農業水利工程中高揚程提水泵站節能降耗技術研究

劉振興

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

一般情況下，灌溉水源相對匱乏的地區，多是高揚程提水灌區，泵站裝置利用不可避免地會存在一定能源過消耗現象，運行效率較低，不僅影響當地原始生態環境，也不利于提升當地農業種植人員收入。水資源匱乏，自然生態環境的承載能力必然較差，因此，加強農業水利節水灌溉工程建設與優化勢在必行。筆者針對甘肅省景泰川電力提灌工程灌區的高揚程提水泵站高耗能問題進行深入分析，明確落實高揚程提水泵站“節能降耗”工程目標，從節能降耗技術應用與優化方面展開詳細敘述。

1 高揚程提水泵站耗能較大的原因分析

為切實分析好農業水利工程中高揚程提水泵站能耗較大的主要原因，筆者以甘肅省景泰川電力提灌工程為例，結合其具體工程條件，由淺入深、由點到面地厘清該項目高揚程提水泵站耗能較大的原因所在，為其他農業水利工程項目建設提供參考。甘肅省景泰川電力提灌工程（以下簡稱景電工程）是一個流量大、跨省區、存在多梯級的大型提灌工程。一期工程開工于1969 年，設計提水流量10.6 m3/s，泵站13 座，總揚程約470 m。工程建成后，極大地改善了當地的農業生產條件。但是，長時間使用所導致的高揚程提水泵站設備磨損、老化、腐蝕等問題，無形中也增加了高揚程提水泵站的事故風險[1]。因此，在對該工程高揚程提水泵站進行節能降耗改造之前，筆者先分析該農業水利工程高揚程提水泵站耗能較高的主要原因。

1.1 規定揚程高于實際

景電工程建設時間早，實際上的灌區高揚程提水泵站建設與運行受到當時的技術水平與客觀條件制約，導致可應用水泵型號不全與水泵種類不全等現實問題。進行農業灌區高揚程提水灌溉工作時，經常沒有適宜的水泵型號可供選擇，也無法根據水泵設備平均揚程選擇合適水泵，為確保農業灌區灌溉效率而直接采用最大揚程，導致灌溉過程過度耗能[2]。例如，在對農業灌區進行提水灌溉工作時，一部分支桿泵站的水泵型號選擇HS900-800-115，其額定揚程為80.4 m，實際上該水泵卻常年在60 m~70 m 揚程范圍內運行使用。如此一來，水泵的額定揚程遠大于實際揚程，造成泵站過度耗能。

1.2 配套設施不夠完善

景電工程灌區受到當時高揚程提水泵站建設的條件影響，無法選用合適的農田灌溉水泵，從而采用功率相對較大的動力機，使該農業水利工程高揚程提水泵使用存在一定的“大馬拉小車”現象。仔細分析后發現，造成此類情況出現的其中一個原因同其他農業水利工程一樣，即高揚程提水泵站部分設備組合不合理，是臨時拼裝投入運用。如此，高揚程提水泵站設備組件相互不配套，自然影響了其農田實際灌溉效率，不僅增加了泵站能源消耗，也不利于農業灌區生產力的提高[3]。例如，工程人員未能選擇與農田灌溉需求相匹配的水泵機型，動力機選擇與實際不符；采用保守的備用系數，動力機實際運行效率不高卻功率極大，所造成的能源消耗完全無法與灌區實際灌溉需求匹配。最終，動力機能源消耗低效轉換，長此以往，引發嚴峻的農業水利工程高揚程泵站耗能問題。

1.3 設備存在磨損腐蝕

在農業水利工程高揚程提水泵站建設過程中，泵站作業常會因為大流量的直接作用而持續不斷地對泵站水泵造成內部沖擊[4]。再加上農業灌區灌溉用水常含大量雜物，若雜物一直與水泵發生碰撞，時間一久，便會導致水泵受到不同程度的磨損，進而影響農業水利工程水泵設施的實際運行。若是維護人員無法及時地對灌區水泵進行維修保養，不但會導致之后的農田灌區高揚程提水灌溉工作泵站耗能大、效率低，甚至還有可能隱性影響農田作物的實際產量，導致低效的作物灌溉問題發生。以甘肅省景泰川電力提灌工程在農田灌區灌溉的實際運作情況為例，該工程泵站設備不僅存在磨損問題，還表現出明顯的老化、腐蝕現象[5]。例如，管道有明顯的生銹痕跡，經過長時間的泥沙沉積，水泵出口密封圈遭到肉眼可見的腐蝕，水泵密封性能受到沖擊，水泵設備內形成坑槽，流水阻力變大。若不重視上述情況，泵站設備耗能問題會愈發嚴重，當造成不可挽回的后果時，將直接拔高農業水利工程泵站設備維修成本，造成不必要的經濟損失，不利于農業產業綜合發展。

1.4 機組流量不匹配

在農業水利高揚程提水灌溉工程中，泵站所使用的機組多是按照當地的水資源情況以及實際灌溉需求來確定的。所以，明確甘肅當地農作物主要是小麥、玉米等，便可以通過上述農作物生長所需的實際水量與灌溉特點等，確定相應的大流量機組。例如，小麥灌溉需水量大，具有明顯的季節特征，灌溉次數無需太多，單次灌溉充足即可。但隨著時間推移，甘肅部分灌區農作物結構發生變化，經濟型農作物種類逐漸增多，傳統的泵站大流量機組不再能滿足各類灌區農作物的實際灌溉需求，導致該工程高揚程提水泵站運行能耗增加[6]。例如，景電一期工程水泵機組對灌區內農作物進行提水灌溉時，根據需要，應盡可能采用小流量機組完成灌溉工作，但主干機組則依然沿用較大流量泵站機組，對灌區內需水量較少的農作物進行少量多次灌溉。這樣一來，每次灌溉都會由于主干泵流量較大引發一定的高耗能問題。久而久之，十分不利于灌區農作物健康生長，嚴重影響農業產量。

2 高揚程提水泵站節能降耗的方法與路徑

結合前文分析可知，在農業水利工程建設中重視高揚程提水泵站節能降耗，一方面能影響農業生產效率，另一方面能提高農業種植人員收入水平，減少煩瑣的農作物種植環節與種植工作量，滿足農作物生長灌溉需求。因此，以“可持續發展觀”為指引，以“綠色、環保”為原則，以“創新實踐”為核心，筆者將重點分析景電工程灌區高揚程提水泵站節能降耗技術的優化運用，提高農業生產質量與效率，促進甘肅地區農業現代化發展[7]。

2.1 提高泵站動力機運行效率

要想提高景電工程灌區高揚程提水泵站運行效率，科學實現“節能降耗”，首先需要工作人員合理提升泵站動力機運行效率[8]。在景電工程中，動力機的主要形式為電動機站，需要借助電動機運行效率的提升來增強節能降耗效果。所以，除了需要優化灌區泵站設計制造方案外，還應從以下幾方面合力改進：1）結合灌區灌溉需要，對工程泵站機組進行優化，不再一味沿用保守備用系數，對備用系數進行合理調改，改善灌區電動機站實際運行負荷，使電動機運行效率得以提升。這樣不僅可以避免必須運用大功率電動機帶動小流量機組的問題發生，也可以科學延長農業水利工程實際使用壽命。具體而言，泵站機組配套設施的備用系數不宜過大，電動機效率曲線應確保在1.0~1.7 之間，機組配套設施效率系數在0.8 為宜，工程泵站電動機運行效率保持0.8 左右。2）優化電動機實際轉速。在不降低動力機傳動效率的基礎上，為最大程度確保灌區作物灌溉需水量，電動機采用繞組接線方法，由“△”法改為“Y”法，提高電動機的自然功率因數，使泵站運行節能降耗，作物灌溉合理不浪費。

2.2 提高水泵運行實際效率

根據灌區農作物灌溉需要、景電工程當地水質條件和生態環境等，工作人員除了應該根據灌區作物提水灌溉需求，設計并選擇符合具體灌溉需要的水泵型號，還應對水泵管路運行效率進行改進優化。具體而言：1）重視泵站水泵優化改進工作，以解決葉片流道斷面突變問題以及二次回流問題為導向，對水泵的葉片、導葉、進水室、出水室等完成優化，科學減少水力損失[9]。2）在實際選擇配套設施時，按照水泵性能曲線以及合理的管道系統曲線，計算農田水利灌溉平均揚程、灌區灌溉最大揚程功率參數等，保證每一次景電提灌工程高揚程提水泵站的水泵投入使用時，都可以在最大揚程運行范圍，避免不必要的電力浪費，保證作物灌溉過程穩定、可靠，無耗能波動。需要注意的是，針對景電提灌工程中已不能再滿足作物灌溉需求的水泵，工作人員需以工作重點轉移為第一準則，通過改變其性能曲線，從而達成灌溉使用過程節能降耗的目的。3）制定水泵日常維修管理制度，確保設備維修保養落到實處。例如，提高對葉輪、軸承維修的重視程度，要求維修人員按規記錄[10]。

2.3 優化管路設計

對甘肅景電提灌工程中的高揚程提水泵站水泵管道進行優化，提高管道實際運行效率，也可以有效實現節能降耗。具體而言：1）計算好相關數據，確定灌區適合的水泵管徑。即在合理增加管徑的條件下，減少管道內的流水阻力，改變原本的高電耗問題，使水泵運行成本大大降低。例如，確定好灌區適宜的提水灌溉方案后，工作人員應對水泵流量、流速進行科學控制，使流速在1.5 m/s~3.0 m/s 的范圍內，并優化應用玻璃夾砂管。2）對該工程高揚程提水泵站水泵的管道長度進行改造[11-12]。通常情況下，水泵管道越長，管道運用起來的實際效率越低，產生的能耗越高。所以，在找到提灌設計規劃的平衡點后，工作人員應盡可能控制好管道長度，降低管道投資成本，實現電力能源的高效利用。例如，無論是進水管還是出水管，都盡可能減少使用彎頭，縮短長度。

2.4 提高進出水池的運用效率

注重景電工程灌區高揚程提水泵站節能降耗，終極目的是提高農業生產力，在農業行業發展與經濟現代化建設方面發揮積極作用[13-14]。所以，在景電提灌工程灌區灌溉效率提升的過程中，與高揚程泵站建設相關的進出水池建設與優化管理也需得到一定關注。具體而言：1）對景電提灌工程當前階段的高揚程提水泵站中相對不合理的，或者說未能發揮出最大運行效率的進出水池進行優化。對進出水池尺寸、深度、形狀等方面進行細化改造。即根據已發現的水池內漩渦情況、回流情況、脫壁情況等，改善進出水池電能利用率。2）加強灌區日常的進出水池維護管理工作，管理人員按時按規清理水池內雜物，減少灌區灌溉的電力消耗。3）對水泵淹沒深度進行優化。灌區灌溉水源發生變化，進出水池的泵站水泵吸入管會由于實際淹沒深度不同而導致運行效率不同。為避免漩渦情況發生，工作人員可以對吸入管最小淹沒深度進行合理調改。

3 結語

綜上所述，本文以“農業水利工程中的高揚程提水泵站節能降耗”為主題展開研究。通過對甘肅省景泰川電力提灌工程高揚程提水泵站進行針對性的節能改造，結合具體的農業水利工程，細化分析當前階段農業水利工程中高揚程提水泵站的耗能原因，而后厘清高揚程提水泵站節能降耗改造思路與技術應用，是助力農業產業穩健發展，使農業現代化大幅進步的關鍵一環，能夠為甘肅地區農業生產發展帶來益處。