農(nóng)業(yè)水利工程中高揚程提水泵站節(jié)能降耗方法

韓曉娟

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

我國西北等農(nóng)業(yè)灌溉水源較為缺乏的區(qū)域，一般為高揚程提水灌區(qū)，當(dāng)?shù)靥崴谜狙b置利用效率普遍較低，能源消耗較高問題較為嚴(yán)重，不僅造成資源浪費，同時不利于提高農(nóng)業(yè)種植人員的收入。因為水資源較為缺乏，生態(tài)環(huán)境承載力較弱，必須加強農(nóng)業(yè)灌溉工程建設(shè)。當(dāng)前部分高揚程灌區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)備老化問題較為嚴(yán)重，外加技術(shù)水平不夠先進，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)提水泵站能耗處于較高狀態(tài)，為了落實節(jié)能減排目標(biāo)，則必須加強對節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化。

1 高揚程提水泵站節(jié)能降耗的重要意義

高揚程提水灌區(qū)在我國西北、西南等農(nóng)業(yè)區(qū)域中廣泛存在，尤其是在氣候干旱、常年降雨量較少的區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境較為惡劣，只能通過高揚程提水泵站進行灌溉。但是隨著高揚程提水工程使用年限增長，許多提水泵站出現(xiàn)能耗較高的問題，需要采用科學(xué)的優(yōu)化方法，降低高揚程提水泵站的能耗，其重要意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）提高農(nóng)民收入水平。在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，通過開展節(jié)水、節(jié)能以及降耗工作，結(jié)合農(nóng)作物生長的具體情況，采用相應(yīng)的灌溉措施，在滿足農(nóng)作物生長水資源的基礎(chǔ)上，能夠減少農(nóng)業(yè)種植成本，從而提高農(nóng)民經(jīng)濟收入，對于鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的全面落實具有重要意義。2）提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。采用科學(xué)的節(jié)能降耗技術(shù)，將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)水利工程高揚程提水灌區(qū)泵站改造中，能夠節(jié)省更多的渠道占地，從而增加可用耕地面積，最大程度減少農(nóng)田中的溝渠等基礎(chǔ)設(shè)施，擴大農(nóng)作物種植區(qū)域，從而能夠有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。與此同時，采用噴灌、滴灌等灌溉方式，不需要提前對種植區(qū)域進行土地平整處理，從而減少種植工作量，能夠有效降低農(nóng)業(yè)種植成本。3）促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)過程中，節(jié)能、降耗以及環(huán)保，一直以來都是農(nóng)業(yè)發(fā)展追求的目標(biāo)，為了實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，則需要對高揚程提水灌區(qū)進行節(jié)能降耗升級[1]。

2 高揚程提水灌區(qū)泵站能耗較大的主要原因

本文以某高揚程提水工程為例進行分析。該工程位于河西走廊東部區(qū)域，是一項揚程較高、流量較大且存在多梯級的高揚程提水灌溉工程。該工程始建于1970 年，在1973 年正式投入使用，設(shè)計灌溉面積為31 000畝，實際灌溉面積為24 150畝；設(shè)計提水流量為1.4 m3/s，實際提水流量為1.0 m3/s，總裝機容量為11 180 kW，總揚程為610 m左右。到目前為止，已經(jīng)建成的農(nóng)業(yè)灌溉提水泵站為12 座，主要負責(zé)當(dāng)?shù)毓麍@以及12 個自然村，超過17 000 畝的農(nóng)田，超過5 900畝綠化林木的灌溉任務(wù)。該高揚程提水工程的建設(shè)，使得當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及林業(yè)的發(fā)展水平得到很大提升，有效改善了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。但是在經(jīng)過多年的使用后，該高揚程提水泵站出現(xiàn)了嚴(yán)重的設(shè)備老化問題，使得事故隱患逐漸增加。當(dāng)前泵站受到建設(shè)時的客觀條件影響，出現(xiàn)了耗能較高、工程效益不斷下降的問題。在對高揚程提水泵站進行節(jié)能降耗改造前，必須明確耗能高問題產(chǎn)生的主要原因。筆者根據(jù)對該高揚程提水泵站的分析，總結(jié)如下幾項因素。

2.1 水泵規(guī)定揚程高于實際

該高揚程提水灌區(qū)大部分泵站建設(shè)時間較早，受到當(dāng)時客觀條件以及技術(shù)水平的影響，存在水泵型號和種類不全等問題，導(dǎo)致沒有合適的水泵型號可以選擇；沒有根據(jù)平均揚程選擇合適的水泵，而是為了提高灌溉效率采用最大揚程，還有部分水泵按照超大揚程進行選擇，比如某支桿泵站水泵型號為200D43*6，該水泵額定揚程為260 m，但是水泵卻常年在120 m～150 m的揚程范圍內(nèi)使用，水泵額定揚程遠遠超過實際所用揚程，而較大揚程的水泵運行能耗高于較小揚程水泵，從而導(dǎo)致水泵整體能耗較高[2]。

2.2 配套設(shè)施不夠完善

受到該高揚程提水泵站建設(shè)時的條件影響，難以選擇合適的水泵機型，從而采用功率較高的動力機，且許多泵站設(shè)備為臨時拼裝，缺乏完善的配套設(shè)施。同時，該泵站沒有按照所需要的實際功率采用相應(yīng)的動力機，而是采用較為保守的備用系數(shù)，動力機功率較大，水泵的配套功率較小，從而使得動力機運行所產(chǎn)生的能源消耗無法轉(zhuǎn)換為實際所需，動力機的運行功率較高，是引起能耗較高的主要原因之一。

2.3 機組流量不匹配

該高揚程提水灌區(qū)的泵站中，現(xiàn)有機組選型是按照當(dāng)時灌區(qū)的實際情況確定的，當(dāng)時農(nóng)作物主要是糧食，以小麥為主。小麥作物生長的需水量較大，且具有明顯的季節(jié)性特點，灌溉次數(shù)較少，單次灌溉水量較大，因此采用較大的流量機組。而經(jīng)過多年的發(fā)展，該灌區(qū)的農(nóng)作物結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，經(jīng)濟作物逐漸增多，現(xiàn)有泵站大部分流量機組已經(jīng)不符合農(nóng)作物灌溉需求實際情況。例如某水泵機組的配套設(shè)施為2臺14 sh-9 A水泵，流量為1 180 m3/h；1臺20 sh-9水泵，流量為2 015 m3/h。在需要對農(nóng)作物進行灌溉時，其他主干水泵經(jīng)過改造后都能夠采用較小流量的機組，而主干二機組依然為大流量機組，所種植的經(jīng)濟作物單次需水量較少，需要采用少量多次的灌溉方式，而主干二泵每次灌溉因為流量較大，從而導(dǎo)致消耗的能量較大，且會引起灌溉水超出所需的問題，對農(nóng)作物生長會產(chǎn)生很大不利影響。高揚程提水泵站與實際所需灌溉流量不匹配的問題，是引起高揚程提水灌區(qū)能耗較高的主要因素，所以在對其進行優(yōu)化時，需要充分考慮到高揚程提水泵站與實際所需灌溉水量之間的關(guān)系。

2.4 泵站管路運行效率較低

因為該高揚程提水灌區(qū)泵站管道使用年限較長，所以存在運行效率較低的問題，且已經(jīng)發(fā)生過多次管道爆裂事故。該灌區(qū)的泵站壓力管道為800 mm 鑄管，質(zhì)量已經(jīng)難以達到要求，銹蝕問題較為嚴(yán)重，導(dǎo)致管道斷裂問題頻繁發(fā)生；部分鋼管的管壁已經(jīng)從原有80 mm 厚度，變?yōu)?0 mm 左右厚度；且管道整體長度較長，具有多處彎頭，在較大的供水壓力下，導(dǎo)致高揚程提水泵站運行能耗無法降低，整體能耗偏高。該問題較為突出，且尚未制定科學(xué)有效的解決方法。

3 高揚程提水灌區(qū)泵站節(jié)能降耗有效方法的分析

通過上文的分析可以看出，當(dāng)前該高揚程提水灌區(qū)泵站存在能耗較高的問題，且受到的影響因素較多。為了促進當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，提高農(nóng)民收入水平，同時促進當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，需要對該老舊高揚程提水泵站進行改造。因為高揚程提水泵站的裝置效率由水泵、機組、管道以及進水池和傳動效率的乘積決定，所以在對其進行節(jié)能降耗改造前，需要分別計算出動力裝置、管道以及進水池的運行效率。運行效率的計算公式為η站=η動*η泵*η管*η池，η站越高則說明高揚程提水泵站節(jié)能降耗效果越好，其中任何一個環(huán)節(jié)的功率變化，都可能引起其他環(huán)節(jié)的運行效率變化，因此改造措施需要結(jié)合該高揚程提水泵站的實際情況。依據(jù)該高揚程提水灌區(qū)的實際情況，結(jié)合相關(guān)實踐經(jīng)驗，筆者總結(jié)如下幾項有效的節(jié)能降耗優(yōu)化改造措施。

3.1 提升動力機運行效率

高揚程提水灌區(qū)電力工程中，動力機的主要形式為電動機站，通過提高電動機的運行效率能夠有效提升節(jié)能降耗實際效果。在優(yōu)化過程中，除了從設(shè)計制造方面加以優(yōu)化，同時采用如下幾項有效的改造措施：1）機組配套優(yōu)化。機組配套功率的備用系數(shù)不能過大，由于在電動機負荷較低的情況下，其運行效率較低，電動機的運行功率也會因此降低，將導(dǎo)致輸電線路和變壓器損耗增加，所以需要避免大功率設(shè)備帶動小流量機組的問題發(fā)生。但是配套功率的配用系數(shù)不能過小，不然會導(dǎo)致電動機運行負荷較大，從而縮短電動機使用壽命。通常情況下，電動機的效率曲線需要保持在1.0～1.7范圍內(nèi)。從節(jié)能降耗的角度來看，效率系數(shù)為0.8 時最佳，所以需要將該高揚程提水泵站的電動機運行效率調(diào)整為0.8左右。2）優(yōu)化電動機轉(zhuǎn)速。在不降低電動機的傳動效率的基礎(chǔ)上，為了保證高揚程提水泵站運行效率更高，則需要采用優(yōu)化電動機繞組接線的方法，將“△”接線方法改變?yōu)椤癥”接線方法，同時選擇最為先進的產(chǎn)品，確保所選擇產(chǎn)品的質(zhì)量，同時輔以日常檢修工作，能夠有效提高電動機自然功率因數(shù)，從而降低高揚程提水泵站運行能耗[3]。

3.2 提高水泵運行效率

為了有效保障高揚程提水泵站節(jié)能降耗改造效果，需要對水泵的運行效率與水泵設(shè)計制造水平進行優(yōu)化，主要方法包括：1）在對水泵的優(yōu)化設(shè)計方面，需要使得葉片流道斷面發(fā)生突變的問題減少，從而減少脫壁漩流與二次回流問題；需要對葉片和導(dǎo)葉，葉輪和進水室、出水室，葉輪與隔舌等構(gòu)件的相互配合進行優(yōu)化，減少不穩(wěn)定流動的問題發(fā)生；提升過流區(qū)域的加工精度，從而減少葉輪、導(dǎo)葉等區(qū)域的摩擦阻力損失。通過對水泵的優(yōu)化設(shè)計，能夠有效減少水力損失，使其功率效果能夠最大化發(fā)揮，從而降低功耗。2）在水泵的選型方面，需要按照水泵性能曲線與配套管道系統(tǒng)的曲線，明確水泵運行的平均揚程、最大揚程時的功率參數(shù)，保證水泵大部分時間都處于最大揚程的高效運行區(qū)域中，從而能夠有效提高水泵運行電力消耗利用率。同時，水泵在平均揚程范圍內(nèi)運行時以及在高效區(qū)域運行時，確保水泵能夠保持平穩(wěn)運行，避免出現(xiàn)較大的運行波動；針對當(dāng)前揚程與功率不匹配的水泵，需要對其進行調(diào)節(jié)和優(yōu)化改造；若水泵工作性能參數(shù)與實際需求不符合，則水泵將會長期處于低效率區(qū)域運行，針對該問題可以應(yīng)用改變水泵性能缺陷的方式，將工作重點進行轉(zhuǎn)移，從而能夠有效改變水泵性能曲線，降低能耗[4]。3）在運行管理方面，需要保證高揚程提水水泵依據(jù)最優(yōu)的方案運行，防止出現(xiàn)水利損失過大的問題。同時，因為汽蝕或泥沙磨損等，會導(dǎo)致水泵葉輪出現(xiàn)變形，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該問題時，需要立即對其進行維修、更換；水泵變速、變角以及變徑等調(diào)整都需要保證在允許范圍內(nèi)，若水泵工作點性能與實際需求相差較大，或葉輪等構(gòu)件出現(xiàn)損壞，需要更換新的零部件保證水泵運行正常，從而能夠提高水泵能耗利用率[5-6]。4）需要加強對水泵的日常維修和保養(yǎng)工作，因為水泵在經(jīng)過一段時間的運行后，葉輪等必然會出現(xiàn)磨損，使得能量損失問題加劇。所以為了提高水泵運行效率，需要加強日常養(yǎng)護工作，定期更換磨損嚴(yán)重的內(nèi)部構(gòu)件，其中容易發(fā)生磨損的構(gòu)件為葉輪以及軸承等。

3.3 提高高揚程提水水泵管路運行效率

提高管路運行效率，是降低高揚程提水水泵運行能耗的有效方式，所以在本次對高揚程提水灌區(qū)的水泵節(jié)能降耗優(yōu)化過程中，采用如下幾項方法：1）確定合適的管徑。管道作為高揚程提水水泵的重要組成部分，對于高程投資和節(jié)能效果具有很大影響。在管徑增加的情況下，管道阻力則會減少，耗電量以及年運行成本將會降低，但是一次性投資會增加；相反，管道直徑如果減小，管道內(nèi)阻力會增加，水力損耗會隨之而提升，年運行成本提高，但是一次性投資總量會有所降低。因此，在對高揚程提水水泵管徑進行優(yōu)化時，需要結(jié)合實際投資情況，按照節(jié)能降耗的設(shè)計方案確定最佳的管徑，依據(jù)高揚程提水泵站運行費用和管路投資情況，確定最優(yōu)的設(shè)計方案。在選擇管路時，需要采用良好的方案，對流速進行有效控制，通常情況下需要控制在1.5 m/s～3.0 m/s，同時可以采用玻璃夾紗管等降低管道損耗；鋼管具有韌性較好、耐壓性較好的特點，但是容易受到腐蝕，所以需要做好防腐處理。2）合理規(guī)劃管道長度。通常情況下，管道長度越長，管道運行效率越低，產(chǎn)生的能耗則越高，所以需要盡量縮短管道長度，從而減少整體投資，同時節(jié)約電力能源；進水管道和出水管道長度需要盡量縮短，并減少彎頭的使用[7-8]。

3.4 提高進出水池運行效率

1）需要對當(dāng)前高揚程提水水泵中不合理的進出水池進行改造，主要是對尺寸以及形狀進行優(yōu)化，減少池內(nèi)出現(xiàn)旋渦、回流以及脫壁等問題，從而提高進出水池運行效率，提高電力能源使用率，減少不必要的電力能源浪費問題發(fā)生。2）需要做好進出水池的維護管理工作，定期清除進出水池內(nèi)部雜物，防止雜草、漂浮物等影響進出水池運行效率。在沒有雜物的情況下，高揚程提水水泵整體運行效率則能夠提升，減少電力能源消耗[9-10]。3）需要保證水泵具有一定的研磨深度，因為水源條件的變化會使得進出水池的水泵吸入管口最小淹沒深度降低，導(dǎo)致旋渦問題出現(xiàn)，所以需要保證具有充足的淹沒深度，避免該問題發(fā)生，從而能夠有效提升高揚程提水水泵運行效率，這是節(jié)能降耗的有效優(yōu)化方法。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文全面闡述了農(nóng)業(yè)水利工程中高揚程提水水泵節(jié)能降耗的重要意義，并結(jié)合某高揚程提水工程的具體情況，對其能耗較大的原因進行分析，最后提出多項有效的節(jié)能降耗優(yōu)化方法，希望能夠?qū)Ω邠P程提水灌區(qū)泵站改造工程起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高節(jié)能降耗水平。