水泵裝置效率與以電折水系數(shù)關(guān)系變化規(guī)律分析研究

陳衛(wèi)國(guó)

（天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

1 以電折水系數(shù)測(cè)算工作背景

為全面貫徹落實(shí)黨的十九大精神、推進(jìn)資源全面節(jié)約和循環(huán)利用、推動(dòng)形成綠色發(fā)展方式和生活方式，依據(jù)《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的意見》（國(guó)辦發(fā)〔2016〕2 號(hào)）及國(guó)家發(fā)展改革委等四部委印發(fā)的《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革的通知》（發(fā)改價(jià)格〔2019〕855 號(hào)）要求，2020 年天津市全面完成農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革工作的任務(wù)目標(biāo)。結(jié)合本市實(shí)際情況，各區(qū)在全部改革區(qū)域內(nèi)充分利用現(xiàn)有的灌溉計(jì)量設(shè)施，通過(guò)采用直接讀取、以電折水、斷面測(cè)流等多種形式，推動(dòng)農(nóng)田水利工程全面進(jìn)行灌溉供水計(jì)量，達(dá)到農(nóng)業(yè)水價(jià)改革實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)供水計(jì)量的目的。

在該項(xiàng)工作研究過(guò)程中，對(duì)以電折水系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了重點(diǎn)探索研究，對(duì)節(jié)約能源、提高效率具有重要的意義。

2 水泵裝置效率

水泵站的裝置效率是綜合反映整個(gè)水泵站電機(jī)和水泵整體工作效能的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，其可以通過(guò)水泵裝置工作期間的平均凈揚(yáng)程做功與電機(jī)輸入功率比值計(jì)算得到。

水泵設(shè)計(jì)中采用的樣本一般考慮水泵效率，而電機(jī)效率并沒有一起考慮。所以，若想裝置效率的計(jì)算更接近于實(shí)際，需要明確出泵站裝置效率，以便達(dá)到節(jié)約能源、提高效率的目的。

綜上，采用以電折水系數(shù)概念來(lái)評(píng)價(jià)水泵站的裝置效率，可以更直觀反映能源節(jié)約程度。

3 以電折水系數(shù)相關(guān)概念及影響因素

3.1 以電折水系數(shù)的定義

以電折水系數(shù)是指水泵等電力提水設(shè)施在運(yùn)行過(guò)程中，消耗每度電將水提高到一定揚(yáng)程時(shí)能得到的平均出水量。因此，通過(guò)以電折水系數(shù)可以由一段時(shí)段內(nèi)的用電量推算出其灌溉用水量。其計(jì)算公式為，水泵出水量=用電量×以電折水系數(shù)。

從定義中可以看出，對(duì)于某一揚(yáng)程的水泵，若水泵效率高，省電，出水量大，則以電折水系數(shù)大；反之，水泵效率低，費(fèi)電，出水量小，以電折水系數(shù)小。因此，水泵實(shí)際以電折水系數(shù)與水泵效率成正比。

3.2 以電折水系數(shù)變化范圍的復(fù)雜性及影響因素

以電折水系數(shù)數(shù)值的影響因素很多，主要包括：①水泵自身特性的影響；②水泵功率匹配的影響；③機(jī)井地下動(dòng)水位變化的影響；④不同灌溉方式導(dǎo)致的水頭損失的影響。

根據(jù)分析影響因素，可以找到多種因素影響以電折水系數(shù)的大小。但是，經(jīng)過(guò)分析可以知道，這些因素之間存在一定的規(guī)律性，在滿足一定精度的前提下，可以通過(guò)規(guī)律分析出實(shí)際以電折水系數(shù)，并作為水價(jià)改革計(jì)量出水量的依據(jù)。

3.3 與以電折水系數(shù)變化規(guī)律有關(guān)的3個(gè)概念及其關(guān)系

根據(jù)以電折水系數(shù)定義，可以引出以下3 個(gè)概念，以便分析實(shí)際以電折水系數(shù)變化規(guī)律。

理論以電折水系數(shù)是指無(wú)任何能量損失的情況下，根據(jù)能量守恒定律，消耗1 kW·h 電能得到的提水量。

額定以電折水系數(shù)是指按照水泵銘牌標(biāo)注的額定出水量和額定功率，推算出來(lái)的1 kW·h 電應(yīng)該得到的出水量。

實(shí)際以電折水系數(shù)是指由于各種能量損耗的情況下，水泵每消耗1 kW·h 電實(shí)際得到的出水量。

通過(guò)分析計(jì)算，得到實(shí)際以電折水系數(shù)＜額定以電折水系數(shù)＜理論以電折水系數(shù)。根據(jù)3 個(gè)系數(shù)之間的關(guān)系可以看出，額定以電折水系數(shù)與理論以電折水系數(shù)之間的效率折減是系統(tǒng)客觀存在的，在使用過(guò)程中是不能消除的。實(shí)際以電折水系數(shù)與額定以電折水系數(shù)之間的效率折減是在水泵運(yùn)行過(guò)程中，由于使用條件的變化，包括折舊、地下水位變化幅度較大等導(dǎo)致的效率折減。

以上范圍值為估算范圍，若得到準(zhǔn)確范圍需要大量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，但是也可以作為評(píng)判以電折水系數(shù)是否脫離實(shí)際的依據(jù)。

4 以電折水系數(shù)關(guān)系變化規(guī)律分析

4.1 實(shí)際以電折水系數(shù)與理論以電折水系數(shù)之間的變化規(guī)律

4.1.1 機(jī)泵能源單耗計(jì)算

理論以電折水系數(shù)是指在沒有能量損失的理想狀態(tài)下，1 kW·h 電將水提高到對(duì)應(yīng)揚(yáng)程的提水量。該系數(shù)通過(guò)能源單耗可以推導(dǎo)出來(lái)。推導(dǎo)過(guò)程如下：機(jī)井抽水裝置由水泵、動(dòng)力機(jī)、管路系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。衡量機(jī)井抽水裝置配套合理與效率高低的一個(gè)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是機(jī)井裝置效率，它是機(jī)井抽水裝置的綜合效率，以η0表示。

機(jī)井裝置效率是機(jī)井抽水裝置輸出功率與輸入功率的比值，其計(jì)算公式為：

式中：P1和P2分別為抽水裝置的輸出功率和輸入功率（kW）。

由于機(jī)井裝置效率為各項(xiàng)裝置包括水泵、動(dòng)力機(jī)、管路系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的效率的乘積，所以在實(shí)際配套機(jī)井運(yùn)行情況下難以實(shí)現(xiàn)分項(xiàng)測(cè)量。為了方便計(jì)算，一般利用理論能源單耗與實(shí)際能源單耗的比值來(lái)計(jì)算η0。

能源單耗是衡量機(jī)井配套合理、效率高低的另一項(xiàng)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，是指從機(jī)井中提水1 kt·m所消耗的能源數(shù)量。其計(jì)算公式為：

式中：ΣE 為某一時(shí)段內(nèi)所消耗的電能（kW·h）；ΣV為同一時(shí)段內(nèi)提水總量（m3）；H0為凈揚(yáng)程（m）。經(jīng)計(jì)算，每kt·m功的能源單耗為2.72 kW·h。

4.1.2 通過(guò)能源單耗計(jì)算理論以電折水系數(shù)

由機(jī)泵能源單耗可以得出，在無(wú)任何能源損失的理想狀態(tài)下，1 kt·m 功的能源單耗為2.72 kW·h，由此相反可以推導(dǎo)出來(lái)，1kW·h 電1 m 揚(yáng)程提水量為367.647 m3。相應(yīng)揚(yáng)程理論以電折水系數(shù)成果，詳見表1。

表1 相應(yīng)揚(yáng)程理論以電折水系數(shù)成果

該成果是在沒有任何能量損失的理想情況下計(jì)算得到的水泵裝置對(duì)應(yīng)揚(yáng)程的最大以電折水系數(shù)，該系數(shù)就是對(duì)應(yīng)揚(yáng)程的每度電提水量的最大值即理論以電折水系數(shù)。從表1可以看出，揚(yáng)程越大，理論以電折水系數(shù)越小。

4.1.3 通過(guò)理論以電折水系數(shù)計(jì)算實(shí)際以電折水系數(shù)

機(jī)井裝置效率是機(jī)井抽水裝置輸出功率與輸入功率的比值，其計(jì)算公式為：

由式（3）可以看出，輸出功率越多，則每度電提到相同揚(yáng)程的水量應(yīng)該也越多，二者成正比關(guān)系。因此，裝置效率η裝=P1/P2=實(shí)際以電折水系數(shù)/理論以電折水系數(shù)，從而可以推出實(shí)際以電折水系數(shù)=η裝×理論以電折水系數(shù)。

裝置效率的大小與泵型有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其變化范圍在0.3～0.7。但是，《機(jī)井技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，電動(dòng)機(jī)配套的機(jī)井裝置效率不應(yīng)低于45%。據(jù)此，可以確定機(jī)井裝置效率η裝變化范圍為0.45～0.70。

《泵站技術(shù)管理規(guī)程》（GB/T 30948-2014）和《泵站更新改造技術(shù)規(guī)程》（GB/T50510-2009）中泵站裝置效率規(guī)定值最小值均為0.55，因此理想泵站裝置效率η裝變化范圍為0.55～0.70。結(jié)合實(shí)際，經(jīng)綜合分析，泵站裝置效率η裝變化范圍可以確定為0.45～0.77。

4.2 額定以電折水系數(shù)與理論以電折水系數(shù)之間的變化規(guī)律

4.2.1 額定以電折水系數(shù)

額定以電折水系數(shù)是指按照水泵銘牌標(biāo)注的額定出水量和額定功率，推算出來(lái)的1 kW·h電應(yīng)該得到的出水量。從定義可以看出，額定以電折水系數(shù)是水泵廠家生產(chǎn)時(shí)在正常使用狀態(tài)下、水泵達(dá)到的正常工作狀態(tài)。

在揚(yáng)程一定的情況下，要達(dá)到一定的出水量就需要相應(yīng)的水泵功率，因此需要選配電動(dòng)機(jī)的功率與水泵配套。一般電動(dòng)機(jī)的功率一定大于水泵所需要的功率，但是又不能過(guò)大。從節(jié)能方面考慮，這樣做就避免了“大馬拉小車”。為此，在選配的過(guò)程就必須做到機(jī)泵配合。

4.2.2 通過(guò)額定以電折水系數(shù)計(jì)算額定效率

一般而言，根據(jù)水泵銘牌就可以知道對(duì)應(yīng)機(jī)井的出水量和功率，二者相除即可得到額定以電折水系數(shù)。選定水泵的額定出水量和配套電機(jī)額定功率是為了滿足實(shí)際所需揚(yáng)程的要求，因此該水泵的額定以電折水系數(shù)與理論以電折水系數(shù)的比值反映了水泵裝置的效率。該效率內(nèi)已經(jīng)包括了水泵、電機(jī)、管路和傳動(dòng)系統(tǒng)的能量損耗。對(duì)于正常使用的機(jī)泵而言，通過(guò)水泵裝置效率統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其額定以電折水系數(shù)與理論以電折水系數(shù)的比值為0.52～0.73。該額定效率η1=額定以電折水系數(shù)/理論以電折水系數(shù)。

選定200QJ32 系列水泵樣本計(jì)算額定系數(shù)得到如下成果，詳見表2。從表2 可以看出，水泵效率變化范圍為0.50～0.62，從而得到η1變化范圍為0.50～0.70。

表2 200QJ32系列水泵樣本額定以電折水系數(shù)及效率計(jì)算成果

4.3 實(shí)際以電折水系數(shù)與額定以電折水系數(shù)之間的變化規(guī)律

從測(cè)試成果看出，實(shí)際以電折水系數(shù)大小與額定以電折水系數(shù)直接相關(guān)。實(shí)測(cè)以電折水系數(shù)平均值與額定以電折水系數(shù)幾乎相同。但是，考慮到在機(jī)井運(yùn)行過(guò)程中，隨著地下動(dòng)水位的變化，井實(shí)際揚(yáng)程與水泵額定揚(yáng)程之間的匹配程度和水泵出水量相應(yīng)變化。動(dòng)水位升高，則實(shí)際揚(yáng)程變小，水泵出水量則會(huì)增加；相反，動(dòng)水位下降，實(shí)際揚(yáng)程增大，對(duì)應(yīng)原型號(hào)的水泵出水量就會(huì)減小。實(shí)際的以電折水系數(shù)與額定的以電折水系數(shù)的比值與地下水動(dòng)水位密切相關(guān)?？紤]到區(qū)域地下水變化，根據(jù)典型機(jī)井實(shí)際測(cè)試的以電折水系數(shù)明顯趨近于某一個(gè)范圍，該范圍值圍繞額定以電折水系數(shù)正負(fù)波動(dòng)值為0.1。

5 結(jié)論

從3 個(gè)系數(shù)之間的關(guān)系可以看出，滿足下述關(guān)系可以知道其是符合規(guī)律的，從而判斷出實(shí)際以電折水系數(shù)是否在允許范圍內(nèi)。

實(shí)際以電折水系數(shù)=η1×理論以電折水系數(shù)，η1合理取值范圍為0.45～0.77；額定以電折水系數(shù)=η2×理論以電折水系數(shù)，η2合理取值范圍為0.50～0.70；實(shí)際以電折水系數(shù)=η3×額定以電折水系數(shù)，η3合理取值范圍為0.90～1.10；其中，理論以電折水系數(shù)=364.647/水泵揚(yáng)程。

由此可以看出，η1=η2×η3，系數(shù)η1就是水泵站裝置效率η裝。該范圍值根據(jù)定性分析得到，若想得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，則需要進(jìn)行大量試驗(yàn)分析匯總。