農(nóng)業(yè)水利工程中高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗技術(shù)研究

劉振興

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

一般情況下，灌溉水源相對匱乏的地區(qū)，多是高揚(yáng)程提水灌區(qū)，泵站裝置利用不可避免地會存在一定能源過消耗現(xiàn)象，運行效率較低，不僅影響當(dāng)?shù)卦忌鷳B(tài)環(huán)境，也不利于提升當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)種植人員收入。水資源匱乏，自然生態(tài)環(huán)境的承載能力必然較差，因此，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)水利節(jié)水灌溉工程建設(shè)與優(yōu)化勢在必行。筆者針對甘肅省景泰川電力提灌工程灌區(qū)的高揚(yáng)程提水泵站高耗能問題進(jìn)行深入分析，明確落實高揚(yáng)程提水泵站“節(jié)能降耗”工程目標(biāo)，從節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用與優(yōu)化方面展開詳細(xì)敘述。

1 高揚(yáng)程提水泵站耗能較大的原因分析

為切實分析好農(nóng)業(yè)水利工程中高揚(yáng)程提水泵站能耗較大的主要原因，筆者以甘肅省景泰川電力提灌工程為例，結(jié)合其具體工程條件，由淺入深、由點到面地厘清該項目高揚(yáng)程提水泵站耗能較大的原因所在，為其他農(nóng)業(yè)水利工程項目建設(shè)提供參考。甘肅省景泰川電力提灌工程（以下簡稱景電工程）是一個流量大、跨省區(qū)、存在多梯級的大型提灌工程。一期工程開工于1969 年，設(shè)計提水流量10.6 m3/s，泵站13 座，總揚(yáng)程約470 m。工程建成后，極大地改善了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。但是，長時間使用所導(dǎo)致的高揚(yáng)程提水泵站設(shè)備磨損、老化、腐蝕等問題，無形中也增加了高揚(yáng)程提水泵站的事故風(fēng)險[1]。因此，在對該工程高揚(yáng)程提水泵站進(jìn)行節(jié)能降耗改造之前，筆者先分析該農(nóng)業(yè)水利工程高揚(yáng)程提水泵站耗能較高的主要原因。

1.1 規(guī)定揚(yáng)程高于實際

景電工程建設(shè)時間早，實際上的灌區(qū)高揚(yáng)程提水泵站建設(shè)與運行受到當(dāng)時的技術(shù)水平與客觀條件制約，導(dǎo)致可應(yīng)用水泵型號不全與水泵種類不全等現(xiàn)實問題。進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌區(qū)高揚(yáng)程提水灌溉工作時，經(jīng)常沒有適宜的水泵型號可供選擇，也無法根據(jù)水泵設(shè)備平均揚(yáng)程選擇合適水泵，為確保農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉效率而直接采用最大揚(yáng)程，導(dǎo)致灌溉過程過度耗能[2]。例如，在對農(nóng)業(yè)灌區(qū)進(jìn)行提水灌溉工作時，一部分支桿泵站的水泵型號選擇HS900-800-115，其額定揚(yáng)程為80.4 m，實際上該水泵卻常年在60 m~70 m 揚(yáng)程范圍內(nèi)運行使用。如此一來，水泵的額定揚(yáng)程遠(yuǎn)大于實際揚(yáng)程，造成泵站過度耗能。

1.2 配套設(shè)施不夠完善

景電工程灌區(qū)受到當(dāng)時高揚(yáng)程提水泵站建設(shè)的條件影響，無法選用合適的農(nóng)田灌溉水泵，從而采用功率相對較大的動力機(jī)，使該農(nóng)業(yè)水利工程高揚(yáng)程提水泵使用存在一定的“大馬拉小車”現(xiàn)象。仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，造成此類情況出現(xiàn)的其中一個原因同其他農(nóng)業(yè)水利工程一樣，即高揚(yáng)程提水泵站部分設(shè)備組合不合理，是臨時拼裝投入運用。如此，高揚(yáng)程提水泵站設(shè)備組件相互不配套，自然影響了其農(nóng)田實際灌溉效率，不僅增加了泵站能源消耗，也不利于農(nóng)業(yè)灌區(qū)生產(chǎn)力的提高[3]。例如，工程人員未能選擇與農(nóng)田灌溉需求相匹配的水泵機(jī)型，動力機(jī)選擇與實際不符；采用保守的備用系數(shù)，動力機(jī)實際運行效率不高卻功率極大，所造成的能源消耗完全無法與灌區(qū)實際灌溉需求匹配。最終，動力機(jī)能源消耗低效轉(zhuǎn)換，長此以往，引發(fā)嚴(yán)峻的農(nóng)業(yè)水利工程高揚(yáng)程泵站耗能問題。

1.3 設(shè)備存在磨損腐蝕

在農(nóng)業(yè)水利工程高揚(yáng)程提水泵站建設(shè)過程中，泵站作業(yè)常會因為大流量的直接作用而持續(xù)不斷地對泵站水泵造成內(nèi)部沖擊[4]。再加上農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉用水常含大量雜物，若雜物一直與水泵發(fā)生碰撞，時間一久，便會導(dǎo)致水泵受到不同程度的磨損，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)水利工程水泵設(shè)施的實際運行。若是維護(hù)人員無法及時地對灌區(qū)水泵進(jìn)行維修保養(yǎng)，不但會導(dǎo)致之后的農(nóng)田灌區(qū)高揚(yáng)程提水灌溉工作泵站耗能大、效率低，甚至還有可能隱性影響農(nóng)田作物的實際產(chǎn)量，導(dǎo)致低效的作物灌溉問題發(fā)生。以甘肅省景泰川電力提灌工程在農(nóng)田灌區(qū)灌溉的實際運作情況為例，該工程泵站設(shè)備不僅存在磨損問題，還表現(xiàn)出明顯的老化、腐蝕現(xiàn)象[5]。例如，管道有明顯的生銹痕跡，經(jīng)過長時間的泥沙沉積，水泵出口密封圈遭到肉眼可見的腐蝕，水泵密封性能受到?jīng)_擊，水泵設(shè)備內(nèi)形成坑槽，流水阻力變大。若不重視上述情況，泵站設(shè)備耗能問題會愈發(fā)嚴(yán)重，當(dāng)造成不可挽回的后果時，將直接拔高農(nóng)業(yè)水利工程泵站設(shè)備維修成本，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，不利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展。

1.4 機(jī)組流量不匹配

在農(nóng)業(yè)水利高揚(yáng)程提水灌溉工程中，泵站所使用的機(jī)組多是按照當(dāng)?shù)氐乃Y源情況以及實際灌溉需求來確定的。所以，明確甘肅當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物主要是小麥、玉米等，便可以通過上述農(nóng)作物生長所需的實際水量與灌溉特點等，確定相應(yīng)的大流量機(jī)組。例如，小麥灌溉需水量大，具有明顯的季節(jié)特征，灌溉次數(shù)無需太多，單次灌溉充足即可。但隨著時間推移，甘肅部分灌區(qū)農(nóng)作物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，經(jīng)濟(jì)型農(nóng)作物種類逐漸增多，傳統(tǒng)的泵站大流量機(jī)組不再能滿足各類灌區(qū)農(nóng)作物的實際灌溉需求，導(dǎo)致該工程高揚(yáng)程提水泵站運行能耗增加[6]。例如，景電一期工程水泵機(jī)組對灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物進(jìn)行提水灌溉時，根據(jù)需要，應(yīng)盡可能采用小流量機(jī)組完成灌溉工作，但主干機(jī)組則依然沿用較大流量泵站機(jī)組，對灌區(qū)內(nèi)需水量較少的農(nóng)作物進(jìn)行少量多次灌溉。這樣一來，每次灌溉都會由于主干泵流量較大引發(fā)一定的高耗能問題。久而久之，十分不利于灌區(qū)農(nóng)作物健康生長，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。

2 高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗的方法與路徑

結(jié)合前文分析可知，在農(nóng)業(yè)水利工程建設(shè)中重視高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗，一方面能影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，另一方面能提高農(nóng)業(yè)種植人員收入水平，減少煩瑣的農(nóng)作物種植環(huán)節(jié)與種植工作量，滿足農(nóng)作物生長灌溉需求。因此，以“可持續(xù)發(fā)展觀”為指引，以“綠色、環(huán)?！睘樵瓌t，以“創(chuàng)新實踐”為核心，筆者將重點分析景電工程灌區(qū)高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗技術(shù)的優(yōu)化運用，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率，促進(jìn)甘肅地區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展[7]。

2.1 提高泵站動力機(jī)運行效率

要想提高景電工程灌區(qū)高揚(yáng)程提水泵站運行效率，科學(xué)實現(xiàn)“節(jié)能降耗”，首先需要工作人員合理提升泵站動力機(jī)運行效率[8]。在景電工程中，動力機(jī)的主要形式為電動機(jī)站，需要借助電動機(jī)運行效率的提升來增強(qiáng)節(jié)能降耗效果。所以，除了需要優(yōu)化灌區(qū)泵站設(shè)計制造方案外，還應(yīng)從以下幾方面合力改進(jìn)：1）結(jié)合灌區(qū)灌溉需要，對工程泵站機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化，不再一味沿用保守備用系數(shù)，對備用系數(shù)進(jìn)行合理調(diào)改，改善灌區(qū)電動機(jī)站實際運行負(fù)荷，使電動機(jī)運行效率得以提升。這樣不僅可以避免必須運用大功率電動機(jī)帶動小流量機(jī)組的問題發(fā)生，也可以科學(xué)延長農(nóng)業(yè)水利工程實際使用壽命。具體而言，泵站機(jī)組配套設(shè)施的備用系數(shù)不宜過大，電動機(jī)效率曲線應(yīng)確保在1.0~1.7 之間，機(jī)組配套設(shè)施效率系數(shù)在0.8 為宜，工程泵站電動機(jī)運行效率保持0.8 左右。2）優(yōu)化電動機(jī)實際轉(zhuǎn)速。在不降低動力機(jī)傳動效率的基礎(chǔ)上，為最大程度確保灌區(qū)作物灌溉需水量，電動機(jī)采用繞組接線方法，由“△”法改為“Y”法，提高電動機(jī)的自然功率因數(shù)，使泵站運行節(jié)能降耗，作物灌溉合理不浪費。

2.2 提高水泵運行實際效率

根據(jù)灌區(qū)農(nóng)作物灌溉需要、景電工程當(dāng)?shù)厮|(zhì)條件和生態(tài)環(huán)境等，工作人員除了應(yīng)該根據(jù)灌區(qū)作物提水灌溉需求，設(shè)計并選擇符合具體灌溉需要的水泵型號，還應(yīng)對水泵管路運行效率進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。具體而言：1）重視泵站水泵優(yōu)化改進(jìn)工作，以解決葉片流道斷面突變問題以及二次回流問題為導(dǎo)向，對水泵的葉片、導(dǎo)葉、進(jìn)水室、出水室等完成優(yōu)化，科學(xué)減少水力損失[9]。2）在實際選擇配套設(shè)施時，按照水泵性能曲線以及合理的管道系統(tǒng)曲線，計算農(nóng)田水利灌溉平均揚(yáng)程、灌區(qū)灌溉最大揚(yáng)程功率參數(shù)等，保證每一次景電提灌工程高揚(yáng)程提水泵站的水泵投入使用時，都可以在最大揚(yáng)程運行范圍，避免不必要的電力浪費，保證作物灌溉過程穩(wěn)定、可靠，無耗能波動。需要注意的是，針對景電提灌工程中已不能再滿足作物灌溉需求的水泵，工作人員需以工作重點轉(zhuǎn)移為第一準(zhǔn)則，通過改變其性能曲線，從而達(dá)成灌溉使用過程節(jié)能降耗的目的。3）制定水泵日常維修管理制度，確保設(shè)備維修保養(yǎng)落到實處。例如，提高對葉輪、軸承維修的重視程度，要求維修人員按規(guī)記錄[10]。

2.3 優(yōu)化管路設(shè)計

對甘肅景電提灌工程中的高揚(yáng)程提水泵站水泵管道進(jìn)行優(yōu)化，提高管道實際運行效率，也可以有效實現(xiàn)節(jié)能降耗。具體而言：1）計算好相關(guān)數(shù)據(jù)，確定灌區(qū)適合的水泵管徑。即在合理增加管徑的條件下，減少管道內(nèi)的流水阻力，改變原本的高電耗問題，使水泵運行成本大大降低。例如，確定好灌區(qū)適宜的提水灌溉方案后，工作人員應(yīng)對水泵流量、流速進(jìn)行科學(xué)控制，使流速在1.5 m/s~3.0 m/s 的范圍內(nèi)，并優(yōu)化應(yīng)用玻璃夾砂管。2）對該工程高揚(yáng)程提水泵站水泵的管道長度進(jìn)行改造[11-12]。通常情況下，水泵管道越長，管道運用起來的實際效率越低，產(chǎn)生的能耗越高。所以，在找到提灌設(shè)計規(guī)劃的平衡點后，工作人員應(yīng)盡可能控制好管道長度，降低管道投資成本，實現(xiàn)電力能源的高效利用。例如，無論是進(jìn)水管還是出水管，都盡可能減少使用彎頭，縮短長度。

2.4 提高進(jìn)出水池的運用效率

注重景電工程灌區(qū)高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗，終極目的是提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，在農(nóng)業(yè)行業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化建設(shè)方面發(fā)揮積極作用[13-14]。所以，在景電提灌工程灌區(qū)灌溉效率提升的過程中，與高揚(yáng)程泵站建設(shè)相關(guān)的進(jìn)出水池建設(shè)與優(yōu)化管理也需得到一定關(guān)注。具體而言：1）對景電提灌工程當(dāng)前階段的高揚(yáng)程提水泵站中相對不合理的，或者說未能發(fā)揮出最大運行效率的進(jìn)出水池進(jìn)行優(yōu)化。對進(jìn)出水池尺寸、深度、形狀等方面進(jìn)行細(xì)化改造。即根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的水池內(nèi)漩渦情況、回流情況、脫壁情況等，改善進(jìn)出水池電能利用率。2）加強(qiáng)灌區(qū)日常的進(jìn)出水池維護(hù)管理工作，管理人員按時按規(guī)清理水池內(nèi)雜物，減少灌區(qū)灌溉的電力消耗。3）對水泵淹沒深度進(jìn)行優(yōu)化。灌區(qū)灌溉水源發(fā)生變化，進(jìn)出水池的泵站水泵吸入管會由于實際淹沒深度不同而導(dǎo)致運行效率不同。為避免漩渦情況發(fā)生，工作人員可以對吸入管最小淹沒深度進(jìn)行合理調(diào)改。

3 結(jié)語

綜上所述，本文以“農(nóng)業(yè)水利工程中的高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗”為主題展開研究。通過對甘肅省景泰川電力提灌工程高揚(yáng)程提水泵站進(jìn)行針對性的節(jié)能改造，結(jié)合具體的農(nóng)業(yè)水利工程，細(xì)化分析當(dāng)前階段農(nóng)業(yè)水利工程中高揚(yáng)程提水泵站的耗能原因，而后厘清高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗改造思路與技術(shù)應(yīng)用，是助力農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，使農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化大幅進(jìn)步的關(guān)鍵一環(huán)，能夠為甘肅地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展帶來益處。