提高中小型混流泵裝置效率技術(shù)初探

王梅仙 張欽揚(yáng)

（1.宜興市和橋鎮(zhèn)水利農(nóng)機(jī)站，江蘇 無錫 214211；2.揚(yáng)州市邗江區(qū)水利局，江蘇 揚(yáng)州 225000）

1 概述

中小型混流泵是我國平原地區(qū)農(nóng)田灌溉主要泵型之一。宜興市現(xiàn)有泵站大部分始建于上世紀(jì)60、70年代，經(jīng)過數(shù)十年的運(yùn)作，泵站的裝置效率普遍下降，出現(xiàn)耗能高、效率低的“病態(tài)”。近年來，和橋鎮(zhèn)先后對(duì)具有代表性的10 座中、小型混流泵站進(jìn)行泵改前裝置效率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均為30%～40%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于部頒標(biāo)準(zhǔn)54.4%，能源浪費(fèi)現(xiàn)象普遍。研究影響混流泵站裝置效率的因素，并設(shè)法提高其裝置效率，對(duì)增加出水量、降低能源單耗具有積極意義。

2 影響泵站裝置效率的因素分析

泵站裝置效率是綜合反映機(jī)泵效率、傳動(dòng)效率、管路系統(tǒng)效率和機(jī)組工況的重要指標(biāo)，也是衡量泵站配套是否合理的主要依據(jù)?？捎萌缦玛P(guān)系式表示：

式中：

η裝—泵站裝置的效率，%；

η泵—水泵效率，%；

η動(dòng)—?jiǎng)恿C(jī)效率，%；

η傳—傳動(dòng)效率，%；

η管—管道效率，%；

η池—進(jìn)、出水池效率，%。

由公式可以看出，水泵、動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置、管道、進(jìn)出水池等效率高，整個(gè)裝置效率就高，反之，則整個(gè)裝置效率就低?？梢姡岣弑谜镜难b置效率必須首先提高水泵、動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置、管道、進(jìn)出水池的工作效率。

2.1 水泵效率的影響

提高水泵的效率，減少水力損失是關(guān)鍵。水泵的水力損失包括摩擦損失、局部損失和沖擊損失。由于設(shè)計(jì)、施工、管理等方面的原因及機(jī)泵選型配套不當(dāng)，水泵往往在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)以下工作，處在低效區(qū)運(yùn)行。和橋鎮(zhèn)部分平原圩區(qū)地勢(shì)低洼，屬低揚(yáng)程地區(qū)，實(shí)際凈揚(yáng)程不超過3.0 m，總揚(yáng)程也不超過4.0 m，而使用的350 HW、400 HW、500 HW 型混流泵的額定揚(yáng)程大多在7.0 m 左右，致使水泵運(yùn)行的工況點(diǎn)偏離高效區(qū)，水泵效率大大降低。

2.2 電機(jī)效率的影響

據(jù)調(diào)查，和橋鎮(zhèn)的混流泵站中，有70%以上的泵站存在“大馬拉小車”問題。在泵站的節(jié)能改造中，調(diào)整大機(jī)帶小泵是提高裝置效率的關(guān)鍵措施。首先，動(dòng)力機(jī)和水泵在功率上必須合理配套，在計(jì)算水泵的配套功率時(shí)，動(dòng)力機(jī)的備用系統(tǒng)不宜選用過大，否則會(huì)引起動(dòng)力機(jī)負(fù)載不足。而動(dòng)力機(jī)的負(fù)載不足時(shí)，會(huì)使電機(jī)的效率及功率因素明顯下降。實(shí)踐證明：當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)效率為零，功率因素也很低，為0.2 左右；電動(dòng)機(jī)的效率和功率因素都隨著負(fù)載的增加而提高，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，其效率和功率因素都達(dá)到最大值，一般為0.75～0.9。因此，電動(dòng)機(jī)應(yīng)避免空載運(yùn)行，防止“大馬拉小車”的現(xiàn)象，動(dòng)力機(jī)只有在滿載或接近滿載的情況下運(yùn)行時(shí)，才有最好的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。

2.3 傳動(dòng)方式的影響

長期以來，混流泵站傳統(tǒng)的傳動(dòng)方式是皮帶傳動(dòng)，傳動(dòng)效率只能達(dá)到90%～95%左右。

2.4 管道效率的影響

和橋鎮(zhèn)混流泵站在泵改前普遍存在著彎管多、高射炮式出流多等情況。另外，進(jìn)出水管路偏長，沿程損失偏大，造成管道效率下降，也是泵站裝置效率降低的主要原因之一。

2.5 水池效率的影響

水池效率對(duì)泵站裝置效率有較大影響，往往被人們忽視。有的泵站進(jìn)出水池未經(jīng)水力計(jì)算，水流紊亂。據(jù)調(diào)查分析，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%；另外，有的泵站甚至沒有固定形式的進(jìn)出水池，進(jìn)入水泵的水流易產(chǎn)生漩渦，造成水面空氣被帶入水泵，影響水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和工作性能。

3 提高泵站裝置效率的技術(shù)措施

現(xiàn)通過列舉和橋鎮(zhèn)石路泵站改造建設(shè)前后相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合分析說明提高泵站裝置效率的技術(shù)措施。石路泵站改造前后裝置效率對(duì)比詳見表1。

3.1 合理選擇水泵型號(hào)

石路泵站灌區(qū)農(nóng)田灌溉面積為1088 畝，而本地區(qū)的農(nóng)田灌溉模數(shù)為3 m3/（s·萬畝），因此，滿足灌區(qū)農(nóng)作物的需水流量為：

表1 和橋鎮(zhèn)石路泵站改建前后實(shí)測(cè)裝置效率對(duì)比表

Q=m×q=0.1088 萬畝×3 m3/（s·萬畝）=0.326 m3/s

由于離心泵適用于小流量、高揚(yáng)程，而本灌區(qū)實(shí)測(cè)凈揚(yáng)程為3.352 m，屬于低揚(yáng)程，綜合考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，決定選用16HBC-40 型混流水泵1 臺(tái)，淘汰原超期運(yùn)行的14HBA40P型水泵。若水泵的揚(yáng)程與實(shí)地總揚(yáng)程基本相符，運(yùn)行時(shí)平均效率較高，工作點(diǎn)落在高效區(qū)以內(nèi)。若所選水泵與實(shí)地?fù)P程不符時(shí)，可調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，但水泵轉(zhuǎn)速的提高應(yīng)控制在額定轉(zhuǎn)速的10%以內(nèi)，降低轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的60%。機(jī)泵設(shè)備的磨損與銹蝕將使裝置效率降低，因此，必須加強(qiáng)管理，定期保養(yǎng)，定期維修，更換易損件，如鑲口環(huán)、換葉輪等，確保機(jī)泵設(shè)備處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 提高管路系統(tǒng)效率

管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝不當(dāng)，將增加揚(yáng)程損失，降低裝置效率。減少管路彎頭，縮短進(jìn)、出水管路長度是提高管路效率最有效、最直接的辦法。原石路泵站水泵安裝采用斜式安裝，進(jìn)水管采用長度4 m、45°進(jìn)水彎頭1只，出水管長度3 m。泵改時(shí)，提倡管道直進(jìn)、斜出，改斜管為直管，縮短進(jìn)出水管路，減少彎管。目前，石路泵站采用進(jìn)水管長度2.8 m、90°進(jìn)水彎頭1 只，出水管長度1 m。對(duì)于中小型混流泵站的管徑，一般在流量不變的條件下，管徑大、揚(yáng)程損失小。因此，適當(dāng)加大進(jìn)、出水管口徑，對(duì)提高泵站裝置效率具有一定意義。為優(yōu)化管道設(shè)計(jì)，采用同心異徑管、偏心異徑管，使得進(jìn)、出水管管徑比水泵進(jìn)出水口大。石路泵站泵改后進(jìn)水管采用偏心異徑管1 節(jié)，長度0.8 m，一端連接進(jìn)水彎管，另一端連接水泵進(jìn)口；出水管采用同心異徑管1 節(jié)，長度0.5 m，一端連接出水直管，另一端連接水泵出口。另外，要保證管道不漏水、不漏氣，使管道的沿程損失和局部損失降到最低限度。

3.3 改造泵站進(jìn)、出水池，改善引水條件

原石路泵站進(jìn)、出水池設(shè)計(jì)不當(dāng)，進(jìn)水池凈長不足2.5 m，凈寬為1.4 m，不符合《小型機(jī)電排灌配套手冊(cè)》設(shè)計(jì)要求。泵改時(shí)，石路泵站經(jīng)重新設(shè)計(jì)，進(jìn)水池凈長（經(jīng)驗(yàn)公式）L=4D，D 為喇叭口直徑0.8 m，故L 取4.0 m；凈寬B=（2～2.5）D，故B 取1.6 m。進(jìn)水管口懸空高度為h1=（0.5～0.7）D，取0.5 m；進(jìn)水管口最小淹沒水深h2=（1.3～1.5）D，取1.0 m，從而保證水流平穩(wěn)，銜接順暢。實(shí)踐證明：泵站進(jìn)、出水池水流條件的好壞，不僅關(guān)系到進(jìn)、出水池效率的高低，而且會(huì)影響到機(jī)泵等其它部分的效率。因?yàn)檫M(jìn)水條件不良，會(huì)產(chǎn)生回流、漩渦；出水條件不好，會(huì)加大水頭損失，增加提水揚(yáng)程。

3.4 提高電機(jī)效率，合理配套電機(jī)容量

原石路泵站使用的電機(jī)設(shè)備型號(hào)為JO281-6，能耗高，效率低，屬于國家明令淘汰的JO 系列產(chǎn)品。2004年，對(duì)石路泵站進(jìn)行更新改造，改用Y180L-4 型電機(jī)。對(duì)絕緣老化、效率低下、有安全隱患的電機(jī)實(shí)行更新，也是提高電機(jī)效率最直接有效的途徑。

3.5 改進(jìn)傳動(dòng)方式

傳動(dòng)效率的高低與傳動(dòng)方式有關(guān)，聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率最高，但由于不能變速和改向及制造低速動(dòng)力機(jī)不夠經(jīng)濟(jì)等原因，在廣泛使用方面受到限制。當(dāng)采用皮帶傳動(dòng)時(shí)，以三角帶開口傳動(dòng)居多，三角帶的型號(hào)與根數(shù)要通過計(jì)算獲取，新舊和松緊度應(yīng)一致。只有嚴(yán)格按照皮帶傳動(dòng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝，才能實(shí)現(xiàn)高效率傳動(dòng)。石路泵站泵改前及泵改后均采用了三角帶開口傳動(dòng)方式。

從表1 測(cè)試的數(shù)據(jù)分析，石路泵站原裝置效率為41%，低于部頒標(biāo)準(zhǔn)，落實(shí)泵改的各項(xiàng)節(jié)能措施后，泵站的裝置效率明顯提高，達(dá)到65%，超過了部頒標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 其他節(jié)能措施

及時(shí)清除前池和進(jìn)水池中的污物和淤泥，清除雜草，以改善水質(zhì)，保證水流通暢，流態(tài)均勻?？刂茰厣?，注意泵站的通風(fēng)散熱，使動(dòng)力機(jī)在規(guī)定的溫升下運(yùn)行。

4 典型泵站改建前后的效益分析

4.1 社會(huì)效益

泵站改造建設(shè)不僅體現(xiàn)在量化的經(jīng)濟(jì)效益上，還體現(xiàn)在社會(huì)效益上。

（1）泵站改造后，水泵出流量增大，灌水效率提高，解決了農(nóng)田灌溉用水高峰期間的用水矛盾，使得社會(huì)更加和諧、穩(wěn)定。

（2）有效保障了灌區(qū)群眾的正常生活，保證農(nóng)業(yè)耕作正常進(jìn)行。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

由于中小型泵站改建工程為一次性投入工程，當(dāng)年投資，當(dāng)年竣工，當(dāng)年獲得收益，其經(jīng)濟(jì)效益一般采用靜態(tài)分析法計(jì)算?，F(xiàn)從和橋鎮(zhèn)具有代表性的10 座混流泵站中選取5 座典型泵站進(jìn)行泵改后經(jīng)濟(jì)效益靜態(tài)分析，以便對(duì)泵站建造工程的經(jīng)濟(jì)效益作出評(píng)價(jià)（見表2）。

從表2 可以看出，5 座典型泵站改建后，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

（1）在投資回收年限指標(biāo)上（已計(jì)入排灌增產(chǎn)效益），泵站改建工程可于4～6年時(shí)間收回投資成本，符合我國水利工程標(biāo)準(zhǔn)還本年限規(guī)定的5～15年。

（2）提高了裝置效率，降低了能源單耗，經(jīng)改建后的泵站，裝置效率一般可在原有基礎(chǔ)上提高15%～20%。

（3）泵站改造后，增加了流量，降低了成本。

根據(jù)典型實(shí)例分析，泵站改造后在節(jié)電、節(jié)水、增產(chǎn)等方面的效果也相當(dāng)顯著。

5 結(jié)論

實(shí)踐證明，通過優(yōu)化配置，對(duì)中小型泵站進(jìn)行節(jié)能改造，能切實(shí)提高泵站的裝置效率，是一項(xiàng)值得推廣的節(jié)能工程。

表2 和橋鎮(zhèn)典型灌溉泵站改建前后的經(jīng)濟(jì)效益分析