水泵裝置效率與以電折水系數關系變化規律分析研究

陳衛國

（天津市水利科學研究院，天津 300061）

1 以電折水系數測算工作背景

為全面貫徹落實黨的十九大精神、推進資源全面節約和循環利用、推動形成綠色發展方式和生活方式，依據《國務院辦公廳關于推進農業水價綜合改革的意見》（國辦發〔2016〕2 號）及國家發展改革委等四部委印發的《關于加快推進農業水價綜合改革的通知》（發改價格〔2019〕855 號）要求，2020 年天津市全面完成農業水價綜合改革工作的任務目標。結合本市實際情況，各區在全部改革區域內充分利用現有的灌溉計量設施，通過采用直接讀取、以電折水、斷面測流等多種形式，推動農田水利工程全面進行灌溉供水計量，達到農業水價改革實現農業供水計量的目的。

在該項工作研究過程中，對以電折水系數的變化規律進行了重點探索研究，對節約能源、提高效率具有重要的意義。

2 水泵裝置效率

水泵站的裝置效率是綜合反映整個水泵站電機和水泵整體工作效能的一項綜合指標，其可以通過水泵裝置工作期間的平均凈揚程做功與電機輸入功率比值計算得到。

水泵設計中采用的樣本一般考慮水泵效率，而電機效率并沒有一起考慮。所以，若想裝置效率的計算更接近于實際，需要明確出泵站裝置效率，以便達到節約能源、提高效率的目的。

綜上，采用以電折水系數概念來評價水泵站的裝置效率，可以更直觀反映能源節約程度。

3 以電折水系數相關概念及影響因素

3.1 以電折水系數的定義

以電折水系數是指水泵等電力提水設施在運行過程中，消耗每度電將水提高到一定揚程時能得到的平均出水量。因此，通過以電折水系數可以由一段時段內的用電量推算出其灌溉用水量。其計算公式為，水泵出水量=用電量×以電折水系數。

從定義中可以看出，對于某一揚程的水泵，若水泵效率高，省電，出水量大，則以電折水系數大；反之，水泵效率低，費電，出水量小，以電折水系數小。因此，水泵實際以電折水系數與水泵效率成正比。

3.2 以電折水系數變化范圍的復雜性及影響因素

以電折水系數數值的影響因素很多，主要包括：①水泵自身特性的影響；②水泵功率匹配的影響；③機井地下動水位變化的影響；④不同灌溉方式導致的水頭損失的影響。

根據分析影響因素，可以找到多種因素影響以電折水系數的大小。但是，經過分析可以知道，這些因素之間存在一定的規律性，在滿足一定精度的前提下，可以通過規律分析出實際以電折水系數，并作為水價改革計量出水量的依據。

3.3 與以電折水系數變化規律有關的3個概念及其關系

根據以電折水系數定義，可以引出以下3 個概念，以便分析實際以電折水系數變化規律。

理論以電折水系數是指無任何能量損失的情況下，根據能量守恒定律，消耗1 kW·h 電能得到的提水量。

額定以電折水系數是指按照水泵銘牌標注的額定出水量和額定功率，推算出來的1 kW·h 電應該得到的出水量。

實際以電折水系數是指由于各種能量損耗的情況下，水泵每消耗1 kW·h 電實際得到的出水量。

通過分析計算，得到實際以電折水系數＜額定以電折水系數＜理論以電折水系數。根據3 個系數之間的關系可以看出，額定以電折水系數與理論以電折水系數之間的效率折減是系統客觀存在的，在使用過程中是不能消除的。實際以電折水系數與額定以電折水系數之間的效率折減是在水泵運行過程中，由于使用條件的變化，包括折舊、地下水位變化幅度較大等導致的效率折減。

以上范圍值為估算范圍，若得到準確范圍需要大量數據分析統計，但是也可以作為評判以電折水系數是否脫離實際的依據。

4 以電折水系數關系變化規律分析

4.1 實際以電折水系數與理論以電折水系數之間的變化規律

4.1.1 機泵能源單耗計算

理論以電折水系數是指在沒有能量損失的理想狀態下，1 kW·h 電將水提高到對應揚程的提水量。該系數通過能源單耗可以推導出來。推導過程如下：機井抽水裝置由水泵、動力機、管路系統及傳動系統等組成。衡量機井抽水裝置配套合理與效率高低的一個重要技術經濟指標是機井裝置效率，它是機井抽水裝置的綜合效率，以η0表示。

機井裝置效率是機井抽水裝置輸出功率與輸入功率的比值，其計算公式為：

式中：P1和P2分別為抽水裝置的輸出功率和輸入功率（kW）。

由于機井裝置效率為各項裝置包括水泵、動力機、管路系統及傳動系統的效率的乘積，所以在實際配套機井運行情況下難以實現分項測量。為了方便計算，一般利用理論能源單耗與實際能源單耗的比值來計算η0。

能源單耗是衡量機井配套合理、效率高低的另一項重要的技術經濟指標，是指從機井中提水1 kt·m所消耗的能源數量。其計算公式為：

式中：ΣE 為某一時段內所消耗的電能（kW·h）；ΣV為同一時段內提水總量（m3）；H0為凈揚程（m）。經計算，每kt·m功的能源單耗為2.72 kW·h。

4.1.2 通過能源單耗計算理論以電折水系數

由機泵能源單耗可以得出，在無任何能源損失的理想狀態下，1 kt·m 功的能源單耗為2.72 kW·h，由此相反可以推導出來，1kW·h 電1 m 揚程提水量為367.647 m3。相應揚程理論以電折水系數成果，詳見表1。

表1 相應揚程理論以電折水系數成果

該成果是在沒有任何能量損失的理想情況下計算得到的水泵裝置對應揚程的最大以電折水系數，該系數就是對應揚程的每度電提水量的最大值即理論以電折水系數。從表1可以看出，揚程越大，理論以電折水系數越小。

4.1.3 通過理論以電折水系數計算實際以電折水系數

機井裝置效率是機井抽水裝置輸出功率與輸入功率的比值，其計算公式為：

由式（3）可以看出，輸出功率越多，則每度電提到相同揚程的水量應該也越多，二者成正比關系。因此，裝置效率η裝=P1/P2=實際以電折水系數/理論以電折水系數，從而可以推出實際以電折水系數=η裝×理論以電折水系數。

裝置效率的大小與泵型有關。據統計，其變化范圍在0.3～0.7。但是，《機井技術規范》規定，電動機配套的機井裝置效率不應低于45%。據此，可以確定機井裝置效率η裝變化范圍為0.45～0.70。

《泵站技術管理規程》（GB/T 30948-2014）和《泵站更新改造技術規程》（GB/T50510-2009）中泵站裝置效率規定值最小值均為0.55，因此理想泵站裝置效率η裝變化范圍為0.55～0.70。結合實際，經綜合分析，泵站裝置效率η裝變化范圍可以確定為0.45～0.77。

4.2 額定以電折水系數與理論以電折水系數之間的變化規律

4.2.1 額定以電折水系數

額定以電折水系數是指按照水泵銘牌標注的額定出水量和額定功率，推算出來的1 kW·h電應該得到的出水量。從定義可以看出，額定以電折水系數是水泵廠家生產時在正常使用狀態下、水泵達到的正常工作狀態。

在揚程一定的情況下，要達到一定的出水量就需要相應的水泵功率，因此需要選配電動機的功率與水泵配套。一般電動機的功率一定大于水泵所需要的功率，但是又不能過大。從節能方面考慮，這樣做就避免了“大馬拉小車”。為此，在選配的過程就必須做到機泵配合。

4.2.2 通過額定以電折水系數計算額定效率

一般而言，根據水泵銘牌就可以知道對應機井的出水量和功率，二者相除即可得到額定以電折水系數。選定水泵的額定出水量和配套電機額定功率是為了滿足實際所需揚程的要求，因此該水泵的額定以電折水系數與理論以電折水系數的比值反映了水泵裝置的效率。該效率內已經包括了水泵、電機、管路和傳動系統的能量損耗。對于正常使用的機泵而言，通過水泵裝置效率統計發現，其額定以電折水系數與理論以電折水系數的比值為0.52～0.73。該額定效率η1=額定以電折水系數/理論以電折水系數。

選定200QJ32 系列水泵樣本計算額定系數得到如下成果，詳見表2。從表2 可以看出，水泵效率變化范圍為0.50～0.62，從而得到η1變化范圍為0.50～0.70。

表2 200QJ32系列水泵樣本額定以電折水系數及效率計算成果

4.3 實際以電折水系數與額定以電折水系數之間的變化規律

從測試成果看出，實際以電折水系數大小與額定以電折水系數直接相關。實測以電折水系數平均值與額定以電折水系數幾乎相同。但是，考慮到在機井運行過程中，隨著地下動水位的變化，井實際揚程與水泵額定揚程之間的匹配程度和水泵出水量相應變化。動水位升高，則實際揚程變小，水泵出水量則會增加；相反，動水位下降，實際揚程增大，對應原型號的水泵出水量就會減小。實際的以電折水系數與額定的以電折水系數的比值與地下水動水位密切相關。考慮到區域地下水變化，根據典型機井實際測試的以電折水系數明顯趨近于某一個范圍，該范圍值圍繞額定以電折水系數正負波動值為0.1。

5 結論

從3 個系數之間的關系可以看出，滿足下述關系可以知道其是符合規律的，從而判斷出實際以電折水系數是否在允許范圍內。

實際以電折水系數=η1×理論以電折水系數，η1合理取值范圍為0.45～0.77；額定以電折水系數=η2×理論以電折水系數，η2合理取值范圍為0.50～0.70；實際以電折水系數=η3×額定以電折水系數，η3合理取值范圍為0.90～1.10；其中，理論以電折水系數=364.647/水泵揚程。

由此可以看出，η1=η2×η3，系數η1就是水泵站裝置效率η裝。該范圍值根據定性分析得到，若想得到準確數據，則需要進行大量試驗分析匯總。