大型泵站系統(tǒng)節(jié)能途徑分析

范嘉維

（肇慶市鼎湖區(qū)機電排灌管理站，廣東 肇慶 526070）

1 引言

20世紀60年代以來，隨著泵站效率和能耗的長期深入研究，形成了完整的理論體系。在泵站工程規(guī)劃設計的科學研究中，人們只關注泵、泵組或泵站的效率，泵組件僅包含泵扇形區(qū)和進出口通道或管道[1]。泵站效率等于電動機效率、傳動效率、泵組效率和進出水池效率的乘積。研究范圍擴大，但泵站效率不能充分反映泵站的整體效率和泵站系統(tǒng)的總能量經濟性能。研究大型泵站系統(tǒng)的能耗和節(jié)能潛力，可以提高泵站系統(tǒng)的設計水平，充分發(fā)揮工程效率，將帶來可觀的經濟效益和社會效益[2，3]。

2 泵站系統(tǒng)

大型泵站的能耗設備和流量設施通常包括主泵、電動機、傳動機構、進出口通道及其附件、前池和出水池。事實上，為了輸水，其他機電設備、金屬結構（如油、氣、水輔助設備、起重機、攔污柵、清污設備）和照明設備也是必不可少的。以上為泵站能耗設備及設施。從更廣泛的角度來看，一方面需要特殊的輸電設施來提供大量的能源。另一方面，水源水要通過河流或管道輸送到目的地一定距離。因此，從制度上看，要完成從水源地到目的地的調水任務，輸電、泵站和輸水設施要齊心協(xié)力。

2.1 能耗分析

按照能量轉移順序，能量從外部的變電站通過專用高壓輸電線路轉移到泵站的主變電站，然后沿供電電纜轉移到主電機和輔助設備等。因此，對于泵站系統(tǒng)，一部分功率是有用的有效功率，另一部分功率轉化為傳輸損耗、變壓器損耗、變頻損耗、電機損耗、傳輸機構損耗、主泵損耗、通道損耗、水池損耗、廠用變壓器損耗、輔助設備能耗、輸水損耗等。

2.2 有效功率

對于泵站系統(tǒng)，假定源水位為z0（m），源流量為Q0（m3/s），目 的 水 位 為z1（m），目 的 流 量 為Q1（m3/s），則有效功率Pe（W）為：

式中，ρ為水的密度，kg/m3；

g是重力加速度，m/s2。

2.3 輸水渠道能量損失

在河道或河流的輸水過程中，不可避免地會產生水損失和水力損失。水損失和水力損失是由泵站提供的外部工程損失。河流因滲漏和蒸發(fā)造成的水量損失，是指起始側總流量與末端側凈流量之差。河流或河道的水頭損失是指起始側和終止側的水頭差。因此，河流或河道的能量損失是相應起始側和結束側之間的功率差。

2.4 泵站能耗

(1)池塘和通道的能量損失。當水流經過泵站前后的前池和出水池時，由于水流面積的減小和擴散，會產生局部漩渦和水流脫落，造成水頭損失。其值等于泵總成揚程減去泵站揚程。當水通過進出口通道時，由于轉彎、斷面形狀變化和水泵的影響，斷面流速分布不均，會產生非軸流、規(guī)則流和附加水頭損失。同時，流型也會影響泵和泵總成的性能。

(2)泵的能量損失。在泵軸功率傳遞過程中，要克服機械損失、水力損失和容積損失。泵效是衡量泵性能的重要技術指標。

(3)傳動機構的能量損失。如果驅動裝置直接連接泵和電機，則傳動機構中沒有能量損失。齒輪傳動箱在使用過程中會產生能量損失，主要是由于齒輪嚙合的摩擦損失、攪拌潤滑油的阻力損失和軸承的摩擦損失。齒輪箱傳動效率與傳動比、電機轉速和傳動功率有關，一般為96%～98%。

(4)電機能量損失。電動機的能量損耗包括鐵損耗、銅損耗、機械損耗和雜散損耗。電機效率與功率因數(shù)和負載率有關，平均值為92%～95%。

(5)變頻器能量損耗。變頻器的能量損耗包括整流損耗、逆變損耗和控制電路損耗。其中，前兩項約占虧損總額的90%。在一定頻率下，負載電流對變頻器的損耗起著決定性的作用。

(6)站內能耗。站內用電設備主要為輔助設備，保證主泵正常工作。通常包括勵磁變壓器、給水泵、排水泵、風機、壓力油泵、空壓機、攔污柵及清污設備、照明設備等。這些設備中，有的連續(xù)運行，有的間歇運行，運行時間也不同。因此，在不同的時間間隔，功耗是不同的。同時，不同泵站的輔助設備及其運行方式也不盡相同。

2.5 輸電能量損失

（1）變壓器損耗。在實際運行條件下，變壓器損耗額定為空載損耗Pkz和負載損耗Pfz，在額定條件和實際容量S下，即：

式中：Se是變壓器的額定容量，kVA。

變壓器效率ηb是變壓器輸出功率與輸入功率之比，即：

式中：β是變壓器的負載率，β=S/Se。

（2）傳輸損耗。輸電損耗與電流、電纜長度、電纜材料、截面積等參數(shù)有關。輸電電纜分為兩部分。一部分由廠外變電所至主變電所，另一部分由主變電所至站內主電機等電氣設備。

3 泵站系統(tǒng)節(jié)能途徑設計與選擇分析

（1）輸水渠道。選擇河道時，要求河道平、直、短、彎道少、斷面經濟、土質好，以減少水土流失。盡量利用現(xiàn)有河流減少土方量。新建渠道應考慮對周邊環(huán)境和建筑物的影響。因此，有必要從技術和經濟兩個方面對既有渠道與新挖渠道進行比較。

（2）前池和出水池。前池和出水池的形狀和尺寸設計應合理，否則會引起漩渦、回流、壁面脫落等不良水力現(xiàn)象，導致前池和出水池效率降低。

（3）入口和出口通道。進出口通道的設計對工程投資、運行費用和節(jié)能降耗具有重要影響。流線應平滑均勻變化，流速應經濟。增大斷面面積，不僅可以降低流動阻力，而且可以降低能耗和年運行費用，但一次性投資會增加。相反，如果截面面積減小，則流動阻力和功耗會增加，但投資會減少。因此，通道的設計應短、彎頭少、粗糙度低、不必要的附件少。

（4）泵的選擇。根據泵的性能曲線和進出口通道特性曲線，對泵的工作參數(shù)進行平均、最高和最低揚程的校核。要求泵站在平均揚程下高效運行，在最高揚程和最低揚程下安全穩(wěn)定運行。對于揚程和流量變化較大的泵站，應根據不同的輸水目標配置水泵葉片或調速機構來調節(jié)運行工況。

（5）電機選擇。當電機轉速與泵相接時，可采用直接驅動。當泵的運行方式變化較大，電機不能調速時，應采用間接傳動。如果電動機的備用系數(shù)過大，其效率就會降低。同時，電機的功率因數(shù)會降低，導致輸電線路和變壓器損耗增加。備用系數(shù)也不宜太小，否則電機會過載運行，縮短其使用壽命。

（6）調節(jié)模式選擇。對于所有的葉片泵，其工作負荷可以通過調節(jié)頻率來調節(jié)。但是變頻裝置很貴，從控制方式、安裝、電壓等級、調速范圍、精度等方面進行分析，變頻裝置的容量應不大于過載能力。對于帶有葉片調節(jié)機構的泵，其工作職責可以通過調整葉片角度來調節(jié)。對于不同的葉片調節(jié)方式，其調節(jié)功能、結構、成本、可靠性和調節(jié)力都不盡相同。對于具體的泵站和泵型，應綜合考慮多種因素，選擇合適的調節(jié)方式。

（7）輸電。對于高壓、輸電距離較短的泵站，高壓線路可直接從廠外變電所接入。否則，需要單獨建設變電站。

輸電線路的功率損耗與輸電方式、電壓等級、電流、電阻和電纜長度有關。假定所有機組均在額定功率下運行，電機效率95%，功率因數(shù)0.9，泵站房內2臺800 kVA變壓器滿負荷運行，計算出不同送電方式和電壓等級下的輸電線路損耗，并對其進行了計算，結果見表1。

表1 不同傳輸方式和供電電壓等級下的傳輸線損耗

由表1可知，110 kV架空線路的輸電損耗與供電電壓無關，與線路電阻、線路長度和泵站系統(tǒng)負荷有關。對于電纜傳輸，損耗與電源電壓有關。電壓等級越高，損耗越小。110 kV架空線路的輸電損耗是6 kV架空線路的0.003倍，是6 kV或10 kV電纜的0.065倍或0.181倍。為了減少輸電損耗，輸電線路不能太長。

由于架空線路采用裸電線，在不考慮絕緣情況下，架空線路價格低于電纜。在架空線路的高壓走廊下，禁止修建經常有人走動的建筑物。電纜運行可靠，無需維護和桿塔。因此，對于高價值土地，有必要從技術和經濟方面考慮選擇電纜或架空線路。

選擇變壓器時，實際負荷應接近設計的最佳負荷。一般情況下，變壓器的負載率為60%～70%。大容量將增加輸電線路的損耗。如前所述，在一定負載率下，Pkz和Pfz越小，效率越高。

4 經營管理

（1）輸水渠道。輸水損失與河流長度、斷面尺寸、形狀、糙率、岸坡植被、流量、土壤等因素有關。為減少渠道失水，應加強渠道管理，減少孔口、裂縫和滲漏。對于土質不良的渠道，應采取加固措施。對于泥沙嚴重的河道，應進行疏浚，以減少水力損失。

（2）變壓器運行。對于給定的變壓器，Pkz和Pfz的值是確定的，效率ηb由負載率β決定。在式（3）中，取帶β的導數(shù)，使之等于零，則，即當負載損耗等于空載損耗時，變壓器效率最高。在實際運行中，通過合理調整變壓器負荷可提高效率。

以某大型泵站為例，變壓器安裝方案有兩種，一種為2萬kVA變壓器（4臺電動機供電），另一種為2萬kVA變壓器（每臺變壓器2臺電動機供電）。由于10 000 kVA變壓器損耗的額定損耗小于20 000 kVA變壓器，當負載小于3 524.5 kW時，10 000 kVA變壓器的效率高于20 000 kVA變壓器。相反，當負荷大于3 524.5 kWW時，10 000 kVA變壓器的效率低于20 000 kVA變壓器。

變壓器損耗見表2，可以看出，對于運行功率較小的泵站，小容量變壓器損耗較低，小容量變壓器比較合適。另外，對于運行功率較大的泵站，大容量變壓器損耗較低，適合采用大容量變壓器。

表2 兩種變壓器損耗單位：kW

（3）最佳操作。對于大型泵站，可以通過調節(jié)轉速來調節(jié)泵的工作負荷；對于葉片可調的軸流泵，可以通過調節(jié)葉片角度來調節(jié)泵的工作負荷。以泵組效率最高或機組運行費用最低為目標，與設計方案相比，優(yōu)化運行方案的費用節(jié)省2%～9%。對于包括輸水渠道和輸電設備在內的泵站系統(tǒng)來說，優(yōu)化運行問題更為復雜，節(jié)能效果更為顯著。

5 結論

泵站系統(tǒng)由輸電、泵站和供水設施組成。系統(tǒng)的能耗、節(jié)能效果和方式與系統(tǒng)中的設備設施有關。在泵站設計中，通過技術經濟比較，合理選擇水渠、前池、出水池、進出水渠、水泵、電動機、驅動方式、調功方式、變壓器、輸電方式和電壓等級。在運行管理中，通過合理調整運行職責，使系統(tǒng)輸入功率最小。