灌區(qū)小型泵站的節(jié)能方法探析

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到445 m，一共建設11 座泵站（其中不含總二支上的兩級泵站），干渠整體長度為31.8 km（明渠整體長度為30.1 km），其裝機容量達到6.87 萬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，再通過小泵站分流進行灌溉，既能降低能源單耗，又能提高水資源利用效率，滿足當?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，我國農(nóng)業(yè)灌溉事業(yè)快速發(fā)展，小型泵站建設水平越來越高，為了緩解當前水資源短缺的局勢，要采取科學方法，對灌區(qū)小型泵站進行優(yōu)化改造，提高泵站運行效率，降低灌溉過程中的水資源消耗，提高水資源利用效率，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 影響灌區(qū)小型泵站運行效率的因素

1.1 泵站布局不合理

泵站設計缺乏科學性，導致泵站建設布局不合理，不僅影響水資源利用率，而且加大了泵站運行能耗。

1.2 配套設施不完備

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

1.3 水泵動力不足

機電設備動力不足，水泵葉輪加大后，啟動機組時聲音大。

1.4 水泵安裝不規(guī)范

水泵在設計、安裝時沒有按照操作標準進行，水泵安裝不穩(wěn)定，運行中震動較嚴重。

1.5 泵站管理不到位

小型泵站缺乏科學合理的日常運維管理，沒有及時清理進出水池的雜物、攔污柵的污物；對泵站中的電機、水泵等設備沒有及時檢修保養(yǎng)，對磨損嚴重、老化破損的零部件沒有及時維修和更換，影響水泵運行。

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，其能耗會受到導線材料與規(guī)格、負荷大小、電網(wǎng)功率大小、輸電線路長短、運行時間的影響。而在變壓器方面，變壓器在電網(wǎng)系統(tǒng)中能耗占比達到60%～70%，灌區(qū)泵站變壓器是非常重要的能耗設備。當變壓器負載率降低時，其運行效率也會降低。

2.2 電動機和傳動裝置能耗

2.2.1 電動機能耗 主要有鐵損耗、銅損耗和機械損耗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，那么銅損值會增加。電流集膚效應或者是高次諧波都將引起雜散損耗。機械損耗是由風阻和軸承引起的。

2.2.2 傳動裝置能耗 當水泵與電動機有著基本相同額定轉速（不超過2%），并且都是臥式機組或者是立式機組時，可采用直連傳動，水泵運行效率將會提升，但是這種方式無法改變水泵轉速，因此一般是在揚程不會產(chǎn)生太大變化的泵站中應用。當電動機與水泵轉速、轉向不同時，水泵軸、電動軸部如果處于相同直線上，可運用間接傳動方式。小型泵站通過皮帶傳動方式運轉，這一方式彈性較好，能有效吸收振動及沖擊振動，使得水泵運轉更加平穩(wěn)，并且能夠降低噪音，過載時能夠保護其他零件不受損壞。其缺陷是無法保證傳動比的穩(wěn)定性，相較于直接傳動，傳動效率較低。平皮帶具有較小傳動比，傳動效率通常為90%～93%，一般會應用在功率比40 kW 的小型泵站中。三角皮帶的梯形斷面?zhèn)鲃颖容^大，效率能夠達到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械、水力和容積3 方面的損失。機械損失主要是軸封與軸承在摩擦中形成的摩擦損失，或者是葉輪在旋轉過程中，其蓋板外側、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)液體流動時形成的水力損失；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三通、彎頭、閥門、縮節(jié)等時因管路改變而出現(xiàn)的能耗。通過實驗可知，沿程水頭損失與流程長度呈正比關系，和管徑呈反比關系。

2.4 前池能耗

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

2.5 進水池與出水池能耗

進水池存在附壁漩渦和表面漩渦，會降低水泵效率，同時形成周期性的噪音與振動，會嚴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方向是相反的，水泵揚程、功率都會增加，水泵效率會隨之降低；葉輪如果和回流方向是相同的，水泵功率、揚程及效率都會降低。由于水流方向不同，能夠形成正向出水與側向出水，一般正向出水的能耗小，水流平順；而側向出水會形成較高水位，水頭損失較大。

3 灌區(qū)小型泵站節(jié)能方法

3.1 加強電機改造，提升運行效率

3.1.1 保障機泵配套合理性 要合理設定機泵配套功率的備用系數(shù)，系數(shù)過大，容易降低電動機效率，增大變壓器以及輸電線路的能源損耗；系數(shù)過小，容易加大動力機運行負擔，影響其使用壽命。經(jīng)過研究，電動機負荷率要保持在0.7 以上，如果小于這一數(shù)值，則需要改進，可以通過調(diào)整其轉動速度來提升其運行效率[2]。

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

3.1.3 加強對電機的維修和管理 日常運行中要規(guī)范操作，避免因操作不當而損壞電機設備。要強化對柴油機的機務管理工作，進行日常檢修和保養(yǎng)，降低機械構件之間的摩擦造成的設備損失，定期涂抹潤滑油，合理調(diào)整零件間隙。合理控制冷卻水水溫，提升柴油機燃油效率。

3.2 優(yōu)化水泵設計，提升運行效率

3.2.1 選擇合適的水泵型號 水泵型號質(zhì)量指標主要有揚程、功率、轉速等。要結合水泵性能曲線和管路曲線的特點，對水泵不同工作點的揚程參數(shù)進行分析，確保水泵能夠穩(wěn)定運行。如果在對水泵型號、質(zhì)量進行核檢時發(fā)現(xiàn)指標不符，要對其及時進行調(diào)整，保障設備配套、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)和實際需求不相符，水泵低效率降低，設備使用壽命受到影響，能耗增大。因此，要使水泵性能符合實際需求。不同的水泵型號采取的調(diào)節(jié)方法不同，離心泵、小型混流泵利用改變轉速、調(diào)節(jié)水流等方式進行調(diào)節(jié)，軸流泵可以使用變速、變角進行調(diào)整，葉片泵可以利用變速進行調(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行效率，可以更換零部件減輕水泵運行負荷。

3.2.4 強化設備保養(yǎng) 要對水泵進行定期保養(yǎng)，減輕零部件之間的磨損。要制定科學合理的水泵維保機制，強化監(jiān)督管理，日常保養(yǎng)，定期大修，發(fā)現(xiàn)老舊、損壞的零件及時更換，尤其是要對葉輪、口環(huán)等部件運行狀態(tài)進行檢查。

3.2.5 規(guī)范安裝 安裝水泵時要規(guī)范操作，安裝不當會導致水泵在運行過程中出現(xiàn)震動、噪聲、過熱等問題。

3.3 提高管路效率

管路是灌區(qū)小型泵站的重要構成，科學設計和管理管路對泵站的運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，水流運行阻力減少，泵站運行過程中的能源消耗減少，但是前期建設投資較大；管徑減小，雖然投資降低，但是運行中水流阻力加大，整體運行過程能消量增大[4]。因此，選擇管道型號時要綜合考量，從經(jīng)濟、環(huán)保、實用的角度出發(fā)選擇適宜的管材。

3.3.2 合理設置彎頭 盡量減少進、出水管的長度，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，可以把進出口設計為喇叭口，保障閘閥全部打開，科學使用拍門、逆止閥。

3.3.4 日常巡視 要強化對管路的日常巡視，仔細檢查管路裂縫、破損等，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

3.4 科學規(guī)劃進出水池

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

4 結語

隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌區(qū)建設力度越來越大，對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，強化對灌區(qū)小型泵站節(jié)能設計和改造，提升其運行效率、降低能耗，有利于提升灌區(qū)小型泵站的節(jié)能效果。通過對電機、水泵、管路、進出水池等進行優(yōu)化改造和創(chuàng)新設計，提升泵站整體運行效率。此外，還要不斷提升泵站管理人員的管理水平，做好泵站的日常運維工作。