基于能耗和效率計算的灌排泵站系統研究

廉 潔

(丹東市水利勘測設計研究院，遼寧 丹東 118000)

0 引 言

調查顯示，目前我國已擁有機電灌排動力達到8753萬kW，總灌排面積為4000萬hm2，使得農業自然災害抵御能力得以明顯增強，并為經濟可持續發展和農業穩定生產奠定了堅實的基礎[1]。其中，農用總動力的四分之一都來源于小型灌排泵站，并且擁有巨大的耗電量。實際上，向泵站提供的能量一部分會用于進出水管道、水泵、傳動裝置和發電機的損耗，而大部分則轉化成有用功用于泵站的提水。現有研究多集中于泵機組、泵裝置、水泵的能耗與效率特性分析，對小型泵站能耗開展整體系統的研究還鮮有報道。鑒于此，文章在小型泵站系統中納入輸變電設施、輸水渠(涵)，在此基礎上提出典型環節及系統效率、能耗計算公式，通過對系統相關部門及小型泵站的能量特性分析，最大程度的挖掘泵站系統節能潛力，以期為優化設計泵站節能改造方案提供科學指導[2-4]。

1 灌排泵站的系統組成

從水源地將水體利用泵站系統輸送至更遠、更高的地點，該過程中泵站內、輸變電設施、輸水渠道等均發生有能量損耗[5]。從能量損耗、傳遞和轉化的全系統角度，將小型泵站系統定義成由輸水渠道(如水閘、涵洞、輸水渠等)、泵站(如前池、進出水池、管道、水泵、傳動裝置、電動機)和輸變電設施(如配電線路、主變壓器、輸電線路)三部分組成；小型泵站系統與大中型泵站相比，其運行時間短且附屬設備數量少，甚至可不予考慮[6]。

對于能耗計算水力學計算手冊一般都會設計，而對整體系統的計算還較少涉及。將泵站系統的各部分能耗特性運用輸水、抽水、輸變電等組成部分開展全面研究，并分析系統能耗、效率與各個環節之間的作用關系，對提高系統運行效率、充分挖掘節能潛力及優化設計整個系統等具有重要意義。

2 泵站系統能量傳遞、能耗與效率

2.1 能量傳遞

圖1反映了能量的傳遞過程，其中泵站系統、泵站、泵裝置的有效功率為Pu、Pp,w、Ps，水泵、電動機的輸入與輸出功率為Pi,p、Pi,e和Po,pPo,e，變壓器的輸入、輸出和總輸入功率為Po,c、Po,c，Pi,t。電力的傳輸流程為：變電所→輸電線輸送→變壓器降壓→控制柜→各水泵電動機，該過程產生有配電、變電和輸電損耗功率Pd,d、Pd,ct、Pd,et。

圖1 泵站系統能量傳遞與損耗

電動機將電能轉化成機械能所引起的損耗功率為Pd,e，通過皮帶降速傳動或者聯軸器該機械能傳遞給水泵，此過程形成傳動損耗功率Pd,a；然后通過進出水池、進出水管和水泵，所產生的進出水池、進出水管道和水泵損耗功率為Pd,wp、Pd,cp、Pd,p，最終轉換成管道輸水的壓力勢能或明渠輸水的位置勢能。

泵站抽水導致出水側渠首水位升高而進水側渠末水位下降，從而產生水體流動，并實現了向更高位置輸送水源地水體的目的。然而，在渠道輸水過程中產生有輸水損耗功率Pd,we，其包括沿途滲漏引起的水量損耗功率和流動阻力引起的水利損失功率兩部分。

2.2 典型環節能耗計算

目前，關于小型泵站系統電動機、進出水管道和水泵能耗的研究比較成熟。傳動及輸配電能耗小，計算較簡便，但未考慮攔污柵、涵洞、變壓器、輸水渠道等能耗過程，有必要對此開展深入探究。

1)變壓器能耗。采用380V電動機的小型電力泵站必須設置變壓器，其中負載損耗與空載損耗為變壓器能耗的主要組成[7]，可采用運行時變壓器的無功功率ΔQ和有功功率損耗ΔP確定綜合功率損耗ΔPr，其表達式為：

ΔP=P0+Ktβ2Pk

(1)

ΔQ=Q0+Ktβ2Qk=I0%SN+Ktβ2(Uk%)SN

(2)

ΔPr=ΔP+KQΔQ

(3)

式中：Pk、P0為額定負載損耗與空載損耗，kW；Q0、Qk為空載無功損耗與額定負載漏磁功率，k Var；I0、Uk為變壓器空載電流和短路電壓百分比，%；KQ、Kt為無功經濟當量和負載波動損耗系數，Kt取1.05、KQ取0.1kW/k Var；β代表平均負載系數；SN代表變壓器額定容量，kV·A。實際計算過程中，額定負載損耗Pk、空載損耗P0、空載電流百分比I0和短路電壓百分比Uk均可由產品資料確定。

2)攔污水頭損失。柵條式攔污柵通常被應用于農村小型泵站，其造成的水力損失包括被攔截污物堵塞柵面、原有邊界條件受柵條銹蝕影響、柵條阻水造成的附加或局部水頭損失。柵條來流、間距、長寬比、厚度、形狀以及攔污柵的傾角和形式等因素均可影響攔污柵的阻力損失，擬利用布爾可夫-丘津娜公式計算以上各因素作用下的總阻力系數，即：

(4)

式中：cv、cs為流速系數和水流收縮系數，cv取0.97、cs取0.08-0.10，攔污柵遮擋面積超過20%時可不考慮cs；cp、c為攔污柵結構件遮擋系數和水流擴大沖擊系數，c取1.1-1.2，cp=Aj/As，且As、Aj代表攔污柵的結構件遮擋面積及其設計計算面積，m2。

由于沒有自動清污設施實際運行過程中，小型泵站攔污柵普遍存在柵前被堵塞的現象。攔污阻力在污物堵塞的情況下往往難以計算，其阻力大小與污物密實度、聚集形式、污物量、污物種類及來流條件等因素相關。借鑒實測數據資料，在污物堵塞情況下攔污柵水位差可以達到0.15-0.30m，甚至能夠達到0.50m。

3)輸水渠道能耗。水量與水力損失是輸水渠道能耗的兩大體現，渠道結構型式、土壤類型在很大程度上決定了輸水渠道水量損失，考慮防滲透和地下水頂托作用時，可以利用下式計算其數值，即：

(5)

式中：S、qV,q為渠道輸水每千米損失流量和毛體積渠首流量，m3/s；L為渠道長度，km；m、A為與渠床土壤透水性有關的指數和系數，借鑒有關文獻或實測數據確定；β為滲水量減小系數，β取1為渠道未設置防滲措施。

采用謝才-曼寧公式計算輸水渠道水力損失，其表達式為：

(6)

式中：n為糙率；L、R為渠道長度和水力半徑，m；v為渠內平均水流速度，m/s。

4)輸水涵洞水頭損失。采用以下公式確定水流流經涵洞時上、下游的總水面落差，即總水頭損失z：

(7)

式中：z1、z2為進口水面降落和出口水面回聲，m；v、v1、v2為涵洞內流速和渠道內上、下游水流速度，m/s；ξ1、ξ2為與涵洞進、出口段連接型式相關的局部水頭損失系數；i為利用謝才-曼寧公式確定的涵洞水力坡降；l為涵洞長度，m。

2.3 泵站系統效率

結合能量傳遞過程，可以用電網向泵站系統提供電功率Pt與泵站系統有效功率Pu之間的關系確定泵站系統效率，計算式為：

(8)

式中：qV,et為末端渠道的實際抽排水量，m3/s；ηc、ηwp、ηcp、ηp、ηa、ηe、ηd、ηct、ηet、ηpw為輸水渠部分、進出水池、管路、水泵、傳動裝置、電動機、配電設施、變壓器、輸電線和泵站系統效率，%；Hs、Hpw、Hp、Hr為泵站系統、泵站、水泵和泵站凈揚程，m。

3 實例分析

3.1 泵站概況

丹東市某灌排泵站系統包括閘門、矩形出水明渠、出水池、出水管、泵房、進水池、攔污柵、前池、引渠和變壓器，泵房結構為濕室型，安裝3臺電動機組、軸流泵和1太太變壓器。泵站設計流量5.0m3/s，裝機容量260kW，內、外河設計水位為3.0m和5.8m。

3.2 結果與分析

通過計算分析，確定泵站系統在內、外河設計水位條件下，不同開機臺數運行時各部分的能耗與效率，如表1所示。泵站系統各部分在3臺機組全部運行時的能耗比，如圖2所示。

圖2 泵站系統能耗比

表1 泵站系統能耗與效率

3.3 結果分析

1)泵站系統能耗較大的部分有電動機、矩形出水明渠、進出水管和水泵，所占比例為13.67%、18.64%、22.45%、34.94%。此外，變電、輸電和輸水能耗，在系統各部分能耗中所占比例將近24%，所以該部分能耗不可忽視。

2)機組全部運行時泵站系統的總效率為41.68%，進出水管、輸水渠和水泵的效率偏低，總體處于80%左右，其他部分均達到90%。泵站系統在1、2、3三種開機臺數時的總效率為47.51%、45.21%、41.68%，可見泵站效率隨著開機臺數的增加而下降，這是由于通過輸水渠的流量隨開機臺數的增加而增大，從而導致水頭損失的不斷增加。

3)在1、2、3臺機組運行時泵站變壓器實際負載率為27.1%、56.2%、86.7%，其最佳負載率為33.5%，可見變壓器偏離最佳負載率的程度隨著泵站開機臺數的增加而增大，運行效率也不斷下降。

4 結 論

1)泵站系統能耗較大的部分有電動機、矩形出水明渠、進出水管和水泵，在系統各部分能耗中變電、輸電和輸水能耗所占比例將近24%，該部分能耗不可忽視。小型泵站系統效率較低的有進出水管、輸水渠和水泵，所以該部分的節能潛力較大。

2)實踐表明，系統工況、組成和形式與泵站各部分的能耗比例相關。運行工況與水泵效率有關，為保證系統的高效運行應選擇合理的形式；載荷率與電動機效率有關，效率較高時的荷載率取值區間為0.75-0.85；一般地，排澇泵站系統具有較小的輸水能耗、較短的輸水渠，泵站系統選用長距離壓力管道輸水時具有較高的輸水能耗。