萬家寨引黃工程降低泵站能耗關鍵因素的研究與實踐

柴晉平，陳 濤，李興春

（山西萬家寨水控水資源有限公司，山西 太原 030012）

1 引言

萬家寨引黃工程是一個多泵站的梯級引水工程，泵站機組功率大，給太原市供水需經過五級泵站提水，揚程達636 m，每供1 m3大約用電2.16～2.20 kW·h。工程年設計供水量12 億m3，年約20 億kW·h。隨著國家“雙碳”目標的提出，進一步降低提水用電量成為運行中的重要工作。本文結合工程本身的特點，通過對泵站能源單耗的分析，以降低運行單方水耗電量為切入點，對影響工程輸水能耗的關鍵因素進行了分析和研究，提出了節能降耗的具體方法。

2 萬家寨引黃工程泵站群的特點

萬家寨引黃一期工程共建設5 座大型泵站，如圖1 所示，安裝42 臺水泵電動機組，水泵設計流量均為6.45 m3/s。其中，總干一級、二級和南干一級、二級4 座泵站揚程均為140 m；總干三級泵站揚程76 m；總揚程636 m，可劃分為3 個區段。

圖1 萬家寨引黃工程泵站示意圖

（1）工程從萬家寨水庫取水，經總一、總二泵站提水至申同嘴調節水庫，這個區段屬于封閉的有壓水力系統。其特點為：

1）萬家寨水庫水位變幅大，引黃工程最低取水水位957 m，最高取水水位980 m，變幅達23 m。

2）總一、總二泵站設計揚程140 m,各安裝10臺功率為12 000 kW 的定速機組，水泵為固定導葉，額定轉速600 r/min，水泵效率在92%以上，各站均安裝2 臺大型變頻器用于機組啟動。

3）申同嘴調節水庫為日調節水庫，有效調節庫容14 萬m3，最低水位1 237.5 m，最高水位1 248 m，水位變幅為10.5 m。

（2）從申同嘴水庫出水后至總三泵站、分水閘為一個區段；分水閘至南一、南二泵站為一個區段。這2 個區段輸水隧洞為無壓自流輸水。3 個泵站的特點為：

1）泵站進水側設前池，前池容積小，運行水位變幅在0.9～1.4 m 以內，出水側采用豎井方式。

2）總三泵站設計揚程76 m,安裝10 臺功率為6 500 kW的機組，其中定速機組5臺、變速機組5臺，水泵為固定導葉，額定轉速600 r/min，水泵效率在92%以上，并安裝有4 臺大型變頻器。

3）南一、南二泵站設計揚程140 m,各安裝6 臺功率為12 000 kW 的機組，其中各站定速機組4 臺、變速機組2臺，水泵為固定導葉，額定轉速600 r/min，水泵效率在92% 以上，各站均安裝2 臺大型變頻器。

4）泵站配備變速機組，由大型變頻器拖動變速運行，用于調節站間流量平衡。

3 能源單耗與單方水耗電量在泵站運行中的應用

能源單耗是指水泵每提水1 000 t,揚高1 m 所消耗的能量，能源單耗是泵站技術管理中的重要指標，單位：kW·h/kt·m，其數學模型為：

式中：E—泵站一段時間內運行所消耗的能源總量；G—同時間內泵站總提水量；H—泵站的平均揚程；Ei—泵站i 時段消耗的總能量，單位kW·h；Q—泵站i 時段運行時總流量，單位m3/s；ti—泵站i時段運行歷時，單位h；Hbzi—泵站i 時段平均凈揚程，單位m。電力泵站的能源單耗與泵站效率有以下關系：

式中：ηSB—水泵效率，ηDJ—電機效率，ηCD—傳動效率，ηGD—管道效率，ηBP—變頻器效率。

從公式（2）、（3）可以看出，能源單耗與泵站的效率有直接的關系，主要反映泵站內水泵、電機、輔助設備以及管路等的運行狀況。能源單耗低，表示泵站效率高，泵站的設備選型、設備維護、管理水平較高；反之，能源單耗高，說明泵站效率較低，泵站設備或某個系統存在損耗較大等問題，在技術改造、運行管理方面還需要加強。

對于已經投運的泵站或調水工程來講，還應充分利用現有設備和工程特性，通過優化調度，實現能耗最小的目標，即要求供同樣多的水，用電量盡可能的少，也就是單方水耗電量最小。因此，單方水耗電量是一個反映泵站能耗情況和供水工程運行水平的重要指標。

單方水耗電量是指在一定時間里水泵耗電量與抽水量的比值（單位：kW·h/t）。

從公式（4）、（5）可以得知，在揚程一定情況下，能源單耗和單方水耗電量成正比。而單方水耗電量是在能源單耗的基礎上，加上揚程變化的因素，因此，影響單方水耗電量有兩個因素，即揚程和泵站綜合效率，運行揚程越高相對用電越多，綜合效率越低相對用電也越多。因此，運行中想要保證輸同樣多的水耗電量盡可能的少，可將降低單方水耗電量做為生產指標，從降低泵站運行揚程、提高綜合效率這兩方面入手采取措施。

4 揚程變化對萬家寨引黃工程能耗的影響

萬家寨引黃工程總一、總二泵站有壓串聯運行，總一泵站在萬家寨水庫取水，總二泵站出水側為申同嘴調節水庫。受水庫水位變化的影響，兩站凈揚程在257.5～291 m 間變化，最大變化范圍33.5 m，進水側水位變化范圍23 m，出水側水位可控調節范圍10.5 m。單泵站運行最低揚程為128.75 m，最高揚程為145.5 m，可變揚程為16.75 m。兩泵站都采用設計揚程140 m 的立式離心水泵。從水泵生產廠家提供的性能曲線（圖2 所示）可以看出，在揚程120～150 m 變化范圍內，水泵效率都在90%～92%的高效區。也就是說，總一、總二級泵站的水泵在揚程變化邊界范圍內都在高效區運行。

圖2 立式離心泵性能曲線

由于總一、總二兩座泵站有33.5 m 可變揚程，為我們按照上述單方水耗電量數學模型D=0.002 725H/ηBZ，通過降低揚程降低單方水耗電量提供了條件。

在實際運行中，由于萬家寨水庫水位受發電、防汛的限制，水位由上級單位調度，因此，盡可能在萬家寨水庫高水位時多開機組引水。同時，控制總二泵站出水側申同嘴水庫的水位在最低水位運行，通過降低泵站凈揚程，降低泵站用電量。在萬家寨水庫水位保持平穩的情況下，申庫不蓄水運行與申庫保持在設計水位1 245 m 以上運行，總一二泵站凈揚程至少下降6 m，經實測，單方水耗電量下降0.025 7 kW·h/m3，按照設計年供水量12 億m3計算，可節約電量3 084 萬 kW·h，按現行電價0.55 元計算，年可節約電費約1 696 萬元，降低成本效果非常好。

水泵在揚程變化時，效率也會變化，因而單方水耗電量曲線變化不是線性的，通過公式繪制曲線很不方便，只能在廠家給出的模型數據的基礎上，通過不斷的運行數據積累和整理不斷完善。萬家寨引黃工程單方水耗電量隨揚程變化曲線（圖3），是按照廠家水泵模型數據繪制的，規律是隨揚程的減小單方水耗電量降低，并且揚程大于154 m 后單方水耗電量增幅變大，原因為此時水泵效率降低明顯。

圖3 引黃一期機組揚程-單方水耗電量曲線

5 大型變頻器在萬家寨引黃工程運行中的能耗分析

變頻器是應用變頻技術與微電子技術的原理，把電壓和頻率固定不變的工頻交流電變換為輸出頻率可變的交流電的裝置，通過改變變頻器輸出交流電頻率，被拖動的水泵機組就可實現泵組變速運行。萬家寨引黃工程在每座泵站都配備了至少2 套變頻器，用于機組的啟動。其中，總三、南一、南二這3 座泵站的變頻器還可以拖動機組變速運行。變頻器拖動機組在運行中調節流量變化后對能耗的影響如何，成為我們研究的課題。

5.1 水泵變速運行分析的一般方法

一般情況下，水泵變速運行按照比例定律進行理論分析，水泵轉速變化，流量、揚程和軸功率按以下規律變化：

流量比例定律：

揚程比例定律：

軸功率比例定律：

由此得出結論：水泵的流量與轉速成正比，水泵的揚程與轉速的平方成正比，水泵的輸出功率與轉速的3 次方成正比。從以上公式來看，當變頻器拖動電動機水泵降低轉速運行時，功率會大幅度的降低，應該說節能效果非常明顯。但是這一理論的前提是揚程不受約束，可以自由變化。流量和揚程要按比例定律變化，比如，將一臺額定功率10 kW、流量1 m3/s、揚程是10 m 的水泵，安裝在一個平臺上，當電動機在額定轉速運行時，流量1 m3/s，揚程是10 m；當需要將流量降到0.9 m3/s，轉速降低10%到90%時，揚程降低約19%到8.1 m，這時，功率降低27.1%到7.29 kW。也就是說，當流量降低10%時，節電率為27.1%，轉速較小的變化，就會引起功率較大的降低，按照單方水耗電量與揚程成正比的關系，單方水耗電量也會降低，節能效果比效顯著。

5.2 萬家寨引黃工程變頻器特性分析

（1）變頻器固有損耗較大

萬家寨引黃工程電動機功率大，變頻器除整流、電抗器、逆變器配置外，還有輸入變壓器、輸出變壓器，并且配套冷卻風機、濾波器等輔助設備，因而自身的損耗很大（表1）。廠家提供的配套6 500 kW電動機變頻器效率為95.2%，配套12 000 kW 電動機變頻器效率為96.4%。

（2）機組變速運行時流量、揚程、功率變化分析

萬家寨引黃工程總三、南一、南二3 座地面泵站安裝的變速機組，變速范圍為92%～100%額定轉速。由于各泵站出水豎井是固定的，前池的可變揚程在0.9～1.4 m 之間，運行中一般會保持前池水位基本穩定，因此，可以認為，調節機組轉速后水泵機組運行揚程基本上不變；從水泵生產廠家提供的H-Q特性曲線（圖4）可以看出，隨著轉速的減少，小的頻轉速變化ΔF會引起較大的流量變化ΔQ和較大的功率變化ΔP。例如生產廠家提供的揚程140 m 的水泵數據（表2），轉速從額定轉速降低到92%額定轉速，流量從6.68 降低到4.18，軸功率由9 851 kW降到6 586 kW，8%的轉速變化引起的流量變化為37.4%,功率變化為33.1%。這種情況不適用于流量比例定律和軸功率比例定律，由于揚程基本不變，顯然也不適用于揚程比例定律H1/H2=(n1/n2)2。

圖4 H-Q 特性曲線

按照本文中推導的單方水耗電量公式D=0.002 725H/ηBZ，在水泵機組變頻運行時，泵站綜合效率還要考慮變頻器效率的影響,因而，與機組定速運行相比，水泵機組綜合效率將降低，單方水耗電量更高，是不節能的。特別是當機組轉速在94%以下時，水泵效率會大幅度下降，此時，單方水耗電量增加的幅度會更大。水泵機組轉速在90%以下時，在額定揚程時就不能出水了。水泵生產廠家提供的模型泵在不同轉速下的數據（表2）也很好地說明了這一點。

6 工程運行實踐

萬家寨引黃工程是一個以輸水量最大為目的的引水工程，給各用水戶供水大都是通過沿線水庫調蓄后再供水的。引黃工程經濟運行方式經歷了很長時間的分析、實踐和總結，通過采用將工程劃分為不同區段進行節能分析的方法，不斷優化節能方法和調控手段，最終形成了在萬家寨水庫高水位引水，申同嘴水庫不蓄水，盡量減少變頻器的使用這一經濟運行方式。從2012 年開始通過逐漸降低申同嘴水庫水位到最終不蓄水運行，同時各泵站機組盡可能定速運行，與2009～2011 年一般運行方式下單方水耗電量相比，近11 年來節約電費1.55 億元，取得了良好的節能效果（表3）。

表3 2012 年經濟運行方式以來歷年節約電量、電費統計表

7 結論

能源單耗主要反映泵站內水泵、電機、輔助設備以及管路等的運行狀況，與泵站的效率有直接的關系。能源單耗低，表示泵站綜合效率高，泵站的設備選型、設備維護、管理水平較高。

單方水耗電量是一個反映泵站能耗情況和供水企業運行水平的重要指標。它與泵站揚程成正比，與泵站綜合效率成反比。

萬家寨引黃工程從萬家寨水庫取水，經總一、總二泵站提水至申同嘴調節水庫，這個區段屬于封閉的有壓水力系統。兩泵站揚程最大變化范圍33.5 m，盡可能降低運行揚程是本工程節能降耗的關鍵因素之一。

大型工業變頻器在萬家寨引黃工程中拖動機組變速運行，起到了流量平衡的作用，但不能起到大幅降低能耗的作用，變頻器在運行中會降低泵站的綜合效率，單方水耗電量會增大，增加了能耗。盡量不使用變頻器，減少機組變速運行是本工程降低能耗的關鍵因素之一。

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