梯級泵站提水效率評估模型設計與應用探討

陳雪華

（廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510640）

0 引言

高揚程梯級泵站輸水系統的泵站級數多且輸水距離長，各級提灌泵站在確保完成本區域灌溉用水任務外，還承擔著為后續各級泵站所負責區域提供灌溉用水的任務，故任何一級泵站提水量或灌溉區域用水量發生變動都會影響梯級泵站整體的運行效率。此外，泵站級間水位、流量和泵站輸水系統區間需水量的頻繁變動等因素的影響也增加了梯級泵站提水效率評估的難度[1]。泵站提水效率是衡量梯級泵站實際運行效率的主要因素，也是衡量提灌調水工程實際能耗的重要指標。

目前，隨著提水能耗問題關注度的不斷提升，對梯級泵站提水效率的研究也逐漸深化，但針對我國當前大多數泵站并未安裝實時監測裝置或僅有少部分泵站設置了計量裝置的實際情況[2]提出全面、科學、合理、適用的泵站提水效率評估方法的相關研究仍屬理論空白。本文基于現狀，提出未安裝水量監測設備的梯級泵站提水效率的評估模型，并以某水利工程為例進行梯級泵站提水效率影響因素分析和效率的評估。

1 模型設計

實際提水量、既定提升高度所需能耗與實際能耗之比等參數作為評估泵站提水效率的依據。獲取上述數據最好的方法是在泵站提水口安裝水量監控裝置，但是建設于上世紀的泵站均未設置實時監控裝置和計量裝置。為獲取相關數據，只能在已有的監控條件下通過數學模型的運用加以估算。

1.1 泵站實際提水量的計算模型

假設各段干渠工程質量及渠道流量相同，則渠段單位長度水量損失也近似相同；相反，若渠道流量不同，則干渠水量損耗與各段干渠長度和所通過水量之積成正比例關系[3]。

主干渠帶分支泵站和不帶分支泵站計算原理相同，故只需對主干渠不帶分支泵站情況下的實際提水量進行計算。設工程提水泵站級數為m，總干渠一級泵站用泵1表示，以此類推，總干渠最后一級泵站用泵m表示，提水泵站結構圖見圖1。

圖1 提水泵站結構圖

將干渠上所有的獨斗渠都作為支渠處理，則每段干渠水量的損失按下式計算：

式中：Vi損為第i段干渠水量損失量，m3；V1提為一級泵站年提水量，m3；V總為干渠所有支渠年總水量，萬m3；Vi為第i個泵站之后全部支渠總出水量，萬m3；Li為第i個泵站與第i+1個泵站之間的干渠總長度，m。

在具體的評估過程中，可以將各級泵站提水量近似看作是其后所有支口的總水量加上該泵站之后所有干渠的水量損耗量，根據這一思路，則第i個泵站實際提水量Vi提計算公式為：

1.2 泵站提水效率的評估模型

根據實際提水量與泵站實際能耗的監測值，求出各泵站的實際提水效率，公式如下：式中：ηi為第i級泵站的運行效率，%；Hi為第i級泵站的凈揚程，m；Wi為第i級泵站的年耗電量，萬kW·h。

2 應用實例

2.1 工程概況

某水利工程屬于高揚程梯級泵站，是大(Ⅱ)型提水灌溉工程，總體規劃為一期和二期，工程設計流量26.8 m3/s，加大設計流量35 m3/s。一期工程于1969年開工建設，1974年竣工，建成泵站15座，裝機容量7.95萬kW，總揚程498 m，設計提水流量10.8 m3/s，加大設計流量13 m3/s，干渠總長33.7 km。由于建設時間較早，干渠泵站均未安裝單獨的計量電表，支渠泵站也是共用幾只電表計量，干渠僅部分泵站安裝了電磁流量計進行泵站流量的計量。2015年全年度渠道輸水情況穩定，故選取2015年作為典型年代表。

2.2 數據的選取

選取的該工程總干渠泵站一至泵站六以及西干渠泵站一，進行總一泵、總二泵、總三泵、總四泵、總五泵、總六泵和西一泵提水效率的計算。總干渠各級泵站的凈揚程、年耗電量、總出水量及干渠長度等基礎性數據資料統計見表1。

表1 總干渠各級泵站基礎性數據資料統計

2.3 提水效率計算

將2015年總干渠各級泵站提水量、支渠水量、支渠出水口水量之和、相鄰泵站之間的干渠長等數據代入式（1）便可求得所對應干渠的水量損失。將所求得的水量損失值與其余數據代入式（2）得到各級泵站實際提水量值，將上述實際提水量、泵站耗電量、凈揚程等取值代入式（3）求得各級泵站的實際運行效率。將泵站裝機情況、提水效率等計算結果匯總分析，具體情況見表2。

表2 各級泵站裝機情況和提水效率計算結果

由表2可知，總干渠一泵站的提水效率最高，為69.67%，主要原因在于總干渠一泵站以銘牌流量最大的水泵為主力泵，同時水泵設計揚程和銘牌揚程具有較高的匹配性。總干渠四泵站的提水效率最低，主要因為總干渠四泵站的主力泵銘牌流量相對較小，且水泵設計揚程和銘牌揚程的差值最大。

2.4 結果分析

1）上述結果表明，梯級泵站水泵銘牌揚程與設計揚程的匹配情況是影響泵站提水效率的重要因素[4]，其他條件相同的情況下，水泵的設計揚程與銘牌揚程越接近，泵站提水效率越高。設計揚程與銘牌揚程匹配的情況下，主力水泵銘牌流量越大，泵站提水效率越高。主力泵為大泵的泵站提水效率比主力泵為中泵的泵站提水效率最高高出11%；

2）梯級泵站提水效率受很多因素影響，如水泵葉輪狀況、壓力管道設計、閥門效率、泵站機組起停狀況、電機效率等，但是評估結果顯示，凡是銘牌揚程與設計揚程不匹配的泵站，其提水效率必然降低[5]；

3）設計揚程與銘牌揚程之差大于1 m以上的水泵提水效率必然降低，且差值越大，提水效率越低，如總二泵中的中泵以及總四泵中的中泵與小泵等。

2.5 改造思路

進行梯級泵站水泵選擇時，盡量選擇大泵為主力泵，考慮到渠系水位靈活調節的需要，搭配中泵和小泵各一臺，由于本工程總一泵不涉及水位調節問題，故僅設置大流量水泵，無需選用中泵和小泵。對于總四泵，若無法選用與設計揚程匹配的水泵，則應盡可能選擇設計揚程與銘牌揚程接近的水泵，防止設計揚程與銘牌揚程之差大于1 m而導致水泵提水效率下降。建議在近期的工程改造中優先進行總四泵中1臺中泵和13臺小泵的改造，將其一次性改成大泵，其余提水效率較低的泵站暫時并不具備將主力泵改成大泵的條件，需待條件成熟再逐步安排改造。

3 結語

以某水利工程為例進行了電力提灌工程泵站提水效率的評估與研究，對結果進行分析發現，梯級泵站提水效率除受多種常見因素影響外，更多的與梯級泵站銘牌揚程與設計揚程是否匹配、主力泵流量的大小以及泵站運行的電壓等級等存在規律性的關聯。通過對各級泵站效率的深入分析，針對存在嚴重不合理因素的泵站給出提水效率提升及節能降耗應遵循的改造思路，以期對該工程運行效率的全面提升起到指導作用。