泵站運行效率的關鍵控制技術研究

項德銀，嚴 凱，劉 濤

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223001）

泵站是水利水電工程、城鄉(xiāng)給排水工程和一些行業(yè)中不可缺少的設備。到現(xiàn)在為止，我國僅灌溉水泵就有超過8700 萬千瓦的裝機容量。泵站的效率是指泵站消耗的能量與輸水能力之間的對比，影響泵站整體運行效率的因素有很多，如電機的效率、水泵的型式、變壓器的損耗等。改善以上各個環(huán)節(jié)的局部效率，是提升整個水泵系統(tǒng)整體效率的重要手段，具有十分重要的意義。

1 影響泵站效率的因素

1.1 運行效率影響因素

1.1.1 電動機

一些電動機因為生產質量不高或安裝精度不高，在運轉中的功率損耗很大，很可能會導致運轉中振動大、溫度高，從而加快電機中絕緣材料的老化和破壞。在計算與水泵相匹配的電機時既要考慮電機不能超負荷運行，也要避免選擇過大功率電機造成長期低負荷運行，使系統(tǒng)整體效率降低。

電機的效率為電機消耗的電能與轉換成機械能之比。在正常的工作狀態(tài)下，機械損耗和鐵損耗基本不會發(fā)生變化，被稱為不變損耗，而定、轉子銅損耗會發(fā)生變化，被稱為可變損耗。具體來說，在可變與不變損耗都是一樣的情況下，電動機的效率是最高的，在空載的時候，轉子電流很小，它的輸出功率和電動機的效率都是零，當負荷增大的時候，它的輸出功率和電動機的效率都會提高，如果超出了額定負荷，那么它的輸出功率的增長將會低于可變損耗的增大，而電動機的總體效率將會降低[1]。

1.1.2 水泵

導致水泵效率下降的主要原因有：（1）在長時間的運轉中，由于水流沖刷，導致了流道的表面和內部表面的粗糙度增加，使得流動阻力增加，水力損耗增加。（2）高硬化的水質導致泵殼內部出現(xiàn)大量的結垢，結垢的存在增大了泵殼壁厚度，在內壁處生成垢瘤，從而減少了泵體體積，降低了泵體的抽水量，同時由于流動通道的不平整，導致了水力損耗和體積損耗的增大；（3）長期運轉造成水泵機構的持續(xù)磨損，增加了水泵的阻力和水分的損耗，從而降低了系統(tǒng)的容量利用率；（4）由于堵塞阻力增加或雜質的糾纏，使泵軸和葉輪的旋轉受到影響，從而降低了系統(tǒng)的效率[2]。（5）水泵加工工藝等原因導致水泵鑄造有缺陷或者水泵安裝質量不高，后期維護管理不到位使得水泵磨損加快導致效率降低。

1.1.3 變壓器

變壓器的效率是指變壓器二次側的有功與一次側的有功之比。二次輸出有功功率P2=βSNcosΦ2，其中β 代表的是負荷因子，它是變壓器二次側的負荷電流與額定電流的比值，SN代表的是變壓器的視在功率，cosΦ2代表的是負荷的功率因子。而在此基礎上，將一次側的有功與一次側的有功相結合，得到了一次側的有功相結合的計算公式。變壓器損耗具體包含了兩部分，一部分是鐵損耗Pfe，另一部分是銅損耗Pcu，其中鐵損耗屬于不變損耗，在額定電壓下，它大致等同于空載時有功功率P0，也就是Pfe≠P0，銅損耗Pcu會隨著負荷發(fā)生改變，被稱為可變損耗，在額定電流下，銅損耗大致等同于短路試驗電流為額定值時輸入的有功功率Pkn，當負載不為額定負荷時，銅損耗與負荷系數(shù)的平方成正比，也就是Pcu=β2Pkn。公式為：

η=βSNcosΦ2/（βSNcosΦ2+P0+β2Pkn）

根據(jù)分析結果，得出了一種計算方法，即在某一特定情況下，變壓器的工作效率取決于負荷的大小及負荷的功率因子。在恒定的條件下，也就是在恒定的負荷中，隨著負荷的功率因子cosφ2的增大，其效率也隨之增大。在載荷功率因子不變的情況下，載荷因子對系統(tǒng)的效率影響較大。在P0=β2mPkn時，變壓器的效率是最高的。換言之，在變壓器β＜βm的時候，輸出電流會增加，輸出功率也會隨之提高，同時銅損耗也會提高。因為此時β 值較小，銅損耗較小，鐵損耗相對較大，所以總損耗雖然隨β 值增加，但是沒有輸出功率增加的速度快，所以效率也是提高的。在銅線損失與鐵線損失相等時，其轉換效率為最大。在β＞βm時，銅損耗成為損耗中的主體，并且因為銅損耗與電流的平方成正比，輸出功率與電流成正比，所以變壓器效率隨著β 的增加反而下降[3]。

1.2 對綜合效率的影響權重

各個階段的效率之積，即為整個泵站的整體效率。在不同的工況下，各個部件的效率變動范圍存在很大的差別，因而對整體效率的貢獻率也不盡相同。從對影響各環(huán)節(jié)效率的因素的分析可以看出，隨著負荷系數(shù)變化，變壓器的效率變化明顯，在理論上其變化范圍可以達到0～99%以上。電機從無載至有載負荷時，其工作效率可在0～90%之間，有載負荷時，其工作效率可在75%～95%之間。通常來說，由于水泵的種類的原因，其效率是不一樣的，在日常維修和工作中，水泵的效率在65%～90%之間，大型泵的效率可以達到90%。管道的水頭損失對管道的效率起到了重要作用，對于泵站來說，通常管道的長度比較短，在管道出入口處的流速和水頭損失比較小，所以對于進出口局部損失，幾乎可以不用考慮，泵站的綜合效率受到管道能量耗失的影響比較小。傳動公式確定了傳動設備效率，通常情況下，6～7 級精度齒輪、彈性聯(lián)軸器的傳動效率分別為0.98～0.998 和0.99～0.996，聯(lián)傳動效率、帶傳動效率分別為0.96～0.98 和0.97～0.98，可使用聯(lián)軸器直接將水泵與泵站電動機進行連接，泵站綜合效率受到傳動設備效率的影響比較小。由于一般進、出口池中的水位波動很少，當在與泵站揚程相比很少或者幾乎可以不考慮時，出入池的效率可以接近100%，因此出入池的效率的波動對整個泵站的整體系統(tǒng)的效率的影響很少。

通過以上的研究，指出了水泵裝置及電氣裝置的工作效率對泵站的工作效率有很大的影響，因此，要想使水泵裝置及電氣裝置更好地發(fā)揮作用，就必須要做好對水泵裝置、電氣裝置等的工作。

2 泵站運行效率的關鍵控制技術

2.1 變壓器負載率調整

在維持泵站過水量的前提下，采用獨立運行或并聯(lián)的方法來對變壓器負荷率進行調節(jié)，通常情況下，變壓器負荷率的取值范圍為0.50～0.78，當負荷率達到0.8 時，就應該調高變壓器容量，當負荷率低于0.2 時，就應該調低變壓器容量，這樣就可以提升其運行效率。利用異步機、同步機的組合運行以及同步機的無功功率補償特性，能夠對無功功率進行有效地降低，從而可以提高變壓器的負荷功率因數(shù)，提高其運行效率。

2.2 提高水泵的運行效率

想要提高水泵的運行效率，就要合理地指導、選用、安裝水泵裝置。在選用水泵裝置時，要綜合考慮水泵裝置的性能曲線、泵站工程的揚程以及水泵裝置的設計流速，以保證泵裝置的有效運轉。水泵的有效功率P=pgQH/1000，其中，p 為水的密度，g 為重力加速度，Q 為水泵流量，H 水泵揚程。水泵的特性曲線是指由水泵生產廠商根據(jù)實驗資料，畫出的可吸入空氣余量或真空高度、效率、軸功率、揚程和其他一些參數(shù)隨水流速度的改變而改變的一條曲線，而在實際工作中，最大的效率點就是Q～η 曲線的頂端。在平時的運行管理中，水泵很少能夠完全地在最高效率點上進行工作，所以，水泵的工作環(huán)境通常是選擇在最高效率點下降5%～7%之間的區(qū)間，在確保過水量的前提下，通過調整機組設備的組合方法，能夠有效地處理進池塘的水位過高或者過低的問題，從而讓水泵保持有效的運轉。（1）保證水泵設備安裝和維修保養(yǎng)的質量，在水泵維安裝和維修保養(yǎng)時，要保證安裝間隙、擺度、水平、同心度等指標精度符合規(guī)范要求，適當?shù)厥褂脧椥蕴畛鋭?，如果由于水質中含有大量的淤泥而造成了葉片的磨損，則要立即維修，以改善管路的內壁、泵體或葉片的表面光潔度；（2）防止或緩解水泵的汽蝕，汽蝕對水泵會造成很大的危害，汽蝕發(fā)生時，水泵的進口壓力小于環(huán)境溫度下的液體的飽和蒸氣壓時，液體中有大量蒸汽逸出，并與氣體混合形成許多小氣泡。當氣體到達高壓區(qū)時，蒸汽凝結，氣泡破裂，氣泡的消失導致產生局部真空，水流迅速沖向氣泡中心，并產生強大的碰撞力，最高可以達到35MPa～5600MPa，沖擊頻率可以達到2 萬～3 萬次/s，水泵產生的劇烈晃動導致金屬表面硬化變脆、塑性變形，甚至會擊穿葉片，對設備安全運行造成影響。針對汽蝕現(xiàn)象的成因，采取以下防止汽蝕現(xiàn)象發(fā)生的措施：一是進水池的流速要均勻，防止出現(xiàn)旋流，當流場不穩(wěn)定時，可采用改變進水流道和進水池等方法，減少汽蝕現(xiàn)象；二是葉片可調節(jié)式水泵，可以通過調整節(jié)葉角度保證水泵能夠按照設定的工作條件運行；三是為了確保水泵的進水口浸深，在運轉時，要避免進水口液位過低；四是減少或防止水泵磨損，水泵在較長時間內處在零件與零件和水流與零件之間的摩擦中，可以通過增強耐磨損能力，降低磨損等來確保裝置的壽命。在這些部位中，最有可能發(fā)生磨損損壞的部位就是軸套和軸瓦，為了防止它們的不正常磨損，可以采用以下幾種方法：一是對它們進行適當?shù)拈g隙設計，如果縫隙太大，就會產生很大的震動，如果縫隙太大，就不能很好地起到限制的效果，從而產生不正常的振動，如果縫隙太小，就很難得到有效的潤滑和切斷，而且在軸套和軸瓦之間很可能會產生摩擦；二是為了確保零件的耐磨性，例如使用具有較高硬度的耐磨性的軸承或用其他材質代替橡膠襯里；三是在密封箱內，應立即更換密封件，防止密封件因長期浸泡而硬化，從而增加密封件對傳動箱的磨耗[4]。

2.3 加強水泵的維修保養(yǎng)

水泵在一定的工況下，必然會出現(xiàn)一定的磨蝕，這就使泵內部損耗增大。為此，應加大對泵的監(jiān)控力度，對其進行定期檢修和更換損壞的零件，以確保泵的長周期運行。作為水泵最重要的零件級部件，其外形和內部零件是否光滑，將會對水泵的高效運行產生很大的影響。若水泵在出廠時制造不平整，或因長時間的使用而造成損耗，則會導致泵在運轉中的動力損耗增大，從而導致泵的效能下降。出水彎頭等內壁的處理不光滑，對泵的運行也有不利的影響，因此通常通過對其進行拋光或者粗化處理，從而提升泵的運行效率。針對窄流道離心泵的清洗難度大的特點，通過對其進行研磨（例如碳化硅、二氧化硅等），改善其清潔效果。泵運轉時，應隨時注意密封圈的開緊度，密封圈過密或過密均會導致泵的效能下降。另外，當填料盒內的填充物丟失后，要立即進行替換，否則不僅無法達到填充物的密封效果，而且還會影響泵的流量和效率。

要確保泵的工作質量，除了其本身的特性以外，還與泵的裝配精度密切相關。若裝配精度達不到規(guī)定的標準，造成機組主軸孔與豎向中心偏差，不但會導致效率下降，而且會造成較大的震動、噪聲，造成電動機發(fā)熱。采用可調節(jié)導葉的軸流泵，每一個導葉之間的夾角必須一致，不然在工作過程中，每個導葉受到的壓力都不一樣，不但會引起振蕩，而且會增大水泵的水壓損耗。對于具有渦輪型結構的葉柵泵，如果渦管軸和葉軸有很大的偏差，就會產生震動，進而影響到水泵的流量和效率。

2.4 提高電動機運行效率

通常采用的技術方法有：（1）對水泵與電動機的功率進行適當?shù)钠ヅ?，電動機的負荷率通常不低于0.7，當負荷率低于0.5 的時候要進行及時的更換或調節(jié)。為了確保電動機的安全運轉，并不一定要維持在額定負荷下運轉，例如使用同步化運轉時，異步繞線式電動機的最大容許負荷率為0.85；（2）對污物粉塵進行及時地清除，使空氣流通良好，并對因溫升過高而使電動機繞組的阻力增加、損失增加而使效率降低的溫升進行有效的控制；（3）對電力單元進行周期性維修，并對軸承進行潤滑，以降低磨損和能量消耗，從而改善電機的效率；（4）用頻率變化、轉差率變化、磁極變化等方法來調整泵的工作條件，實現(xiàn)泵的工作條件的調整，使之能夠實現(xiàn)經濟工作[5]。

3 結語

泵站在進行過程中受諸多因素的影響，相關人員要對影響泵站效率的主要原因進行重點的控制，提出行之有效的設備操作維護和管理的辦法：水泵、電動機和變壓器等主要設備都有它們的效率高點，電動機和變壓器能夠實現(xiàn)高效運轉的關鍵是對負荷率進行合理的設定，而確保水泵高效運轉的核心是對運行水位進行合理的控制。各單元的工況組合，其工作效果也是各不相同的，所以要合理地確定各單元的工況組合，包括異步電機與同步電機的最佳組合，計算匯合過水量，以及水泵與動力裝置的有效工作所需的負荷與水位。強化設備的技術改造與保養(yǎng)，采用高效的保養(yǎng)與管理技術，降低水泵、電動機、變壓器等設備的能耗，提高整個泵站的運行效率。