節能視域下農田水利高揚程提水泵站技術研究

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-4907

作者簡介：張紅英（1988—），女，本科，工程師，研究方向為農業水利工程設計。

摘??要：以實例簡述高揚程提水泵站節能降耗轉型的存在的問題與優化措施。研究發現，泵站存在規定揚程遠高于實際應用、配套設施不完善、管理運行效率較低、泥沙雜質導致設備腐蝕等問題。針對此，提出了選配合理水泵設備、優化動力機效率、優化管路設計、優化沉淀池設計、水泵系統智能啟停管理、定期開展能源評估等措施，以實現高揚程水利灌溉的“節能降耗”目標。

關鍵詞：水利灌溉 ?高揚程提水泵站 ?節能技術 ?節能降耗

中圖分類號：S277

西北地區灌溉水源稀缺，需采用高揚程提水灌區技術解決農田用水問題。但該地區中，較多高揚程提水泵站建設早，技術落后，投入使用過程中出現能量損耗過高的問題，極大影響灌溉工程的經濟性和效率；同時，管道破損、灌溉泥沙量大等問題還對周圍的原始生態環境造成了負面效應。近年來，我國農業事業重視應用降本增效、綠色能源等相關技術，高揚程提水泵站環保節能問題亟待解決。本文從節能降耗技術角度出發，展開深入分析。

1 高揚程提水泵站“節能降耗”的現實意義

我國西北、西南等地區，由于自然條件導致農田灌溉工作難度更大，高揚程提水泵站對于保證當地農業穩定發展和水源供應有重要意義。而多數高揚程提水泵站建設時間久遠，能源消耗逐年增加，對綠色節能化的農業生產造成影響，采取科學的舉措降低高揚程提水泵站的高昂能耗勢在必行。高揚程提水泵站“節能降耗”的現實意義主要表現如下幾點。

1.1 提升農民收入水平

過大力推進節水、節能及降耗工作，并結合農作物生長情況配套灌溉策略，能滿足農作物生長所需的水分資源、降低農業生產成本，提高農民經濟收益，實現鄉村振興。

1.2 提高農業生產力水平

高揚程提水灌區泵站節能降耗改造可節約大量渠道用地，擴大可耕種面積，降低灌溉基礎設施數量，增加種植空間，提升農業生產力。運用噴灌、滴灌等先進灌溉手段無須預先對種植地域平整處理，可減輕種植作業負擔，降低農業種植成本，完成機械化與機械化的農業生產目標。

1.3 推動農業可持續發展

引入節能降耗方案后可避免兩端滲漏或大水漫灌等導致的土地沼澤化與次生鹽堿化，還可有效減少地下水資源的過度開采，有效保護生態環境，實現農業可持續發展。

2 案例分析

某高揚程提水工程位于中國西北地區，是規模龐大、跨越多個省域的大型提灌工程。項目設計水量輸出量為10.6 m3/s，建設13座大型泵站分布在各地，總揚程達470 m。自20世紀建設投入使用后，極大提升了當地農業生產水平與環境質量。然而，隨著長期運行帶來的壓力和損耗，諸如高揚程提水泵站設備磨損、老化以及遭受腐蝕等問題逐漸凸顯出來，這也為本就具有較高安全隱患的高揚程提水泵站增加了潛在的風險。該工程運行中，發現存在以下幾個問題。

2.1??水泵規定揚程較實際應用過高

此灌區中多數泵站建于20世紀，受制于客觀環境與科學技術能力，水泵型號與種類不完整導致水泵設備選擇與實際不匹配。為提升灌溉效率選擇最高揚程水泵，實際能耗高于實際灌溉需求，例如：水泵型號是HS900-800-115，額定揚程達80.4 m，但在實際運行期間其揚程為60～70 m，離額定揚程相距甚遠。水泵功率與成本直接關聯，而較大功率的水泵拉升了系統運行成本。

2.2??配套設施不完善

水泵建設初期，資金和科學技術有限，面對灌溉需求，工程人員對水泵主設備的配套設施并非最為科學與合理，更多時候是出于暫時性的湊合布置。工程設計過程中，存在動力機械與實際運營情境匹配偏差、設定備用系數時過度保守，以至于盡管部分動力機器功率大幅度攀升所消耗的能量遠超出灌區實際需求，造成了過多的能源消耗情況[1]。因此，動力機械的能源消耗始終無法達到高效性能，導致農業水利工程高揚程泵站能耗緊迫的問題。

2.3??管路運行效率低

既往的高揚程提水工程需要布設大量管道，但由于材料與設計理念相對落后，加之長時間使用，導致如今運行效率偏低，在本工程中，泵站壓力管道鑄鐵管直徑為80 mm，長時間的使用，導致部分鋼管管壁厚度較減少了一半以上，加之管道包含大量彎頭，出現了多處管道破裂的問題。在供應充足水分的強大壓力之下，高揚程提水泵站的運行能耗始終居高不下，整體消耗能源狀況堪憂。

2.4??泥沙雜質導致的設備腐蝕

在西北地區，水中常含有泥沙等雜物，當水質呈堿性時，泥沙總存在有機物及黏性物質，形成較小固體顆粒，進入設備與管道中首先影響設備的運行效率。同時泥沙會腐蝕水泵密封性，導致密封面受到沖擊，形成坑槽，坑槽的存在增加了水泵能耗及運行維修成本。

3 高揚程提水泵站節能降耗設計

3.1 選配合理的水泵設備

應重點關注水質及環境外部因素，嚴格按照設計規范參數來挑選水泵設備，在優化設計方案中，選用具有良好抗腐蝕性、耐磨性能及堅固耐用特性的設備。確保各設備間協同性，嚴謹定期檢查與維護措施。對于過往不合理水泵，應及時更換以提高泵送效率；針對使用期限較常出現損害的設備及時更換，減少資源浪費。

水泵設備優化設計包括以下幾點。

（1）重視和推進堤防泵站內水泵性能優化及改良措施，方案以面對葉片流道斷面突兀問題以及二次回流現象為主軸，專攻水泵的葉片設計、導葉匹配、進水室構造、出水室分布等關鍵環節進行深度優化，從而達到精準削減水力損失的效果。（2）在選擇實際配套設備時，參照水泵性能曲線及其相互適應的管道系統曲線，精確計算如農田水利灌溉期的平均揚程和灌區灌溉期間的最大揚程功率參數等各項指數，確保每次啟動和運行水泵時處在最大揚程運轉范圍，規避不必要電力浪費，使農作物灌溉過程更為穩定、牢靠且無能源消耗波動現象出現[2]。對于無法滿足作物灌溉需求的水泵，應優先將工作重心調整到位，調整水泵性能曲線來實現灌溉運用中的節約能源與降低能耗的目標。（3）建立健全水泵日常維護和管理規章制度，保障設備維護與保養。應提升對葉輪、軸承維修的重視程度，并明確要求維修人員必須嚴格按照規程進行詳細記錄，如此方能真正做到預防性維護，延長設備壽命，保障生產安全。

3.2 優化動力機效率

在機組配套優化方面，首先核算出合適的配套功率備用系數，考慮到電動機在負載較低的狀態下其運行效率相對較低，電動機的運轉功率亦隨之減小，進而可能引發輸電線路和變壓器損耗的增加。因此，需防范大功率設備帶動小流量機組這種情況的出現。同時，配套功率的配置系數也應適當，不宜過小，以免造成電動機運行負荷過高，影響其正常使用壽命。根據長期經驗，電動機的運行效率通常需保持在1.0～1.7之間，基于節能降損的考慮，當效率系數達到0.8時效果最佳，因此可將電動機運行效率調優至約0.8的數值[3]。

其次，對于電動機轉速的優化，在確保電動機傳動效能不變的前提下，充分利用電流分配等手段，將原有的“△”接法更改為更為高效節能的“Y”接法。同時，輔以科學合理的日常維護及檢修措施，有助于有效提升電動機的自然功率因數，從而減輕高揚程提水泵站的運行能耗負擔。

3.3 優化管路設計

3.3.1針對泵站運行狀況，全面優化管道設計

管道設計對泵站的正常工作影響較大，因此，要重視管道設計環節，找到最為恰當且經濟實惠的管道直徑。衡量影響管道選擇因素，選取出最為適宜的管徑，在嚴格控制總成本的基礎上，確保泵站的長久耐用和優質穩定的運行品質，通過嚴謹的科學研究與深入的理性分析，為泵站量身打造出最具優勢的管道直徑設計方案。

3.3.2選擇性價比較高的新型材料管道

管道的材料材質對防止氧化生銹、降低成本投資至關重要，因此，應盡量選擇具備優異性能的材料。例如：玻璃夾砂管不僅擁有鋼管所具備的卓越性能，更具備了強大的抗腐蝕能力，它能滿足設計方面諸多需求，同時還能有效控制成本投入，提升工程項目綜合效益水平[4]。同時，應根據總體提水工程，做好數字化信息與處理，得到基本線路圖，按照實際運行要求，減少管道總長度與轉彎，移除非必要管路附件，最大程度降低能源損耗，提升泵站運行效能及效率。

3.4 沉淀池設計

首先，設計前對泵站周圍環境進行勘測。譬如，詳細評估灌溉范圍內是否存在大規模的泥沙堆積情況，避免水泵在運轉過程中的能源消耗急劇上升。因此，泥沙堆積量的控制無疑是實現節能降耗的重要手段之一，考慮采用沉淀技術來過濾泥沙，通過在水泵站工程中引入黃河水流過，在過濾后妥善處理這些泥沙，從而更好地保護當地的生態環境[5]。

其次，在設計沉積池時，以進水口為基準，調整沉淀池與其距離，在前池與沉淀池間設置隔離。另外，前池高度應當低于沉淀池，以便過濾后的水源能夠迅速送入泵站，確保運行穩定性。對進水口和沉淀池出水口距離進行調整，安裝多臺大流量水泵，以降低設備的能量損耗。

3.5 水泵系統啟停管理

合理的啟停管理可減少無效運行時間，提高設備能效與經濟效益。在對啟停時間進行調節與配置過程中，結合生產需求、作業環境等因素，把握啟動與停止時間點。例如：可以在人流互動頻繁，業務繁忙的集中時間段，采用全天候運行模式以提升設備的使用率；反之，在人流量較少，工作量匱乏的平淡時間段，則可改為分段式運行模式，降低能耗成本。另外，在個別項目中安排設備的啟動與終止時期時，考慮設備的維修養護需求以及安全性能方面的問題，避免由于過度強調裝備維護而導致生產工作受到不良影響。

3.6?定期開展能源評估

運行過程中，應定期進行能源評估，系統、定量、可持續地調整節能措施。能源評估過程中，考慮借助現代農業數字化技術，建立高揚程提水工程數字化管理系統，進行數據收集與分析、能耗分析預評估、節能方案決策化等工作。在數據收集與分析中，詳細統計并分析歷史能源數據、設備運行數據以及生產數據，了解能源消耗狀態，了解影響能源消耗的主要因素，對效果不理想的節能環節進行優化調整。

4 結語

簡言之，高揚程提水水泵是地區水利灌溉的重要保障，但研究發現，由于水泵建設年代久遠，投入使用長，無法達到當前現代化農業節能降耗的要求。因此，基于節能降耗視角，應采取加強技術優化、加大治理管理力度等措施實現高揚程提水泵站的節能降耗目標，以解決提水泵長期運行出現的設備磨損、老化、不配套等所引起的高能耗問題，在延長水泵設備使用壽命的同時，降低能耗，實現農業可持續發展。

參考文獻

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