萬 KW，大、中、小型泵站達到50萬座，特別是南水北調(diào)等大型引調(diào)水工程規(guī)模越來越大，建設的泵站數(shù)量不斷增多，泵站作為重要的水利樞紐，在供水、排澇、防洪等水資源調(diào)配工程中發(fā)揮著重要作用。然而，由于工程管理薄弱、缺乏有效維護、設備老化和設計標準低等原因，大中型泵站的能源單耗達到6～7 kW·h(kt·m)，與標準要求的e≤5 kW·h(kt·m)相差較大，整體裝置效率僅有40%～50%，不滿足節(jié)約型社會的建設需求。因此，在保障泵站安全運行的情況下，有必要加強關鍵技術管理，從而實現(xiàn)提高運行效率、節(jié)能降耗的目標。

1 泵站運行效率影響因素及其權重

1.1 運行效率影響因素

泵站運行效率是由輔機設備、動力設備、進出水池、管道、水泵和傳動效率等環(huán)節(jié)組成的綜合效率，即泵站有效功率與輸入功率的百分比。

1.1.1 動力設備效率

1)變壓器：其效率值等于變壓器二次輸出與一次輸入的有效功率之比。一般利用公式P2=βSNcosφ2計算二次輸出有效功率，式中β、SN、cosφ2為負載系數(shù)、變壓器視在功率和負載的功率因數(shù)，β為二次側(cè)負載電流與變壓器額定電流之比。另外，減去變壓器損耗后的一次輸入有功功率也等于其二次輸出有功功率，其耗有銅損耗Pcu(可變損耗)和鐵損耗Pfe(不變損耗)。其中，額定短路試驗電流時輸入的有功功率Pkn近似等于額定電流下的銅損耗，不是額定負載時負載系數(shù)的平方成與銅損耗成正比，即Pcu=β2Pkn；空載時的有功功率P0近似等于額定電壓下的鐵損耗，即Pfe≈P0。因此，可將變壓器效率轉(zhuǎn)化成以下形式：

η=βSNcosφ2/(βSNcosφ2+P0+β2Pkn)

(1)

表1 負載系數(shù)與主變效率的關系表

結(jié)合表1中數(shù)據(jù)，負載系數(shù)低于0.1時的變壓器效率約為70%，負載系數(shù)超過0.2時的變壓器效率達到99%左右。

2)電動機：其效率值等于電動機輸出與電源輸入的有功功率之比。電動機轉(zhuǎn)軸上輸出的功率就是電源輸入的有功功率減去附加、機械、定或轉(zhuǎn)子銅耗、鐵損耗后的功率。正常運行條件下，機械損耗和鐵損耗基本不變故稱為不變損耗，而定、轉(zhuǎn)子銅損耗明顯改變故稱為可變損耗。具體而言，可變與不變損耗相同時的電動機效率最高，空載時轉(zhuǎn)子電流很小其輸出功率和電動機效率為零，負載增大時輸出功率和電動機效率增加，額定負載時可變損耗與不變損耗相等其效率最高，若超過額定負載則輸出功率的增加小于可變損耗的增大，電動機整體效率減小。

1.1.2 傳動設備效率

機械傳動方式是影響傳動效率的主要因素，一般可以劃分成齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動和聯(lián)軸器等傳動方式，方式不同所帶來的傳動效率具有明顯差異。

1.1.3 水泵效率

水泵有效功率與電動機軸功率比值的百分數(shù)即為水泵效率，其有效功率的計算公式為P=ρgQH/1 000，其中Q、H為水泵的流量和揚程，g、ρ為重力加速度和水的密度。此外，水泵的有效功率也等于電動機軸功率減去水泵內(nèi)的能量損耗功率，水泵運轉(zhuǎn)時存在的水利損失、容積損失和機械損失等是影響水泵效率的主要因素。其中，水力損失是指水體本身在流程中碰撞、擠壓所造成的損失以及流經(jīng)流道、吸水室時的沿程和局部損失；容積損失是指泵內(nèi)水流從軸封裝置等處的外漏和經(jīng)經(jīng)高壓儲縫隙向低壓出內(nèi)漏造成的損失；機械損失是指葉輪表面、軸承、軸密封填料、水體等與轉(zhuǎn)動泵軸間的摩擦消耗。經(jīng)長期運行致使水泵效率下降的原因主要有：(1)水流沖刷，經(jīng)長期運行葉輪過水面和水泵流道內(nèi)壁變得粗糙，從而增大了流道摩阻系數(shù)和水力損失；(2)高硬度水質(zhì)致使泵殼內(nèi)積垢嚴重，而積垢的存在增大了泵殼壁厚，內(nèi)壁形成垢瘤減小了泵體容積和抽水量，流道粗糙使得水力損失和容積損失增加；(3)水泵化學侵蝕、腐蝕、磨蝕和氣蝕等造成泵流道內(nèi)出現(xiàn)裂紋或空洞，水流形成漩渦消耗一定能量，降低了水力效率；(4)長時間運行致使泵機械不斷磨損，阻力提高及水量損失使得容積效率減?。?5)阻塞阻力增大或雜物纏繞影響泵軸、葉輪轉(zhuǎn)動，效率下降。

1.1.4 管道效率

水量損失、水頭損失是影響管道效率的關鍵因素，其中管道漏水造成了水量損失；水頭損失又細分為局部和沿程兩類，主要與進出口的流速與形式、中間有無彎道與閘門、管道內(nèi)管壁光滑程度以及管道長度等有關。

1.1.5 進出水池效率

導流、流道不合理或進水池設計不當是影響進出水池效率的主要因素，導致水流流態(tài)紊亂、池內(nèi)出現(xiàn)回流或漩渦，引起較大的水力損失。

1.2 對綜合效率的影響權重

以各環(huán)節(jié)效率的乘積作為泵站綜合效率。運行狀態(tài)不同時各環(huán)節(jié)的效率變化區(qū)間具有較大差異，其對綜合效率的貢獻率也不同。通過分析影響各環(huán)節(jié)效率的因素可知，隨負載系數(shù)變化變壓器的效率變化顯著，理論上其變化區(qū)間能夠達到0%～99%以上。從空載到定額負載電動機的效率變化區(qū)間能夠達到0%～90%以上，在定額負載下異步電動機的效率一般為75%～95%。水泵類型不同時其效率一般也不同，正常維護和使用情況下的水泵效率處于65%～90%區(qū)間，大型泵最高能夠達到90%。管道的水頭損失決定了管道效率，對泵站而言一般管道長度較短，管道進出口處流速和水頭損失相對較小，基本可以不考慮進出口局部損失，泵站綜合效率受管道能量損失的影響較小。傳動方式?jīng)Q定了傳動設備效率，一般6～7級精度齒輪、彈性聯(lián)軸器的傳動效率為0.98～0.998和0.99～0.996，聯(lián)傳動效率、帶傳動效率為0.96～0.98和0.97～0.98，可采用聯(lián)軸器直聯(lián)水泵與泵站電動機，泵站綜合效率受傳動設備效率的影響較低。一般進出水池池內(nèi)水位變化較小，池內(nèi)水位跌差相對泵站揚程較小或忽略不計時進出水池效率可以近似取100%，所以泵站綜合系統(tǒng)效率受進出水池效率變化的影響較小。綜上分析，水泵效率和動力設備效率顯著影響著泵站運行效率，加強水泵和泵站電力設備的運行管理是提高泵站效率的關鍵。

2 泵站運行效率的關鍵控制技術

2.1 提高變壓器運行效率

2.1.1 變壓器負載率調(diào)整

在保持泵站過水量的條件下，通過單獨運行或并聯(lián)的方式來調(diào)整變壓器負載率，βm的取值區(qū)間一般為0.50～0.78，βm達到0.8時應調(diào)高變壓器容量，βm小于0.2時應調(diào)低變壓器容量，從而提高其運行效率。

2.1.2 增大負載功率因數(shù)

通過異步機、同步機組合運行和同步機無功功率補償特性可以有效減少無功功率，切實提升變壓器負載功率因數(shù)及其運行效率。

2.2 提高水泵的運行效率

應從減少水泵運行的水利損失、容積損失、機械損失以及水泵選型、運行、安裝等角度入手提高水泵效率。

2.2.1 泵型的合理選擇

水泵高效運行的必要條件是要合理安裝、指導、選型水泵設備，泵型選擇時應考慮水泵的性能曲線、泵站工程的揚程和設計流量等因素，確保水泵處于高效運行狀態(tài)。水泵的性能曲線是水泵廠家利用試驗數(shù)據(jù)，繪制的允許吸上氣蝕余量或真空高度、效率、軸功率、揚程等參數(shù)與流量之間的變化曲線，水泵運行時的最高效率點即為Q～η曲線上的最高點。日常運行管理過程中水泵一般難以完全在最高效率點上工作，水泵的工作范圍一般取最高效率點下降5%～7%的區(qū)間，在保證過水量的情況下，通過調(diào)整機組設備的組合方式可以解決進水池水位過低或過高的問題，促使水泵處于高效運行狀態(tài)。

2.2.2 設備的運行管理維護

1)保證設備大修和安裝質(zhì)量，水泵大修或安裝時要保證安裝間隙、擺度、水平、同心等指標精度符合規(guī)范要求，適度松緊填料函，因水源泥沙含量較高而引起葉輪磨損的要進行及時的修，提高管道內(nèi)壁及泵殼或葉輪的光滑度。

2)減輕或預防水泵氣蝕，氣蝕會對水泵造成較大危害，氣蝕產(chǎn)生過程中水流內(nèi)含有的氣泡會改變其正常流動方向，流道內(nèi)過流斷面的減小還會引起水泵效率、揚程、流量的快速下降，甚至出現(xiàn)斷流的情況。氣泡潰滅時水流快速沖向氣泡中心并產(chǎn)生強烈撞擊力，最高可以達到35～5 600 MPa，沖擊頻率能夠達到2～3萬次/s，水泵產(chǎn)生劇烈震動引起金屬表面硬化變脆、塑性變形甚至會擊穿葉片，對設備安全運行造成影響。

結(jié)合產(chǎn)生氣蝕的原因采取行之有效的預防氣蝕的對策：(1)進水池水流應流速均、平穩(wěn)，以防形成漩渦，流態(tài)紊亂時通過改進進水流道、進水池等手段來調(diào)整流態(tài)；(2)水泵葉片可以調(diào)節(jié)時，通過調(diào)節(jié)葉片角度來保證水泵按設計工況運行；(3)為保證水泵進水淹沒深度應防止運行過程中進水池水位過低。(4)減輕或預防水泵磨蝕，水泵長期處于部件與部件、水流與部件的摩擦之中，通過提高抗磨蝕能力、減少磨蝕等能夠保證設備的使用年限。其中，最容易出現(xiàn)磨蝕破壞的位置是軸套和軸瓦，為預防軸套與軸瓦異常磨損可以采取的措施如下：(1)合理設計間隙，間隙過大會引起較大振動，難以充分發(fā)揮約束作用致使振動異常偏大，而間隙過小難以進入潤滑截止，軸套與軸瓦之間易出現(xiàn)干磨，從而損壞軸套與軸瓦；(2)保證部件的抗磨損能力，如利用硬度更大的耐磨軸套或以賽龍材料替代橡膠內(nèi)襯；(3)對函處封水填料及時更換，以防時間過長填料浸泥變硬增大對軸的磨損。

2.3 提高電動機運行效率

一般利用以下技術手段提高電動機運行效率，具體如下：(1)合理配套水泵與電動機功率，電動機負載率一般要求不低于0.7，負載率小于0.5時要及時更換或調(diào)整。為保證電動機的安全運行，不必非要保持在額定負載下運行，如采用同步化運行時異步繞線式電動機的最大允許負載率0.85。(2)及時清理積垢灰塵，保持通風良好，有效控制溫升，這是由于溫度升高增大了電機線圈的電阻和損耗，效率下降。(3)定期維護電機組，通過潤滑軸承減少磨損、能耗等方式來提高電動機效率。(4)通過變頻、變轉(zhuǎn)差率、變極等方式變速調(diào)節(jié)電動機，對水泵運行工況進行調(diào)節(jié)以達到經(jīng)濟運行的目的。

3 結(jié)語

影響泵站運行的因素較多，運行過程中要重點控制與泵站效率密切相關的關鍵因素，通過總結(jié)分析設備運行數(shù)據(jù)提出行之有效的設備運行維修和管理方法：

(1)水泵、電動機和變壓器等主設備都有其效率高點，電動機和變壓器高效運行的關鍵是合理設置負載率，而保證水泵高效運行的核心是合理控制運行水位。

(2)運行組合方式不同機組的效率也不同，應考慮異步和同步電動機的優(yōu)化組合、結(jié)合過水量要求、水泵及動力設備高效運行需要的負載和水位等條件合理制定機組運行組合方案。

(3)加強設備改造和維護維修，采取有效的維護管理技術降低水泵、電動機、變壓器等設備的能量損失，促使泵站運行效率的整體提升。