塔城地區(qū)給水管網(wǎng)泵站改造降耗工程淺析

侯 波

（塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計院，新疆 塔城 834700）

0 引言

在我國西部地區(qū)，節(jié)水和節(jié)能問題是主要關(guān)注的問題，為此相關(guān)地區(qū)實施了不同的政策以確保用水系統(tǒng)的可持續(xù)運行。泵站作為水分配系統(tǒng)一部分，其中還包括供水源，存儲和分配管道，是整個供水系統(tǒng)運行的主要電能消耗者。抽水成本約占水價的60%～70%，這使得抽水站設(shè)備的投資成為供水系統(tǒng)最佳運行和維護方面的主要關(guān)注點。與抽水相關(guān)的電力成本可能占總運營成本的很大一部分。因此，減少能耗是集中式供水系統(tǒng)的所有運營商都應(yīng)優(yōu)先考慮的問題。前人的研究成果大多致力對給水管網(wǎng)泵站操作最優(yōu)化的闡述和應(yīng)用，主要取決于向消費者的服務(wù)水平、數(shù)量、質(zhì)量以及基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)[1～2]。

本文重點分析和討論了一種估算泵站運行中的能源成本的方法，目的是提供一種整改策略，以減少能耗。

1 泵站的主要特點

供水系統(tǒng)中現(xiàn)有的水泵具有一些共同的特點，例如:

（1）在大多數(shù)情況下，泵站是并聯(lián)連接的泵組件。

（2）抽水流量在一天中會有所不同，并且每天都不相同，這取決于不同的因素（當天的工作，節(jié)假日等）或受客觀因素（水資源不足，消耗過多，技術(shù)限制）的限制。

（3）在啟動和停止泵施加的最小和最大排出壓力范圍內(nèi)，流量發(fā)生變化。

（4）泵站及其所服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)不再滿足供水系統(tǒng)的當前要求。分配和運輸網(wǎng)絡(luò)管道的直徑，在設(shè)計時由于沉積物沉積和維護過程中的不一致干預(yù)而過小。

（5）泵的特性與標準特性大不相同，因此在運行期間，配水網(wǎng)絡(luò)要求和泵站容量之間可能會出現(xiàn)較大差異[3]。

（6）由于缺乏適當?shù)脑O(shè)備效率，導(dǎo)致較高的單位能耗。

（7）設(shè)備和液壓機械裝置均已物理磨損，無法有效，安全地進行處理（有時閥門處于打開位置或閥門安裝不完全等）。

從上述特點可以看出，高耗電量是在泵站運行期間發(fā)現(xiàn)的最重要的缺點之一。由于節(jié)約能源是水成本的重要組成部分，因此在最近研究中，節(jié)約能源變得非常重要。

2 減少泵站能耗的方法

減少泵站能耗的主要解決辦法包括:

（1）泵的液壓元件整改。通過改裝來完成。改造過程是通過改變?nèi)~輪的外徑（切割外徑）來進行的，以確保根據(jù)配水系統(tǒng)的要求提供抽水參數(shù)[4]。

通過修改葉輪的外徑，泵特性曲線變化顯著，見圖1。

圖1 泵特性曲線的變化

（2）修改電機轉(zhuǎn)速。引入變速運行泵，通過調(diào)節(jié)速度，泵將不斷嘗試將管網(wǎng)中的壓力保持在規(guī)定的水平，從而在最佳模式下適應(yīng)流量。可在不影響泵的使用壽命或可靠性的情況下節(jié)省能源（圖2）。

圖2 點擊速度變化影響

（3）減少泵站的內(nèi)部能量損失。泵站的運行狀態(tài)大多是通過泵的啟閉及作業(yè)人員操作泵的排放閥的順序來實現(xiàn)的，其中電站操作員負責監(jiān)督三類信息:①站場排水管壓力；②泵站水泵進水管壓力；③電動驅(qū)動電機電流消耗的最大值。

3 對塔城地區(qū)泵站的運行分析

為全面貫徹落實自治區(qū)21號文件、自治區(qū)第八次黨代會和自治區(qū)水利工作會議精神，落實農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)新機制，進一步改善自治區(qū)農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施條件，加大對小型農(nóng)田水利建設(shè)的支持力度，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，切實發(fā)揮自治區(qū)財政補助資金的引導(dǎo)和帶動效應(yīng)。2015年自治區(qū)繼續(xù)把農(nóng)業(yè)高效節(jié)水建設(shè)納入重點民生水利工程，加以高度重視，按照指南要求，本著支持發(fā)展農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉工程標準化、規(guī)范化建設(shè)，切實增強農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)業(yè)抗旱減災(zāi)綜合能力，切實加強項目建設(shè)管理，保證盡快完成建設(shè)任務(wù)并發(fā)揮效益。

以塔城市某灌溉區(qū)為例，現(xiàn)有的泵站配備了五個并聯(lián)的125型電動泵。泵的標稱參數(shù)為:流量Q=180 m3/h，揚程H=85 m。泵由標稱功率為75 kW的電動機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速n=3000 rpm。對于泵的初次啟動，泵站內(nèi)設(shè)有兩個MIL502型真空泵。真空泵的標稱特性為:流量Q=220 m3/h，揚程H=16 m由標稱功率為18.5 kW和轉(zhuǎn)速n=3000 rpm的電動機驅(qū)動。抽水站嚴格按照規(guī)定運行，抽水站的操作員手動執(zhí)行泵的啟動和停止。

為了在抽水過程中避免發(fā)生氣蝕，操作者沒有完全打開泵的排放閥。空化初期伴隨著特定的噪聲，這些噪聲會提醒泵站的操作人員在空化噪聲消失之前，關(guān)閉排放閥。這種操作方法，會引入額外的水頭損失，能耗較大。

圖3 泵站工作水頭損失

圖3表示用兩臺泵（其揚程與流量特性曲線H=f（Q）相同）來確定泵站工作水頭損失的方法。基于相應(yīng)的工作點參數(shù)（Qans和Hans），泵站所需的有效功率計算公式:

式中:Pu為有效功率，W；ρ為水的密度，kg/m3；Qans為泵站的流量，m3/s；Hans為泵站的揚程，m。

泵站效率性能ηans:

效率值隨H1/Hans比值的增大而減小。H1和Hans之間的差異表示泵站排水管上的部分關(guān)閉閥所引起的水頭損失（耗能）。

這種通過打開或關(guān)閉泵的排放閥來調(diào)節(jié)泵站工作參數(shù)的方法雖然操作簡便，無需額外費用，但是該方法引入水頭損失，具有明顯的缺點。根據(jù)以上介紹的理論要素，并考慮有關(guān)泵站運行參數(shù)，從能耗角度分析泵站的實際功能:

1）訪問泵站現(xiàn)場，并從操作寄存器中收集有關(guān)泵站設(shè)備的數(shù)據(jù)（泵類型、標稱參數(shù)、泵數(shù)量、操作參數(shù)、運行方式）；

2）通過基于數(shù)據(jù)從泵站的操作寄存器中識別泵的工作特點，來定義泵站的工作范圍；

3）根據(jù)實際情況確定電站的運行參數(shù)并進行計算，以確定實現(xiàn)這些參數(shù)所需的能源成本；

4）根據(jù)用水系統(tǒng)分配的要求選擇新的水泵；

5）對新配置的泵站的運行點進行計算；

6）評估實現(xiàn)泵站運行參數(shù)所涉及的成本；

7）根據(jù)泵站運行的技術(shù)經(jīng)濟指標，在泵站現(xiàn)狀及投資合理性的基礎(chǔ)上進行比較分析。

根據(jù)可用的每日運行數(shù)據(jù)，計算出該站的每日最大泵送流量為4381 m3/d，最小泵送每日流量為1682 m3/d。在運行記錄儀中，工作站排氣管上達到的壓力為4.5 bar～5 bar。揚程H=50 m，流量在Q=100 m3/h～200 m3/h之間。此參數(shù)與125型泵的標稱運行參數(shù)（Q=180 m3/h和H=85 m）有很大不同，因此必須關(guān)閉排量大的（由泵引入系統(tǒng)）排放閥。關(guān)閉部分排氣閥后，現(xiàn)場測試得出水頭損失為35 m，通過式（1）計算得出有效功率為17.5 kW。一天中，此操作序列平均每天至少10 h，因此部分關(guān)閉的排放閥中的每日平均能量損失最少為175 kW·h。

為全面了解當前泵站的年度能源成本對整改前后的泵站進行能耗計算。表1列出了2016年的運行數(shù)據(jù)，其中P為能耗，c為抽水量，揚程為H，泵效為η，泵送平均流量為q。計算新泵的基本原理是使工作流量在泵的最大效率范圍內(nèi)。

能量分析結(jié)果表明:整改后的泵站可顯著降低能耗；在相同的泵送水流量，恒定水頭為50 m的情況下，對于整改后的電站，能耗降低了57%；考慮到1元/（kW·h）的成本，每年可節(jié)省能源成本32965元。考慮到該站模塊式泵組（由2+1泵組成）的價格為47921歐元，新設(shè)備的投資成本可在16個月內(nèi)從能源消耗減少所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益中回收。

表1 泵站整改前后能量耗損統(tǒng)計

4 結(jié)論

本文通過分析原有泵站工作特點，對泵站進行液壓元件、電機轉(zhuǎn)速和減少泵站內(nèi)部能量損失三個方面進行整改，從而最大限度的減少泵站能量耗散，在環(huán)保方面，采用改進后的適當模塊泵組改變現(xiàn)有泵的解決方案，消除了水泵噪聲，滿足西部地區(qū)節(jié)能節(jié)水的需求的同時也符合環(huán)境友好型社會發(fā)展的規(guī)定。