柳玲玲

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

景電一期工程于1969年開工，1974年竣工，提水流量為10.6 m3/s，流量加大后為12 m3/s，而年提水量為1.48 億m3。提水高度最大值可達(dá)到445 m，一共建設(shè)11 座泵站（其中不含總二支上的兩級(jí)泵站），干渠整體長(zhǎng)度為31.8 km（明渠整體長(zhǎng)度為30.1 km），其裝機(jī)容量達(dá)到6.87 萬(wàn)kW。一期工程有總一至總六泵，總六泵后接西一泵至西五泵，供11級(jí)提水。西干片區(qū)灌溉面積11 266.67 hm2，利用總干渠大型泵站將水提至六泵后，再通過(guò)小泵站分流進(jìn)行灌溉，既能降低能源單耗，又能提高水資源利用效率，滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉的需求。在現(xiàn)代化科技不斷發(fā)展的情況下，我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉事業(yè)快速發(fā)展，小型泵站建設(shè)水平越來(lái)越高，為了緩解當(dāng)前水資源短缺的局勢(shì)，要采取科學(xué)方法，對(duì)灌區(qū)小型泵站進(jìn)行優(yōu)化改造，提高泵站運(yùn)行效率，降低灌溉過(guò)程中的水資源消耗，提高水資源利用效率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 影響灌區(qū)小型泵站運(yùn)行效率的因素

1.1 泵站布局不合理

泵站設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性，導(dǎo)致泵站建設(shè)布局不合理，不僅影響水資源利用率，而且加大了泵站運(yùn)行能耗。

1.2 配套設(shè)施不完備

泵站配套設(shè)施不科學(xué)，泵站的配套設(shè)施在性能、產(chǎn)品質(zhì)量、配套合理性等方面和實(shí)際需求嚴(yán)重不符，加大了泵站運(yùn)行荷載和能源消耗。

1.3 水泵動(dòng)力不足

機(jī)電設(shè)備動(dòng)力不足，水泵葉輪加大后，啟動(dòng)機(jī)組時(shí)聲音大。

1.4 水泵安裝不規(guī)范

水泵在設(shè)計(jì)、安裝時(shí)沒有按照操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，水泵安裝不穩(wěn)定，運(yùn)行中震動(dòng)較嚴(yán)重。

1.5 泵站管理不到位

小型泵站缺乏科學(xué)合理的日常運(yùn)維管理，沒有及時(shí)清理進(jìn)出水池的雜物、攔污柵的污物；對(duì)泵站中的電機(jī)、水泵等設(shè)備沒有及時(shí)檢修保養(yǎng)，對(duì)磨損嚴(yán)重、老化破損的零部件沒有及時(shí)維修和更換，影響水泵運(yùn)行。

2 小型泵站能耗分析

2.1 輸變電系統(tǒng)能耗

在輸電線路方面，其能耗會(huì)受到導(dǎo)線材料與規(guī)格、負(fù)荷大小、電網(wǎng)功率大小、輸電線路長(zhǎng)短、運(yùn)行時(shí)間的影響。而在變壓器方面，變壓器在電網(wǎng)系統(tǒng)中能耗占比達(dá)到60%～70%，灌區(qū)泵站變壓器是非常重要的能耗設(shè)備。當(dāng)變壓器負(fù)載率降低時(shí)，其運(yùn)行效率也會(huì)降低。

2.2 電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置能耗

2.2.1 電動(dòng)機(jī)能耗 主要有鐵損耗、銅損耗和機(jī)械損耗3 種類型。鐵損耗主要是指交變磁通基于定子鐵心引發(fā)出渦流損耗、磁滯損耗。其中銅損耗有3類，分別是雜散損耗、轉(zhuǎn)子銅損、定子銅損，如果定子線圈存在較大電流密度，那么銅損值會(huì)增加。電流集膚效應(yīng)或者是高次諧波都將引起雜散損耗。機(jī)械損耗是由風(fēng)阻和軸承引起的。

2.2.2 傳動(dòng)裝置能耗 當(dāng)水泵與電動(dòng)機(jī)有著基本相同額定轉(zhuǎn)速（不超過(guò)2%），并且都是臥式機(jī)組或者是立式機(jī)組時(shí)，可采用直連傳動(dòng)，水泵運(yùn)行效率將會(huì)提升，但是這種方式無(wú)法改變水泵轉(zhuǎn)速，因此一般是在揚(yáng)程不會(huì)產(chǎn)生太大變化的泵站中應(yīng)用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)與水泵轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向不同時(shí)，水泵軸、電動(dòng)軸部如果處于相同直線上，可運(yùn)用間接傳動(dòng)方式。小型泵站通過(guò)皮帶傳動(dòng)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，這一方式彈性較好，能有效吸收振動(dòng)及沖擊振動(dòng)，使得水泵運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，并且能夠降低噪音，過(guò)載時(shí)能夠保護(hù)其他零件不受損壞。其缺陷是無(wú)法保證傳動(dòng)比的穩(wěn)定性，相較于直接傳動(dòng)，傳動(dòng)效率較低。平皮帶具有較小傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率通常為90%～93%，一般會(huì)應(yīng)用在功率比40 kW 的小型泵站中。三角皮帶的梯形斷面?zhèn)鲃?dòng)比較大，效率能夠達(dá)到95%。

2.3 泵裝置能耗

2.3.1 水泵能耗 通常水泵能耗分為有機(jī)械、水力和容積3 方面的損失。機(jī)械損失主要是軸封與軸承在摩擦中形成的摩擦損失，或者是葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，其蓋板外側(cè)、外緣與介質(zhì)產(chǎn)生摩擦，從而形成圓盤損失；水力損失指的是泵內(nèi)液體流動(dòng)時(shí)形成的水力損失；容積損失指的是泵內(nèi)流體循環(huán)消耗，消耗大小受到泵流量大小和比轉(zhuǎn)數(shù)高低的影響。

2.3.2 管路以及附件的能量損耗 局部水頭以及沿程水頭損失是泵裝置比較重要的能量損耗。局部水頭損失主要是指流體通過(guò)三通、彎頭、閥門、縮節(jié)等時(shí)因管路改變而出現(xiàn)的能耗。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，沿程水頭損失與流程長(zhǎng)度呈正比關(guān)系，和管徑呈反比關(guān)系。

2.4 前池能耗

根據(jù)水流方向，可將進(jìn)水前池分為正向和側(cè)向。擴(kuò)散角是對(duì)正向進(jìn)水池流態(tài)造成影響的主要因素，通常擴(kuò)散角為20°～40°。如果正向進(jìn)水前池長(zhǎng)度短，擴(kuò)散角大，那么將會(huì)增加水頭損失，前池將會(huì)出現(xiàn)漩渦情況，影響進(jìn)水池流態(tài)。側(cè)向進(jìn)水池是水流由引渠通過(guò)90°轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入進(jìn)水池，池中水流會(huì)受到離心力的影響，回流區(qū)比較大，水流紊亂，在進(jìn)水池中很容易出現(xiàn)環(huán)流及旋渦，進(jìn)水管道入口流速不均衡，機(jī)組性能會(huì)受到嚴(yán)重影響。

2.5 進(jìn)水池與出水池能耗

進(jìn)水池存在附壁漩渦和表面漩渦，會(huì)降低水泵效率，同時(shí)形成周期性的噪音與振動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響水泵性能和使用壽命。除此之外，水泵葉輪如果和回流旋轉(zhuǎn)方向是相反的，水泵揚(yáng)程、功率都會(huì)增加，水泵效率會(huì)隨之降低；葉輪如果和回流方向是相同的，水泵功率、揚(yáng)程及效率都會(huì)降低。由于水流方向不同，能夠形成正向出水與側(cè)向出水，一般正向出水的能耗小，水流平順；而側(cè)向出水會(huì)形成較高水位，水頭損失較大。

3 灌區(qū)小型泵站節(jié)能方法

3.1 加強(qiáng)電機(jī)改造，提升運(yùn)行效率

3.1.1 保障機(jī)泵配套合理性 要合理設(shè)定機(jī)泵配套功率的備用系數(shù)，系數(shù)過(guò)大，容易降低電動(dòng)機(jī)效率，增大變壓器以及輸電線路的能源損耗；系數(shù)過(guò)小，容易加大動(dòng)力機(jī)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，影響其使用壽命。經(jīng)過(guò)研究，電動(dòng)機(jī)負(fù)荷率要保持在0.7 以上，如果小于這一數(shù)值，則需要改進(jìn)，可以通過(guò)調(diào)整其轉(zhuǎn)動(dòng)速度來(lái)提升其運(yùn)行效率[2]。

3.1.2 合理選擇變壓器型號(hào) 要保障變壓器容量的合理性，既要確保其滿足負(fù)載率，也要考慮經(jīng)濟(jì)因素。在非灌溉季節(jié)可以停止運(yùn)行主變壓器，使用功率較小的變壓器，減少電能消耗?？梢栽O(shè)置并聯(lián)電容器，減少能源消耗。拉近變壓器和電動(dòng)機(jī)組的距離，減少輸電線路的能源消耗。

3.1.3 加強(qiáng)對(duì)電機(jī)的維修和管理 日常運(yùn)行中要規(guī)范操作，避免因操作不當(dāng)而損壞電機(jī)設(shè)備。要強(qiáng)化對(duì)柴油機(jī)的機(jī)務(wù)管理工作，進(jìn)行日常檢修和保養(yǎng)，降低機(jī)械構(gòu)件之間的摩擦造成的設(shè)備損失，定期涂抹潤(rùn)滑油，合理調(diào)整零件間隙。合理控制冷卻水水溫，提升柴油機(jī)燃油效率。

3.2 優(yōu)化水泵設(shè)計(jì)，提升運(yùn)行效率

3.2.1 選擇合適的水泵型號(hào) 水泵型號(hào)質(zhì)量指標(biāo)主要有揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速等。要結(jié)合水泵性能曲線和管路曲線的特點(diǎn)，對(duì)水泵不同工作點(diǎn)的揚(yáng)程參數(shù)進(jìn)行分析，確保水泵能夠穩(wěn)定運(yùn)行。如果在對(duì)水泵型號(hào)、質(zhì)量進(jìn)行核檢時(shí)發(fā)現(xiàn)指標(biāo)不符，要對(duì)其及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保障設(shè)備配套、參數(shù)的合理性[3]。

3.2.2 優(yōu)化水泵性能 一旦水泵性能參數(shù)和實(shí)際需求不相符，水泵低效率降低，設(shè)備使用壽命受到影響，能耗增大。因此，要使水泵性能符合實(shí)際需求。不同的水泵型號(hào)采取的調(diào)節(jié)方法不同，離心泵、小型混流泵利用改變轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)水流等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，軸流泵可以使用變速、變角進(jìn)行調(diào)整，葉片泵可以利用變速進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3 更換零件 如果性能調(diào)整方式不能改善水泵的運(yùn)行效率，可以更換零部件減輕水泵運(yùn)行負(fù)荷。

3.2.4 強(qiáng)化設(shè)備保養(yǎng) 要對(duì)水泵進(jìn)行定期保養(yǎng)，減輕零部件之間的磨損。要制定科學(xué)合理的水泵維保機(jī)制，強(qiáng)化監(jiān)督管理，日常保養(yǎng)，定期大修，發(fā)現(xiàn)老舊、損壞的零件及時(shí)更換，尤其是要對(duì)葉輪、口環(huán)等部件運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢查。

3.2.5 規(guī)范安裝 安裝水泵時(shí)要規(guī)范操作，安裝不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致水泵在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)震動(dòng)、噪聲、過(guò)熱等問(wèn)題。

3.3 提高管路效率

管路是灌區(qū)小型泵站的重要構(gòu)成，科學(xué)設(shè)計(jì)和管理管路對(duì)泵站的運(yùn)行效率和能耗大小有直接影響。

3.3.1 合理選擇管路直徑 管徑越大，水流運(yùn)行阻力減少，泵站運(yùn)行過(guò)程中的能源消耗減少，但是前期建設(shè)投資較大；管徑減小，雖然投資降低，但是運(yùn)行中水流阻力加大，整體運(yùn)行過(guò)程能消量增大[4]。因此，選擇管道型號(hào)時(shí)要綜合考量，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、實(shí)用的角度出發(fā)選擇適宜的管材。

3.3.2 合理設(shè)置彎頭 盡量減少進(jìn)、出水管的長(zhǎng)度，避免大量使用彎頭，降低管道內(nèi)壁的阻力。

3.3.3 合理配置附件 合理使用管路附件，減少底閥的使用，可以把進(jìn)出口設(shè)計(jì)為喇叭口，保障閘閥全部打開，科學(xué)使用拍門、逆止閥。

3.3.4 日常巡視 要強(qiáng)化對(duì)管路的日常巡視，仔細(xì)檢查管路裂縫、破損等，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。

3.4 科學(xué)規(guī)劃進(jìn)出水池

科學(xué)設(shè)計(jì)泵站進(jìn)出水池的形狀、大小，確保滿足灌溉需求的同時(shí)，有利于提升運(yùn)行效率，避免出現(xiàn)池內(nèi)旋渦、回流等現(xiàn)象，影響水泵運(yùn)行效率[5-6]。此外，要及時(shí)清理進(jìn)出水池內(nèi)的雜草、積淤等，對(duì)攔污柵進(jìn)行定期清污工作，避免進(jìn)水池被雜物堵塞，影響水流。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌區(qū)建設(shè)力度越來(lái)越大，對(duì)小型泵站的需求日漸提升。由于農(nóng)業(yè)灌溉中水資源消耗量比較大，因此，強(qiáng)化對(duì)灌區(qū)小型泵站節(jié)能設(shè)計(jì)和改造，提升其運(yùn)行效率、降低能耗，有利于提升灌區(qū)小型泵站的節(jié)能效果。通過(guò)對(duì)電機(jī)、水泵、管路、進(jìn)出水池等進(jìn)行優(yōu)化改造和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提升泵站整體運(yùn)行效率。此外，還要不斷提升泵站管理人員的管理水平，做好泵站的日常運(yùn)維工作。