灌区小型泵站的节能方法探析

柳玲玲

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 景泰 730400）

景电一期工程于1969年开工，1974年竣工，提水流量为10.6 m3/s，流量加大后为12 m3/s，而年提水量为1.48 亿m3。提水高度最大值可达到445 m，一共建设11 座泵站（其中不含总二支上的两级泵站），干渠整体长度为31.8 km（明渠整体长度为30.1 km），其装机容量达到6.87 万kW。一期工程有总一至总六泵，总六泵后接西一泵至西五泵，供11级提水。西干片区灌溉面积11 266.67 hm2，利用总干渠大型泵站将水提至六泵后，再通过小泵站分流进行灌溉，既能降低能源单耗，又能提高水资源利用效率，满足当地农业生产灌溉的需求。在现代化科技不断发展的情况下，我国农业灌溉事业快速发展，小型泵站建设水平越来越高，为了缓解当前水资源短缺的局势，要采取科学方法，对灌区小型泵站进行优化改造，提高泵站运行效率，降低灌溉过程中的水资源消耗，提高水资源利用效率，促进农业可持续发展[1]。

1 影响灌区小型泵站运行效率的因素

1.1 泵站布局不合理

泵站设计缺乏科学性，导致泵站建设布局不合理，不仅影响水资源利用率，而且加大了泵站运行能耗。

1.2 配套设施不完备

泵站配套设施不科学，泵站的配套设施在性能、产品质量、配套合理性等方面和实际需求严重不符，加大了泵站运行荷载和能源消耗。

1.3 水泵动力不足

机电设备动力不足，水泵叶轮加大后，启动机组时声音大。

1.4 水泵安装不规范

水泵在设计、安装时没有按照操作标准进行，水泵安装不稳定，运行中震动较严重。

1.5 泵站管理不到位

小型泵站缺乏科学合理的日常运维管理，没有及时清理进出水池的杂物、拦污栅的污物；对泵站中的电机、水泵等设备没有及时检修保养，对磨损严重、老化破损的零部件没有及时维修和更换，影响水泵运行。

2 小型泵站能耗分析

2.1 输变电系统能耗

在输电线路方面，其能耗会受到导线材料与规格、负荷大小、电网功率大小、输电线路长短、运行时间的影响。而在变压器方面，变压器在电网系统中能耗占比达到60%～70%，灌区泵站变压器是非常重要的能耗设备。当变压器负载率降低时，其运行效率也会降低。

2.2 电动机和传动装置能耗

2.2.1 电动机能耗 主要有铁损耗、铜损耗和机械损耗3 种类型。铁损耗主要是指交变磁通基于定子铁心引发出涡流损耗、磁滞损耗。其中铜损耗有3类，分别是杂散损耗、转子铜损、定子铜损，如果定子线圈存在较大电流密度，那么铜损值会增加。电流集肤效应或者是高次谐波都将引起杂散损耗。机械损耗是由风阻和轴承引起的。

2.2.2 传动装置能耗 当水泵与电动机有着基本相同额定转速（不超过2%），并且都是卧式机组或者是立式机组时，可采用直连传动，水泵运行效率将会提升，但是这种方式无法改变水泵转速，因此一般是在扬程不会产生太大变化的泵站中应用。当电动机与水泵转速、转向不同时，水泵轴、电动轴部如果处于相同直线上，可运用间接传动方式。小型泵站通过皮带传动方式运转，这一方式弹性较好，能有效吸收振动及冲击振动，使得水泵运转更加平稳，并且能够降低噪音，过载时能够保护其他零件不受损坏。其缺陷是无法保证传动比的稳定性，相较于直接传动，传动效率较低。平皮带具有较小传动比，传动效率通常为90%～93%，一般会应用在功率比40 kW 的小型泵站中。三角皮带的梯形断面传动比较大，效率能够达到95%。

2.3 泵装置能耗

2.3.1 水泵能耗 通常水泵能耗分为有机械、水力和容积3 方面的损失。机械损失主要是轴封与轴承在摩擦中形成的摩擦损失，或者是叶轮在旋转过程中，其盖板外侧、外缘与介质产生摩擦，从而形成圆盘损失；水力损失指的是泵内液体流动时形成的水力损失；容积损失指的是泵内流体循环消耗，消耗大小受到泵流量大小和比转数高低的影响。

2.3.2 管路以及附件的能量损耗 局部水头以及沿程水头损失是泵装置比较重要的能量损耗。局部水头损失主要是指流体通过三通、弯头、阀门、缩节等时因管路改变而出现的能耗。通过实验可知，沿程水头损失与流程长度呈正比关系，和管径呈反比关系。

2.4 前池能耗

根据水流方向，可将进水前池分为正向和侧向。扩散角是对正向进水池流态造成影响的主要因素，通常扩散角为20°～40°。如果正向进水前池长度短，扩散角大，那么将会增加水头损失，前池将会出现漩涡情况，影响进水池流态。侧向进水池是水流由引渠通过90°转弯后进入进水池，池中水流会受到离心力的影响，回流区比较大，水流紊乱，在进水池中很容易出现环流及旋涡，进水管道入口流速不均衡，机组性能会受到严重影响。

2.5 进水池与出水池能耗

进水池存在附壁漩涡和表面漩涡，会降低水泵效率，同时形成周期性的噪音与振动，会严重影响水泵性能和使用寿命。除此之外，水泵叶轮如果和回流旋转方向是相反的，水泵扬程、功率都会增加，水泵效率会随之降低；叶轮如果和回流方向是相同的，水泵功率、扬程及效率都会降低。由于水流方向不同，能够形成正向出水与侧向出水，一般正向出水的能耗小，水流平顺；而侧向出水会形成较高水位，水头损失较大。

3 灌区小型泵站节能方法

3.1 加强电机改造，提升运行效率

3.1.1 保障机泵配套合理性 要合理设定机泵配套功率的备用系数，系数过大，容易降低电动机效率，增大变压器以及输电线路的能源损耗；系数过小，容易加大动力机运行负担，影响其使用寿命。经过研究，电动机负荷率要保持在0.7 以上，如果小于这一数值，则需要改进，可以通过调整其转动速度来提升其运行效率[2]。

3.1.2 合理选择变压器型号 要保障变压器容量的合理性，既要确保其满足负载率，也要考虑经济因素。在非灌溉季节可以停止运行主变压器，使用功率较小的变压器，减少电能消耗。可以设置并联电容器，减少能源消耗。拉近变压器和电动机组的距离，减少输电线路的能源消耗。

3.1.3 加强对电机的维修和管理 日常运行中要规范操作，避免因操作不当而损坏电机设备。要强化对柴油机的机务管理工作，进行日常检修和保养，降低机械构件之间的摩擦造成的设备损失，定期涂抹润滑油，合理调整零件间隙。合理控制冷却水水温，提升柴油机燃油效率。

3.2 优化水泵设计，提升运行效率

3.2.1 选择合适的水泵型号 水泵型号质量指标主要有扬程、功率、转速等。要结合水泵性能曲线和管路曲线的特点，对水泵不同工作点的扬程参数进行分析，确保水泵能够稳定运行。如果在对水泵型号、质量进行核检时发现指标不符，要对其及时进行调整，保障设备配套、参数的合理性[3]。

3.2.2 优化水泵性能 一旦水泵性能参数和实际需求不相符，水泵低效率降低，设备使用寿命受到影响，能耗增大。因此，要使水泵性能符合实际需求。不同的水泵型号采取的调节方法不同，离心泵、小型混流泵利用改变转速、调节水流等方式进行调节，轴流泵可以使用变速、变角进行调整，叶片泵可以利用变速进行调整。

3.2.3 更换零件 如果性能调整方式不能改善水泵的运行效率，可以更换零部件减轻水泵运行负荷。

3.2.4 强化设备保养 要对水泵进行定期保养，减轻零部件之间的磨损。要制定科学合理的水泵维保机制，强化监督管理，日常保养，定期大修，发现老旧、损坏的零件及时更换，尤其是要对叶轮、口环等部件运行状态进行检查。

3.2.5 规范安装 安装水泵时要规范操作，安装不当会导致水泵在运行过程中出现震动、噪声、过热等问题。

3.3 提高管路效率

管路是灌区小型泵站的重要构成，科学设计和管理管路对泵站的运行效率和能耗大小有直接影响。

3.3.1 合理选择管路直径 管径越大，水流运行阻力减少，泵站运行过程中的能源消耗减少，但是前期建设投资较大；管径减小，虽然投资降低，但是运行中水流阻力加大，整体运行过程能消量增大[4]。因此，选择管道型号时要综合考量，从经济、环保、实用的角度出发选择适宜的管材。

3.3.2 合理设置弯头 尽量减少进、出水管的长度，避免大量使用弯头，降低管道内壁的阻力。

3.3.3 合理配置附件 合理使用管路附件，减少底阀的使用，可以把进出口设计为喇叭口，保障闸阀全部打开，科学使用拍门、逆止阀。

3.3.4 日常巡视 要强化对管路的日常巡视，仔细检查管路裂缝、破损等，发现问题及时解决。

3.4 科学规划进出水池

科学设计泵站进出水池的形状、大小，确保满足灌溉需求的同时，有利于提升运行效率，避免出现池内旋涡、回流等现象，影响水泵运行效率[5-6]。此外，要及时清理进出水池内的杂草、积淤等，对拦污栅进行定期清污工作，避免进水池被杂物堵塞，影响水流。

4 结语

随着我国农业的快速发展，农业灌区建设力度越来越大，对小型泵站的需求日渐提升。由于农业灌溉中水资源消耗量比较大，因此，强化对灌区小型泵站节能设计和改造，提升其运行效率、降低能耗，有利于提升灌区小型泵站的节能效果。通过对电机、水泵、管路、进出水池等进行优化改造和创新设计，提升泵站整体运行效率。此外，还要不断提升泵站管理人员的管理水平，做好泵站的日常运维工作。