鄭州市南水北調配套工程典型泵站經濟運行的探討與實踐

沈 涵 車奇星 李建洲 馬伶莉 付守慶 馮志剛 李陸生，2

1.中州水務控股有限公司 河南鄭州 450000；2.華北水利水電大學水利學院 河南鄭州 450046

我國地域遼闊，針對水資源在時空上分布不均勻的現狀，我國興建了大量的跨流域、遠距離調水工程。南水北調中線工程作為一項具有重大戰略意義基礎性跨流域調水工程，對于緩解我國北方水資源短缺現狀、促進水資源的區域性優化配置具有意義。據統計，截至2021年3月1日，南水北調中線工程已向鄭州市區累計供水20.52億立方米，“南水”已成為鄭州供水的主要水源，供水范圍占鄭州市總人口的90%。要想用上“南水”，要靠供水配套工程在干渠和水廠之間“牽線搭橋”。

目前，鄭州南水北調配套工程各口門泵站均已投入使用，泵站工程是調水工程的主體工程，具有裝機容量大、提水量多、運行時間長和能源消耗大等特點。目前我國大部分泵站未能實現現代化管理運行，往往由于調度不當導致能源消耗較大，運行成本較高，無法實現經濟安全的目標。河南省南水北調工程有眾多分水口門泵站，特別是鄭州市供水量巨大，為保證工程運行經濟成本，本文通過長期統計南水北調鄭州段配套工程典型泵站機組單位供水量和運行機組組合情況，計算出合理、經濟的機組安全運行方案，大大降低了電耗，節約了鄭州市南水北調泵站的工程運行成本。

一、基本情況

河南省南水北調供水配套工程上接南水北調中線總干渠，下連城市水廠，擔負著承上啟下的輸水任務，是南水北調工程在河南省發揮效益的關鍵，其中建提水泵站22座(18處)，向河南省的11個省轄市91座城市水廠供水。鄭州市南水北調配套工程涉及其中7處泵站，分別為19號李垌、20號小河劉、21號劉灣、22號密垌、23號中原西路、24號前蔣寨、24-1號蔣頭泵站。其中，19號泵站位于新鄭市新村鎮李垌村附近，分別向老觀寨水庫、望京樓水庫充庫，水泵機組共4臺，總裝機860kW；20號泵站位于航空港區濱河辦事處小河流村附近，包括1#、2#泵房，主要是向港區第一水廠和港區第二水廠供水，共9臺機組，裝機容量2800kW；21號泵站位于鄭州市管城區劉灣村附近，主要向劉灣水廠供水，共5臺機組，裝機容量1575kW；22號泵站位于鄭州市二七區密垌村附近，主要是向尖崗水庫供水，共4臺機組，裝機容量5000kW；23號泵站位于鄭州市中原區中原西路，主要向柿園水廠和常莊水庫供水，共8臺機組，裝機容量1580kW；24號泵站位于滎陽市豫龍鎮前蔣寨村附近，主要向羅垌水廠供水，共5臺機組，裝機容量1250kW；24-1號泵站位于滎陽市王村鎮蔣頭村附近，主要向上街水廠供水，共3臺機組，裝機容量2400kW。本文以20#和21#泵站為例，介紹鄭州市南水北調配套工程泵站運行管理存在的問題及其改進措施。

二、存在的問題與改進措施

以20#、21#泵站為例，20#泵站1#泵房變頻機組原先大部分時段工作頻率為35～40Hz，出水量為350mm/h左右，僅為額定流量的1/10。20#泵站2#泵房日供水量4萬mm左右，運行模式為早上9點運行定頻機組(額定流量2300mm/h)，下午5點再開一臺變頻機組(頻率37Hz時，定頻機組加變頻機組額定流量共計3380mm/h)，晚上9點泵房停機。21#泵站變頻機組原先大部分時段工作頻率為35～40Hz，每小時出水量約3000mm，僅為額定流量的2/3。

表1 20#、21#泵站原先運行情況表

上述運行模式不僅效率低，不利于機組安全運行，還會造成機組震動、噪聲增大和葉輪氣蝕等損害，同時額外增加電能損耗，且運行時段為供電部門規定的尖峰時段，電價較高。

表2 供電部門峰谷電價

本研究通過探索與實踐，扭轉了下游受水廠不考慮運行時段、工作頻率、機組檢修和搭配等因素，僅考慮自身需求，要求泵站開停機組的現象。目前20#和21#泵站優化了各機組在不同工況下的運行模式，既考慮機組檢修輪替、峰平谷電價等因素，同時又滿足下游水廠用水需求，保證了機組運行安全、經濟和合理。各泵站機組節能運行模式及節能供水搭配如下：

表3 20#泵站供水方案

備注：根據目前供水量2#泵房每天開一臺機組運行可以滿足水廠需求，運行時注意機組定期輪運，運行頻率在41Hz以上；1#泵房可以依據水廠需求，微調機組運行時間，保證變頻器運行頻率在45Hz以上。

表4 21#泵站供水方案

備注：可以依據水廠需求微調機組運行時間，不論機組如何搭配運行，不能超設計流量運行，變頻機組運行頻率在42～49Hz之間運行。

三、運行管理效果

做好鄭州市配套工程泵站運行工作能夠有效緩解鄭州市水資源嚴重短缺的局面，促進了鄭州市經濟社會全面、協調和可持續發展，產生了良好的社會效益與經濟效益。

(一)社會效益

水源安全問題一直是制約城市發展的瓶頸，河南省水資源貧乏，一旦水源出現問題，城市供水將直接受到影響。自南水北調中線工程通水以來，通過南水北調供水配套工程已累計向河南省供水120億立方米，受益人口達2380萬，也極為有效地緩解了鄭州市用水緊張狀況，改善了自來水水源水質，為企業生產、居民用水提供了可靠充足的水源保障，為加快城市發展，提升城市功能，完善產業布局，創造了良好的條件。通過生態補水，鄭州市及周邊區域生態明顯改善，地下水位明顯上升，河湖水質得到顯著提高，基本消除了黑臭水體的存在，有效促進了市區水系環境的良性循環，達到了良好的生態效果，沿線群眾幸福感普遍增強。

(二)經濟效益

經過積極探索，目前泵站變頻機組運行搭配合理，且充分考慮機組輪休、分時電價等因素，有效降低了電能消耗，延長了水泵機組主要配件使用年限。

1.20#泵站1#和2#泵房調整后節能效果

工業企業用電方法計算電費=基本電費+峰值電費+平均電費+谷值電費，根據有功量及無功量計算出功率因數調整百分數。

實際電費=電費×(1+功率因數調整百分數)

1#泵房變頻機組原先運行頻率主要在35～37Hz，變頻機組出水量在350mm/h，僅為額定流量的1/10。本研究表明機組運行頻率保持在45～49Hz之間才是經濟安全運行狀態。因此，改進后1#泵房變頻機組日常運行頻率保持在45Hz左右，與之前相比，該運行模式下相同日供水量1#泵房每臺機組可少運行6h。經計算改進后1#泵站每日可節約電費1023.0元，累計1年可節約電費約37.3萬元。

2#泵房原先運行單位為每日9：00至22：00開2臺機組，22：00以后停機。變頻機組運行頻率在37～38Hz，改進后運行方案為每天運行1臺機組，頻率在40～49Hz之間。經計算改進后2#泵站每日可節約電費247.9元，累計1年可節約電費約8.9萬元。

2.21#泵站調整后節能效果

21#泵站原先運行方式是在供水高峰時段開4～5臺機組，供電電價低谷時段(22：00—00：50)開2～3臺機組，水廠調蓄量全部由泵站機組開停來滿足，供水高峰時段恰好是供電部門尖峰時段電價，導致21#泵站單臺機組夏季尖峰時段每日多支出電費：315kW×(1.002-0.65)元/kW·h×6h=665.3元。每年夏季供水高峰是4個月，每年多支出8.0萬元。

另外，21#泵站同樣存在變頻機組運行頻率為非經濟運行狀態(35～40Hz)，經計算改進后21#泵站單臺機組日節約電費537.08元，累計一年可節約電費約19.2萬元。

3.泵站運行效率

依據中華人民共和國國家標準《泵站技術管理規程》(GB/T30948-2014)規定，泵站效率規定值泵站效率大于或等于60%。改進前的配套泵站長期處于低頻率運行，實際運行效率難以滿足泵站規定效率值。改進后21#泵站的運行效率保持在74%～81%，根據計算公式運行效率如下：

為泵站效率；為水的密度，單位kg/mm；為重力加速度，單位m/s；為泵站流量，單位mm/s；為泵站凈揚程，單位m；為第臺電動機輸入功率，單位kW。

經計算：21#泵站2臺定頻及一臺變頻49Hz運行時效率為=(1×10×9.8×4×18/1000×945)×100%=74.67%。

由于20#泵站和22#泵站共用一個電源及轉供電沒有分區計量，無法詳細計算20#泵站效率。

泵站是水利工程最大的用電單位，截止到2018年，我們現有的機電井和泵站的總裝機容量約為3.52億千瓦。按照現行的火電廠每千瓦時煤耗標準，泵站運行效率平均提高1%，每小時可節電352萬千瓦時，相當于節煤近1200噸，二氧化碳排放量減少314噸，二氧化硫減少10噸，氮氧化物減少8噸，說明了泵站工程節能的重要性和緊迫性。對泵站工程來說，節能也意味著建設和運行成本的降低和經濟社會效益的提高，尤其是對于公益效益為主的泵站工程，其規模、數量龐大，其必要性和經濟性是不言而喻的。

因此，泵站實行經濟運行管理，深挖設備潛能，不僅降低泵站能耗、節約電費效果顯著，而且降低設備損耗、延長設備使用時間，有效保障泵站及管網設備安全運行。此外，如果供電部門對峰谷電價及其時段進行調整，則需根據泵站提水要求、水位變化情況和實際峰谷電價重新確定泵站優化運行方案。

結語

綜上所述，泵站要實現投資少、受益多、人力少、效益高、故障率少、可靠性高的目標，必須要進行經濟運行管理。通過對鄭州市南北水調配套工程典型泵站的耗電量及其運行效率進行分析，發現已有泵站普遍存在水泵未能在最優效率區內工作，以及耗電量較大、節能效果不佳等問題。因此，針對性地提出保證泵站經濟運行的措施，通過引入變頻調速和合理利用“峰”“平”“谷”不同時段電價等手段來改善泵站效率，降低能耗，實現節電節能效果。通過總結南水北調配套工程泵站運行經驗，有助于維護人員更加科學、合理、高效地管理運行泵站，在保障項目供水穩定的基礎上，推動廠站降本增效，為中原城市群經濟發展添磚加瓦。