節(jié)能視域下農(nóng)田水利高揚程提水泵站技術(shù)研究

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-4907

作者簡介：張紅英（1988—），女，本科，工程師，研究方向為農(nóng)業(yè)水利工程設(shè)計。

摘??要：以實例簡述高揚程提水泵站節(jié)能降耗轉(zhuǎn)型的存在的問題與優(yōu)化措施。研究發(fā)現(xiàn)，泵站存在規(guī)定揚程遠高于實際應(yīng)用、配套設(shè)施不完善、管理運行效率較低、泥沙雜質(zhì)導(dǎo)致設(shè)備腐蝕等問題。針對此，提出了選配合理水泵設(shè)備、優(yōu)化動力機效率、優(yōu)化管路設(shè)計、優(yōu)化沉淀池設(shè)計、水泵系統(tǒng)智能啟停管理、定期開展能源評估等措施，以實現(xiàn)高揚程水利灌溉的“節(jié)能降耗”目標。

關(guān)鍵詞：水利灌溉 ?高揚程提水泵站 ?節(jié)能技術(shù) ?節(jié)能降耗

中圖分類號：S277

西北地區(qū)灌溉水源稀缺，需采用高揚程提水灌區(qū)技術(shù)解決農(nóng)田用水問題。但該地區(qū)中，較多高揚程提水泵站建設(shè)早，技術(shù)落后，投入使用過程中出現(xiàn)能量損耗過高的問題，極大影響灌溉工程的經(jīng)濟性和效率；同時，管道破損、灌溉泥沙量大等問題還對周圍的原始生態(tài)環(huán)境造成了負面效應(yīng)。近年來，我國農(nóng)業(yè)事業(yè)重視應(yīng)用降本增效、綠色能源等相關(guān)技術(shù)，高揚程提水泵站環(huán)保節(jié)能問題亟待解決。本文從節(jié)能降耗技術(shù)角度出發(fā)，展開深入分析。

1 高揚程提水泵站“節(jié)能降耗”的現(xiàn)實意義

我國西北、西南等地區(qū)，由于自然條件導(dǎo)致農(nóng)田灌溉工作難度更大，高揚程提水泵站對于保證當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)穩(wěn)定發(fā)展和水源供應(yīng)有重要意義。而多數(shù)高揚程提水泵站建設(shè)時間久遠，能源消耗逐年增加，對綠色節(jié)能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成影響，采取科學(xué)的舉措降低高揚程提水泵站的高昂能耗勢在必行。高揚程提水泵站“節(jié)能降耗”的現(xiàn)實意義主要表現(xiàn)如下幾點。

1.1 提升農(nóng)民收入水平

過大力推進節(jié)水、節(jié)能及降耗工作，并結(jié)合農(nóng)作物生長情況配套灌溉策略，能滿足農(nóng)作物生長所需的水分資源、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高農(nóng)民經(jīng)濟收益，實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。

1.2 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平

高揚程提水灌區(qū)泵站節(jié)能降耗改造可節(jié)約大量渠道用地，擴大可耕種面積，降低灌溉基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量，增加種植空間，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。運用噴灌、滴灌等先進灌溉手段無須預(yù)先對種植地域平整處理，可減輕種植作業(yè)負擔(dān)，降低農(nóng)業(yè)種植成本，完成機械化與機械化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)目標。

1.3 推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展

引入節(jié)能降耗方案后可避免兩端滲漏或大水漫灌等導(dǎo)致的土地沼澤化與次生鹽堿化，還可有效減少地下水資源的過度開采，有效保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

2 案例分析

某高揚程提水工程位于中國西北地區(qū)，是規(guī)模龐大、跨越多個省域的大型提灌工程。項目設(shè)計水量輸出量為10.6 m3/s，建設(shè)13座大型泵站分布在各地，總揚程達470 m。自20世紀建設(shè)投入使用后，極大提升了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平與環(huán)境質(zhì)量。然而，隨著長期運行帶來的壓力和損耗，諸如高揚程提水泵站設(shè)備磨損、老化以及遭受腐蝕等問題逐漸凸顯出來，這也為本就具有較高安全隱患的高揚程提水泵站增加了潛在的風(fēng)險。該工程運行中，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個問題。

2.1??水泵規(guī)定揚程較實際應(yīng)用過高

此灌區(qū)中多數(shù)泵站建于20世紀，受制于客觀環(huán)境與科學(xué)技術(shù)能力，水泵型號與種類不完整導(dǎo)致水泵設(shè)備選擇與實際不匹配。為提升灌溉效率選擇最高揚程水泵，實際能耗高于實際灌溉需求，例如：水泵型號是HS900-800-115，額定揚程達80.4 m，但在實際運行期間其揚程為60～70 m，離額定揚程相距甚遠。水泵功率與成本直接關(guān)聯(lián)，而較大功率的水泵拉升了系統(tǒng)運行成本。

2.2??配套設(shè)施不完善

水泵建設(shè)初期，資金和科學(xué)技術(shù)有限，面對灌溉需求，工程人員對水泵主設(shè)備的配套設(shè)施并非最為科學(xué)與合理，更多時候是出于暫時性的湊合布置。工程設(shè)計過程中，存在動力機械與實際運營情境匹配偏差、設(shè)定備用系數(shù)時過度保守，以至于盡管部分動力機器功率大幅度攀升所消耗的能量遠超出灌區(qū)實際需求，造成了過多的能源消耗情況[1]。因此，動力機械的能源消耗始終無法達到高效性能，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)水利工程高揚程泵站能耗緊迫的問題。

2.3??管路運行效率低

既往的高揚程提水工程需要布設(shè)大量管道，但由于材料與設(shè)計理念相對落后，加之長時間使用，導(dǎo)致如今運行效率偏低，在本工程中，泵站壓力管道鑄鐵管直徑為80 mm，長時間的使用，導(dǎo)致部分鋼管管壁厚度較減少了一半以上，加之管道包含大量彎頭，出現(xiàn)了多處管道破裂的問題。在供應(yīng)充足水分的強大壓力之下，高揚程提水泵站的運行能耗始終居高不下，整體消耗能源狀況堪憂。

2.4??泥沙雜質(zhì)導(dǎo)致的設(shè)備腐蝕

在西北地區(qū)，水中常含有泥沙等雜物，當(dāng)水質(zhì)呈堿性時，泥沙總存在有機物及黏性物質(zhì)，形成較小固體顆粒，進入設(shè)備與管道中首先影響設(shè)備的運行效率。同時泥沙會腐蝕水泵密封性，導(dǎo)致密封面受到?jīng)_擊，形成坑槽，坑槽的存在增加了水泵能耗及運行維修成本。

3 高揚程提水泵站節(jié)能降耗設(shè)計

3.1 選配合理的水泵設(shè)備

應(yīng)重點關(guān)注水質(zhì)及環(huán)境外部因素，嚴格按照設(shè)計規(guī)范參數(shù)來挑選水泵設(shè)備，在優(yōu)化設(shè)計方案中，選用具有良好抗腐蝕性、耐磨性能及堅固耐用特性的設(shè)備。確保各設(shè)備間協(xié)同性，嚴謹定期檢查與維護措施。對于過往不合理水泵，應(yīng)及時更換以提高泵送效率；針對使用期限較常出現(xiàn)損害的設(shè)備及時更換，減少資源浪費。

水泵設(shè)備優(yōu)化設(shè)計包括以下幾點。

（1）重視和推進堤防泵站內(nèi)水泵性能優(yōu)化及改良措施，方案以面對葉片流道斷面突兀問題以及二次回流現(xiàn)象為主軸，專攻水泵的葉片設(shè)計、導(dǎo)葉匹配、進水室構(gòu)造、出水室分布等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行深度優(yōu)化，從而達到精準削減水力損失的效果。（2）在選擇實際配套設(shè)備時，參照水泵性能曲線及其相互適應(yīng)的管道系統(tǒng)曲線，精確計算如農(nóng)田水利灌溉期的平均揚程和灌區(qū)灌溉期間的最大揚程功率參數(shù)等各項指數(shù)，確保每次啟動和運行水泵時處在最大揚程運轉(zhuǎn)范圍，規(guī)避不必要電力浪費，使農(nóng)作物灌溉過程更為穩(wěn)定、牢靠且無能源消耗波動現(xiàn)象出現(xiàn)[2]。對于無法滿足作物灌溉需求的水泵，應(yīng)優(yōu)先將工作重心調(diào)整到位，調(diào)整水泵性能曲線來實現(xiàn)灌溉運用中的節(jié)約能源與降低能耗的目標。（3）建立健全水泵日常維護和管理規(guī)章制度，保障設(shè)備維護與保養(yǎng)。應(yīng)提升對葉輪、軸承維修的重視程度，并明確要求維修人員必須嚴格按照規(guī)程進行詳細記錄，如此方能真正做到預(yù)防性維護，延長設(shè)備壽命，保障生產(chǎn)安全。

3.2 優(yōu)化動力機效率

在機組配套優(yōu)化方面，首先核算出合適的配套功率備用系數(shù)，考慮到電動機在負載較低的狀態(tài)下其運行效率相對較低，電動機的運轉(zhuǎn)功率亦隨之減小，進而可能引發(fā)輸電線路和變壓器損耗的增加。因此，需防范大功率設(shè)備帶動小流量機組這種情況的出現(xiàn)。同時，配套功率的配置系數(shù)也應(yīng)適當(dāng)，不宜過小，以免造成電動機運行負荷過高，影響其正常使用壽命。根據(jù)長期經(jīng)驗，電動機的運行效率通常需保持在1.0～1.7之間，基于節(jié)能降損的考慮，當(dāng)效率系數(shù)達到0.8時效果最佳，因此可將電動機運行效率調(diào)優(yōu)至約0.8的數(shù)值[3]。

其次，對于電動機轉(zhuǎn)速的優(yōu)化，在確保電動機傳動效能不變的前提下，充分利用電流分配等手段，將原有的“△”接法更改為更為高效節(jié)能的“Y”接法。同時，輔以科學(xué)合理的日常維護及檢修措施，有助于有效提升電動機的自然功率因數(shù)，從而減輕高揚程提水泵站的運行能耗負擔(dān)。

3.3 優(yōu)化管路設(shè)計

3.3.1針對泵站運行狀況，全面優(yōu)化管道設(shè)計

管道設(shè)計對泵站的正常工作影響較大，因此，要重視管道設(shè)計環(huán)節(jié)，找到最為恰當(dāng)且經(jīng)濟實惠的管道直徑。衡量影響管道選擇因素，選取出最為適宜的管徑，在嚴格控制總成本的基礎(chǔ)上，確保泵站的長久耐用和優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的運行品質(zhì)，通過嚴謹?shù)目茖W(xué)研究與深入的理性分析，為泵站量身打造出最具優(yōu)勢的管道直徑設(shè)計方案。

3.3.2選擇性價比較高的新型材料管道

管道的材料材質(zhì)對防止氧化生銹、降低成本投資至關(guān)重要，因此，應(yīng)盡量選擇具備優(yōu)異性能的材料。例如：玻璃夾砂管不僅擁有鋼管所具備的卓越性能，更具備了強大的抗腐蝕能力，它能滿足設(shè)計方面諸多需求，同時還能有效控制成本投入，提升工程項目綜合效益水平[4]。同時，應(yīng)根據(jù)總體提水工程，做好數(shù)字化信息與處理，得到基本線路圖，按照實際運行要求，減少管道總長度與轉(zhuǎn)彎，移除非必要管路附件，最大程度降低能源損耗，提升泵站運行效能及效率。

3.4 沉淀池設(shè)計

首先，設(shè)計前對泵站周圍環(huán)境進行勘測。譬如，詳細評估灌溉范圍內(nèi)是否存在大規(guī)模的泥沙堆積情況，避免水泵在運轉(zhuǎn)過程中的能源消耗急劇上升。因此，泥沙堆積量的控制無疑是實現(xiàn)節(jié)能降耗的重要手段之一，考慮采用沉淀技術(shù)來過濾泥沙，通過在水泵站工程中引入黃河水流過，在過濾后妥善處理這些泥沙，從而更好地保護當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境[5]。

其次，在設(shè)計沉積池時，以進水口為基準，調(diào)整沉淀池與其距離，在前池與沉淀池間設(shè)置隔離。另外，前池高度應(yīng)當(dāng)?shù)陀诔恋沓?，以便過濾后的水源能夠迅速送入泵站，確保運行穩(wěn)定性。對進水口和沉淀池出水口距離進行調(diào)整，安裝多臺大流量水泵，以降低設(shè)備的能量損耗。

3.5 水泵系統(tǒng)啟停管理

合理的啟停管理可減少無效運行時間，提高設(shè)備能效與經(jīng)濟效益。在對啟停時間進行調(diào)節(jié)與配置過程中，結(jié)合生產(chǎn)需求、作業(yè)環(huán)境等因素，把握啟動與停止時間點。例如：可以在人流互動頻繁，業(yè)務(wù)繁忙的集中時間段，采用全天候運行模式以提升設(shè)備的使用率；反之，在人流量較少，工作量匱乏的平淡時間段，則可改為分段式運行模式，降低能耗成本。另外，在個別項目中安排設(shè)備的啟動與終止時期時，考慮設(shè)備的維修養(yǎng)護需求以及安全性能方面的問題，避免由于過度強調(diào)裝備維護而導(dǎo)致生產(chǎn)工作受到不良影響。

3.6?定期開展能源評估

運行過程中，應(yīng)定期進行能源評估，系統(tǒng)、定量、可持續(xù)地調(diào)整節(jié)能措施。能源評估過程中，考慮借助現(xiàn)代農(nóng)業(yè)數(shù)字化技術(shù)，建立高揚程提水工程數(shù)字化管理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)收集與分析、能耗分析預(yù)評估、節(jié)能方案決策化等工作。在數(shù)據(jù)收集與分析中，詳細統(tǒng)計并分析歷史能源數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，了解能源消耗狀態(tài)，了解影響能源消耗的主要因素，對效果不理想的節(jié)能環(huán)節(jié)進行優(yōu)化調(diào)整。

4 結(jié)語

簡言之，高揚程提水水泵是地區(qū)水利灌溉的重要保障，但研究發(fā)現(xiàn)，由于水泵建設(shè)年代久遠，投入使用長，無法達到當(dāng)前現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)節(jié)能降耗的要求。因此，基于節(jié)能降耗視角，應(yīng)采取加強技術(shù)優(yōu)化、加大治理管理力度等措施實現(xiàn)高揚程提水泵站的節(jié)能降耗目標，以解決提水泵長期運行出現(xiàn)的設(shè)備磨損、老化、不配套等所引起的高能耗問題，在延長水泵設(shè)備使用壽命的同時，降低能耗，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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