農村小型泵站系統節能優化設計關鍵技術綜述

沈強儒，張建國，曹 慧，呂玉婷，楊 帆

(1.南通大學 交通與土木工程學院，江蘇 南通 226019； 2.南通市通州區水利局，江蘇 南通 226399； 3.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 引 言

小型泵站系統主要應用于我國廣大農村地區的灌溉工程，在推進我國農村地區農業和經濟發展中，發揮著舉足輕重的作用。然而，在小型泵站系統的使用過程中，依然存在著許多問題[1-3]。例如，關鍵技術不成熟、配套設備不完善、管理維護不及時以及使用年限無標準規定等[4-6]。除此之外，還存在更嚴重的系統損耗過高等問題，嚴重影響小型泵站系統的使用效率，從而造成大量能源的浪費[1,7]。

農村小型泵站系統包括三大部分：輸變電設施(輸電線路、主變壓器和配電線路等)、小型泵站(電動機、傳動裝置、水泵、進出水管道和進出水池及前池等)和輸水渠道(輸水渠道、涵洞等)[8-9]。農村小型泵站系統組成復雜，不合理的設備設計方案直接影響其工作效率。截至2019年底，我國已建成約70×104座農村小型泵站，然而當前小型泵站系統使用效率僅為50%～60%，這種現象造成嚴重的能源浪費和經濟損失[4,10-12]。因此，提高農村小型泵站系統使用效率是當前亟需解決的技術問題。應當全面研究小型泵站系統各部分組成能耗特性以及各環節對系統能耗和效率的影響，對整個泵站系統作出更優化設計，這在提高系統運行效率上具有重大意義[8-9,13]。我國農村地區發展不平衡，資源和社會環境差異大，全面分析農村小型泵站系統(水泵、電動機、傳動裝置以及管道系統等)能耗，對于指導小型泵站節能改造方案的設計和提高系統節能改造成效來說具有重要的現實意義[8,14-16]。本文綜述了我國農村小型泵站使用現狀，分析了導致其使用效率底的根本原因，并針對性地探討了農村小型泵站系統節能優化設計的關鍵技術，以期為我國農村小型泵站系統的設計和使用效率的提高提供借鑒。

1 農村小型泵站系統能量損耗分析

農村小型泵站系統由輸變電設備(輸電線路、主變壓器和配電線路等)、小型泵站(電動機、傳動裝置、水泵、進出水管道和進出水池及前池等)和輸水渠道(輸水渠道、涵洞、水鬧等)三大部分組成[6,16-19]。小型泵站工作過程中，線路傳輸和能量轉換等原因均會導致其組成部件發生能量損耗(輸電、變電和配電損耗功率等，見圖1和表1)，進而導致小型泵站系統使用效率大打折扣[19-21]。

圖1 農村小型泵站能量傳遞與損耗[25]

表1 小型泵站系統能量損耗[10,11,16,21-26]

續表1

2 農村小型泵站系統效率分析

農村小型泵站系統能量損耗為各部分損耗(水泵、電動機、管道系統和傳動裝置)之和，小型泵站系統能量損耗、泵站能耗和小型泵站總效率分別見式(1)-式(3)[11,16,18,25]：

(1)

ΔPbz=ΔPpo+ΔPra+ΔPp+ΔPpi+ΔPtm+ΔPmot+ΔPzn

(2)

(3)

式中，ΔP、ΔPbz和ηxt分別為小型泵站系統能量損耗(kW)、泵站能耗(kW)以及小型泵站總效率(%)；ΔPte、ΔPtf、ΔPtw、ΔPbz和ΔPtw分別為輸電線、變壓器、輸水渠和泵站能耗，kW；Qi為第i臺水泵流量，m3/s；n為工作水泵數量；Hst為泵站揚程，m；ΔPpo、ΔPra、ΔPp、ΔPpi、ΔPtm、ΔPmot和ΔPzn分別為泵站前池、進出水池、欄污柵、水泵、管路、電動機、站用電以及為電網向泵站輸送功率，kW。

3 農村小型泵站節能優化關鍵技術分析

根據對農村小型泵站系統的能耗及效率分析，其節能關鍵技術方案的設計主要從水泵、電動機、傳動裝置和管道系統4個組成部分著手，再結合泵站管理與節能，從整個泵站系統角度研究小型泵站系統節能關鍵技術，為小型泵站節能改造方案的制定提供技術指導和理論依據，實現可觀的經濟和社會效益[6,12,18-19,27]。節能優化要點分析見表2，技術流程圖見圖2。

表2 小型泵站節能優化關鍵技術分析[11,16,25,28-33]

圖2 農村小型泵站系統節能優化設計關鍵技術流程圖

3.1 水泵節能優化設計

泵系統是小型泵站系統的核心組成，泵系統節能是實現小型泵站系統節能的關鍵環節之一[25-26,28-29,32,34]。關于泵系統的節能優化設計，主要從以下幾個方面著手[10,11,24,32,35]：①水泵的合理選型[11,16]。選擇合理的水泵型號是確保泵系統高效運行的前提，其型號包括立式污水泵、潛水排污泵和軸流泵等。水泵的選擇原則上在保證其揚程與流量安全前提下，滿足排水需求和可持續高效運行即可。另一方面，水泵選型后還要保證幾何安裝高度的合理性，避免受汽蝕因素影響而造成限制流量增加，導致水泵安裝效果達不到設計要求。②水泵運行效率的提高[12,27]。可以通過調整葉片安裝角改變水泵調速，進而提高水泵運行效率。③確保水泵淹沒的深度[36-37]。在水泵使用過程中，保證其淹沒深度，以保證水泵安全運行。④定期檢查[22,28]，及時更換水泵磨損零部件等，以確保水泵長期安全運行。

3.2 電動機節能優化設計

電動機節能優化設計應從以下3方面著手：首先，電動機調速技術可為水泵系統節能開辟新途徑，通過控制電動機轉速適應水量和水壓的變化，從而使水泵高效工作，達到節約能耗的目的[6,11,24-25,27]。水泵調速和流量的關系見圖3。常用的調速方式包括變極對數調速、變頻調速和可控硅串級調速等，在電動機節能運轉設計時應注意檢測電動機內外扇和負載機械的固有頻率，以及脈動轉矩的諧振，從而決定運轉范圍。其次，應考慮離心力問題，對于調速頻繁和重復加速度設備，應該嚴格計算材料疲勞極限和安全性。其工作特性見圖4。最后，應該合理選擇電動機容量，其容量應和水泵型號配套，采用優質導線材料適當增加電動機容量。

圖3 水泵調速和流量關系[4]

圖4 電動機工作特性[16]

3.3 傳動裝置節能優化設計

傳動方式的選擇是否合理直接影響傳動效率[5,25,28]，因此應合理選擇小型泵站傳動裝置的傳動方式。當前常用傳動裝置包括齒輪箱傳動、液力親合器傳動、聯軸器傳動和皮帶傳動等，然而由于齒輪傳動經濟性較差以及液壓耦合傳動能耗大等缺陷，小型泵站一般選用皮帶傳動和聯軸器直接傳動方式。皮帶傳動節能應考慮選擇提升皮帶、高負荷用楔式型皮帶以及低棱皮帶等節能型皮帶，另外還應該合理選擇輪徑和皮帶松緊度。對于傳動方式的選取，當轉速滿足水泵運行時，應選用直接傳動方式；若水泵工況變化較大，動力機無法滿足調速要求時，應選用間接傳動方式。

3.4 管道系統節能優化設計

管道是泵站的重要組成部分，在工程投資、運行費用及節能方面均有較大影響[6,24-25]。首先，應該合理控制管道管徑。管道阻力隨管徑增大而減少，耗電量和年運行費用降低；相反，縮小管徑，則管道阻力增大，損耗增大。因此，應選用新型管材，采用經濟管徑，控制經濟流速(1.5～2.5 m/s)。其次，應該盡可能減少彎頭設置。進水管、出水管的長度應最大限度地縮短，減少彎頭，減小管道內壁的粗糙度。管路附件的局部阻力系數很大，運行時必然會消耗大量的能量。因此，應盡量減少不必要的管路附件。最后，應該保證管路的密封性，進而提高管路效率。

3.5 規范泵站管理與節能

規范農村小型泵站管理[4,11,16,25]：①泵站群級間的優化組合運行，首先以泵站為最小單元組合形式，以耗能最小的準則建立數學模型，運用優化運行算法求解，最后根據優化運行結果確定出最優的泵站組合。②及時清除泵站系統內污染物，由于小型泵站中存在大量污染物且其組成較為復雜，嚴重影響泵機組安全運行和工作效率，應定期檢查泵站系統內是否存在污染物，并及時清理，防止污染物導致泵效率降低，或者導致電機過負荷產生堵轉事故。③加快經營管理體制的改革，積極推進農村機電排灌泵站管理體制以及運行機制。④逐步建立產權清晰、權責明確、管理科學的機電排灌管理體制和良性運行機制。⑤建立適應泵站的管理體制，積極推行和完善經營管理責任制，綜合推進人事、工資、獎懲、財務等方面的改革，甚至可以引入競爭機制以提高泵站使用效率。

圖5所示的自律協調型責任管護推進模式的主要內涵是通過從農民自身角度提高泵站工程的能耗節約和長期運行，競爭機制的內核是增強用戶節約的意識和主動性，突出從根源上解決能源浪費問題。

圖5 自律協調型責任管護推進模式流程圖[25]

4 建 議

目前，隨著國家對能源政策的束緊以及農村地區泵站節能需求的增長，對小型泵站系統進行節能優化設計和規范泵站管理，是解決當前農村地區小型泵站能耗高的關鍵舉措。對此，提出以下具體建議：

1) 合理選型，確保系統運行經濟型。泵站選型需要綜合考慮多因素，對其節能效果實施不斷完善，提高泵機使用效率，積極引入等揚程加大流量法進行水泵選型，從而使其在工作過程中發揮最大的節能效果和使用效率。

2) 提高電網功率，選擇合適變壓器。慎重考慮變壓器功率，確保在滿載情況下仍可正常運行，還應考慮其臨界負荷值，提升變壓器可靠性和適用性。

3) 加強泵站線路檢查和維護。應定期對設備進行檢查，維護。日常維護過程中應確保設備干凈整潔，確保設備正常運行和安全性。