浙江省農(nóng)村小型泵站節(jié)能增效技術(shù)研究

趙曉波,鄭世宗,王豐平,李小梅

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 浙江農(nóng)村泵站現(xiàn)狀及節(jié)能潛力分析

1.1 全省農(nóng)村泵站現(xiàn)狀

浙江杭嘉湖、蕭紹甬、溫黃平原地區(qū),地勢(shì)低洼,河網(wǎng)密布,區(qū)內(nèi)農(nóng)田灌溉排水主要依靠泵站,以小(2)型泵站為主,水泵以混流泵居多。至2006年底,全省現(xiàn)有小型泵站5.6萬多臺(tái)機(jī)組,裝機(jī)容量約為88萬kW[1]。大多數(shù)泵站都建于20世紀(jì)六七十年代,至今已運(yùn)行了50多年,大部分泵站都不同程度地存在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低、設(shè)備配套不合理、老化等問題,效率低下,事故頻發(fā),農(nóng)業(yè)排灌成本高,浪費(fèi)電能,加重農(nóng)民負(fù)擔(dān)。2010年,對(duì)全省8座小型泵站進(jìn)行測(cè)試,其平均裝置效率僅為30.48%,能源單耗為10.06(kW·h)/(kt·m),明顯偏大,效率偏低。8個(gè)泵站測(cè)試情況見表1。

1.2 泵站節(jié)能潛力分析

表1中8個(gè)泵站中效率最高的為46.6%,最低的為10.5%,平均為30.48%;能源單耗最高為21.63(kW·h)/(kt·m),最低為 4.51(kW·h)/(kt·m),平均為10.06(kW·h)/(kt·m)。由此可見,只要進(jìn)行改造,全省小型泵站平均效率提高到45%,能源單耗降低到6.00(kW·h)/(kt·m)是可行的。初步估算,2010年全省小型泵站用電26 400萬kW·h。如果全省小型泵站能源單耗提高3.46(kW·h)/(kt·m),平均效率提高15%,則全省小型泵站節(jié)電9 080萬kW·h,節(jié)能率為34.4%,效益明顯。

表1 8個(gè)泵站裝置效率及能源單耗情況表

2 泵站節(jié)能增效環(huán)節(jié)分析

小型泵站的結(jié)構(gòu)一般包括水泵、電動(dòng)機(jī)、進(jìn)出水管道以及水池、泵房,其裝置效率是電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、水泵、管道、進(jìn)出水池的綜合效率,可用以下公式表示:

η裝= η動(dòng)×η傳×η泵×η流道×η池

式中:η裝為泵站裝置效率,%;η動(dòng)為電動(dòng)機(jī)效率,%;η傳為傳動(dòng)裝置效率,%;η泵為水泵效率,%;η流道為流道(管道)效率,%;η池為進(jìn)出水池效率,%。

由上述公式可以看出,泵站裝置效率與電動(dòng)機(jī)、水泵、傳動(dòng)裝置、流道、進(jìn)出水池的效率成正相關(guān)關(guān)系,各部分效率達(dá)到最優(yōu)時(shí),泵站裝置效率最高。此外,泵站裝置效率與泵站規(guī)模成一定的相關(guān)關(guān)系。

2.1 電動(dòng)機(jī)效率

小型泵站電動(dòng)機(jī)一般采用異步電動(dòng)機(jī),按電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可分為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)和繞線式異步電動(dòng)機(jī)。一般情況下,小型水泵靜阻力矩較小,機(jī)械對(duì)起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)無特殊要求,選用鼠籠型異步電動(dòng)機(jī),其經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好,控制設(shè)備和無功補(bǔ)償價(jià)格便宜。

電動(dòng)機(jī)的效率與電機(jī)的型號(hào)、負(fù)載、電源電壓等有密切關(guān)系。早期的異步電動(dòng)機(jī)有J2、JO2系列及其相應(yīng)水平的派生電機(jī),這類電機(jī)采用E級(jí)絕緣,體積較大,起動(dòng)性能較差,效率低;近期的Y系列電動(dòng)機(jī),安裝尺寸和功率等級(jí)符合IEC標(biāo)準(zhǔn),采用B級(jí)絕緣,具有高效、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、噪聲小、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。小型水泵的配套電動(dòng)機(jī)宜采用Y系列電動(dòng)機(jī)。

電動(dòng)機(jī)的效率與負(fù)荷率b有關(guān)。一般情況下,異步電動(dòng)機(jī)的效率在b＞0.6時(shí),就可以達(dá)到額定功率時(shí)的銘牌效率。在b=0.75～1時(shí)效率達(dá)到最大值[2],一般 b為0.85左右[3]。反之,電動(dòng)機(jī)選擇不當(dāng),富裕量過大,就容易導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作負(fù)荷遠(yuǎn)低于額定負(fù)荷,運(yùn)行效率低。另外,電動(dòng)機(jī)的三相電壓不對(duì)稱,電壓長(zhǎng)期過低,容易增大電機(jī)運(yùn)行中的損耗,造成效率低。目前,隨著全省農(nóng)村電網(wǎng)的改造,電壓不對(duì)稱、電壓過低狀況有所改善。

根據(jù)調(diào)查,浙江省小型泵站電動(dòng)機(jī)主要以Y系列電動(dòng)機(jī)為主,但由于建站時(shí)間跨度大,20世紀(jì)80年代前建設(shè)的泵站目前部分仍然在使用J2、JO2系列及其相應(yīng)水平的派生電機(jī),估算這類電機(jī)功率約占總裝機(jī)容量的5%左右。另外,Y系列電動(dòng)機(jī)中,也有使用早期Y系列電動(dòng)機(jī),這類電機(jī)經(jīng)過l～2次大修,性能變差效率降低,本應(yīng)該淘汰,但仍在使用,估計(jì)這類電機(jī)占總裝機(jī)容量的40%左右。另外,還有30%左右的電機(jī)與水泵不配套,屬于高配低耗,電動(dòng)機(jī)的輸出功率未達(dá)到其額定功率的60%。由此可見,電機(jī)老化、電機(jī)與水泵不配套是影響全省小型泵站電動(dòng)機(jī)效率發(fā)揮的2個(gè)主要因素。

2.2 傳動(dòng)裝置效率

小型泵站電機(jī)與水泵傳動(dòng),可以采用直接傳動(dòng)或皮帶傳動(dòng),直接傳動(dòng)效率為 100%,皮帶傳動(dòng)效率為 90%～95%。根據(jù)調(diào)查,由于安裝簡(jiǎn)便,浙江省大多數(shù)小型泵站采用三角皮帶傳動(dòng)。

2.3 水泵效率

水泵效率為泵的有效功率與輸入軸功率的比值。在輸入軸功率一定的情況下,水泵效率高低取決于水泵的有效功率。提高水泵的有效效率的關(guān)鍵是減少水力損失,包括減少水泵的摩擦損失、局部損失和沖擊損失,具體表現(xiàn)在水泵的工作點(diǎn)是否處于水泵的高效區(qū)。在設(shè)計(jì)揚(yáng)程工況和平均揚(yáng)程工況時(shí),水泵工作區(qū)域應(yīng)處于高效區(qū),但由于設(shè)計(jì)、施工、管理及其它方面的原因,水泵高效率區(qū)域不是很寬,水泵往往在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)以下工作,使水泵處在低效區(qū)運(yùn)行。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看,選型配套不當(dāng)是造成水泵效率低下的主要原因。8個(gè)泵站實(shí)際運(yùn)行情況見表2。從表2可知,實(shí)際運(yùn)行情況與水泵的設(shè)計(jì)工況相差較大,水泵在低效區(qū)運(yùn)行。

表2 8個(gè)泵站實(shí)際運(yùn)行情況表

水泵的效率與型號(hào)有關(guān),現(xiàn)狀不少小型泵站由于建站較早,選用的水泵型號(hào)老,水力模型陳舊,性能指標(biāo)低下,加上運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng),缺少維護(hù)和更換,水泵老化嚴(yán)重,效率低下。本次測(cè)試8個(gè)泵站中就有3個(gè)屬于機(jī)組嚴(yán)重老化的泵站,估計(jì)全省至少有30%的泵站屬于此種類型。

2.4 流道效率

泵站的進(jìn)出管道俗稱流道,水力損失主要取決于流道效率的高低。其損失包括管道的沿程損失和局部損失。局部損失與局部損失系數(shù)成正比;沿程損失與管長(zhǎng)成正比,與管道糙率的平方成正比。管道糙率與材料有關(guān),因此,水力損失主要取決于管徑和流道布置。管徑越小、閥門越多、彎管越多、管路越長(zhǎng),損失越大;反之,越小。理論上,減小水力損失,進(jìn)出水管盡量采用大管徑,減少不必要的閥門和彎管,但管徑的擴(kuò)大會(huì)增加工程投資。實(shí)踐中,多數(shù)小型泵站為了降低工程造價(jià)、安裝方便,進(jìn)出水管管徑與水泵進(jìn)出口徑選擇相一致,盡量縮短管道長(zhǎng)度,減少閥門、彎管數(shù)量,因此,提高流道效率潛力有限。

2.5 進(jìn)出水池效率

進(jìn)出水池的淤積和壅堵增加了局部水力損失,對(duì)泵站裝置效率有較大影響。有資料表明,進(jìn)口有雜物,影響裝置效率5%～10%;前池淤積影響裝置效率5%～8%[4];而且,容易導(dǎo)致水量不足,流態(tài)不順,造成空氣進(jìn)入水泵,產(chǎn)生氣蝕、水錘現(xiàn)象,不僅降低裝置效率,還縮短機(jī)械使用壽命,危害較大。

水泵出流形式對(duì)裝置效率也有一定影響。小型泵站出流形式一般有淹沒式出流和自由式出流。淹沒式出流比自由式出流損耗小,但自由式出流施工、安裝方便,不需要額外增加拍門,停泵時(shí)可防止池水倒灌。因此,浙江省小型泵站采用自由式出流比較多。自由式出流時(shí),出流高度高于出水池高度,造成了水泵揚(yáng)程的浪費(fèi)。根據(jù)調(diào)查,按照全省平均流量、平均揚(yáng)程估算,淹沒式出流比自由式出流節(jié)能12%左右,但淹沒式出流與自由式出流投資相差不大。因此,應(yīng)盡量避免采用自由式出流,特別是高射炮式出流。

全省小型泵站現(xiàn)狀進(jìn)出水池主要是雜物多特別是進(jìn)水池垃圾、水草等,高射炮式出流多,對(duì)泵站裝置效率影響較大。測(cè)試的8個(gè)泵站中有7個(gè)泵站的前池及攔污柵堆積著大量垃圾和水草,泵站進(jìn)水池水位與前池水位相差較大,來水明顯不足,機(jī)組振動(dòng)較厲害。

2.6 泵站規(guī)模與效率

一般而言,泵站裝機(jī)容量越大,泵站的裝置效率相對(duì)越高。據(jù)調(diào)查,全省小(1)型泵站平均裝置效率明顯高于小(2)型泵站的5%以上。浙江省單個(gè)小型泵站控制規(guī)模一般在20 hm2(300畝)以下,甚至幾公頃也有。泵站太分散,單位面積平均裝機(jī)容量0.67 kW/hm2左右,明顯偏大,不利于泵站節(jié)能增效,造成投資浪費(fèi)。

3 泵站節(jié)能增效的技術(shù)措施

根據(jù)以上情況分析,浙江省小型泵站主要存在機(jī)組老化、配套不合理、進(jìn)出水池雜物多、高射炮式出水多、單位面積裝機(jī)容量偏大等問題。針對(duì)上述問題,小型泵站節(jié)能增效可以采取如下幾個(gè)方面措施。

3.1 選擇合適的機(jī)組及傳動(dòng)裝置

(1)淘汰型號(hào)老、性能低的電動(dòng)機(jī)和水泵。泵站設(shè)計(jì)或改造時(shí),盡量選用技術(shù)成熟、效率高的產(chǎn)品。從目前市場(chǎng)上看,電動(dòng)機(jī)選用Y系列 (IP44)為主,水泵盡量選擇可調(diào)節(jié)葉片或抽芯式水泵。

(2)電動(dòng)機(jī)與水泵合理配套、選型。根據(jù)泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程、流量等,合理選擇電動(dòng)機(jī)和水泵,一方面,保證電動(dòng)機(jī)和水泵配套合理,避免大馬拉小車、小馬拉大車現(xiàn)象;另一方面,保證水泵常水位運(yùn)行工作點(diǎn)位于水泵高效區(qū)。電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率 b＞0.65,則不需進(jìn)行改造;若b＜0.45,則需進(jìn)行改造[3]。改造措施根據(jù)具體情況而定,可采取更換電動(dòng)機(jī)或改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式等;水泵運(yùn)行點(diǎn)不在高效率區(qū),可采取更換水泵或葉輪、調(diào)節(jié)葉片角度等措施。

(3)盡量采用直接傳動(dòng)方式,減少傳動(dòng)損失。

3.2 加強(qiáng)機(jī)組日常維修保養(yǎng)

在非運(yùn)行期,加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)機(jī)、水泵以及其它附屬設(shè)備的日常維修保養(yǎng),更換易損件,防止機(jī)組漏水漏電。

3.3 優(yōu)化流道設(shè)計(jì)和改造,改善進(jìn)、出水流態(tài)

(1)對(duì)新泵站,注意優(yōu)化流道設(shè)計(jì),包括優(yōu)化進(jìn)、出水池設(shè)計(jì)參數(shù),盡量減少?gòu)澒?縮短管道,采用經(jīng)濟(jì)管徑,保證水流平穩(wěn),銜接順暢。

(2)對(duì)老泵站,對(duì)泵站不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,包括進(jìn)出水池和管道改造,改善進(jìn)、出水流態(tài),減少損失,一般以進(jìn)水池不產(chǎn)生漩渦和回流為宜。對(duì)高射炮式出水泵站應(yīng)進(jìn)行改造,換成淹沒式出流。即使是自由式出水,也應(yīng)控制出水管管口底高程不超過出水池常水位5 cm。

3.4 保持進(jìn)出水池清潔,保證來水量

泵站開機(jī)前,清理泵站進(jìn)出水池和攔污柵的雜草、垃圾,清除淤泥。對(duì)一些雜草、垃圾來量大而頻繁的泵站,應(yīng)在前池較遠(yuǎn)處增設(shè)攔污柵,保證前池的進(jìn)水量。

3.5 撤小擴(kuò)大,優(yōu)化泵站布局,提高效率

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般單位面積平均裝機(jī)容量控制在0.41 kW/hm2左右比較合適,因此,老化泵站可以拆掉、合并;新建的泵站適度增大裝機(jī)容量,擴(kuò)大控制面積。

4 結(jié) 語

小型泵站節(jié)能增效潛力大,效益明顯,對(duì)其進(jìn)行改造是非常必要的。應(yīng)從實(shí)際出發(fā),根據(jù)泵站效率的各個(gè)構(gòu)成環(huán)節(jié),通過分析測(cè)試找出主要因素,從機(jī)組選型、配套、傳動(dòng)方式、流道、進(jìn)出水池、裝機(jī)規(guī)模等方面提出有針對(duì)性的改造措施,以達(dá)到泵站節(jié)能增效的目的,降低運(yùn)行費(fèi)用。

[1]王豐平,仇濤.浙江省中小型灌溉排水泵站現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

[2]趙玉強(qiáng).泵站裝置效率的分析評(píng)價(jià) [J].安徽水利科技,2003(6):10-12.

[3]吳凡.淺議農(nóng)村電力排灌站的節(jié)能措施 [J].機(jī)械排灌,1999,19(3):31-32.

[4]張文淵.提高中、小型混流泵裝置效率的探討[J].江蘇水利,1998(6):28-29.