利用泵站更新改造实现节能经济运行的技术路线

李 赣

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西省水利厅农水处，山西 太原 030002）

2009年国家全面启动大型泵站更新改造工程，如何把握机遇，改造好建设好泵站，实现泵站经济效益和社会效益相统一的可持续发展目标，是我们面临的一个重要课题。下面就如何做好泵站更新改造工作，实现泵站节能运行和经济运行进行探讨。

泵站的节能运行是指单方水耗能最小的泵站运行方案，一般只涉及单座泵站。而经济运行是指单方水消耗费用最少的泵站运行方案，可以在单座泵站实现，在有流量配合的泵站群实现起来意义更大，是泵站运行管理的较高阶段。优化运行是在泵站节能运行和经济运行的基础上，将泵站和灌区统筹考虑的运行方案，不仅要考虑泵站内部及泵站之间的运行方案，更重要的是要考虑灌溉水费带来的效益，是泵站管理单位整体经济效益的体现，是泵站灌区管理的最高阶段。本文对涉及调度、泵站以及灌区配水的优化运行方案暂时不做探讨，只对泵站的节能运行和经济运行的方案和技术路线进行探讨。

泵站工程是一项系统工程，要实现泵站的经济运行，节能运行是基础。首先必须从设计阶段开始就要贯穿节能理念，从方案选择、设备选型等多方面着手，达到泵站设计工况下装置效率最高。其次，必须安装有先进仪器仪表，借助于可以快速运算的计算机综合监控系统，实现实时显示、快速计算，及时判断水泵机组是否处于节能运行范围之内。第三，通过开发利用实用的泵站经济运行管理软件，实现泵站经济运行的目标。

1 泵站更新改造设计中的节能措施

第一，在满足流量的前提下尽量选择大型机组，减少机组数量。对同一类型水泵，口径较大的水泵往往比口径小的效率要高；同样同一系列的电机一般情况下都是随着功率的增加，电机效率和功率因数也随之增大。

第二，尽量采用10kV高压直配的供电方案。20世纪70年代以前建设的泵站由于受当时技术条件的限制，相当数量的泵站是低压供电，高压供电一般是3kV和6kV的电压等级。由于低压供电效率低，加之中间必须设降压变压器增加一级损耗，因此，应尽量选用高压供电，取消6kV和3kV供电，改用10kV直供方案。

第三，增设无功补偿装置。无功补偿可以减少输配电线路中的视在电流，提高输配电效率。电容补偿应尽量靠近负荷侧，有条件的可以采用就地补偿，随着科技的进步，不仅低压无功补偿装置可以自动投切，高压无功补偿装置的自动投切技术也日臻完美。

第四，负吸程安装水泵。负吸程安装是利用工程措施提高水泵装置的抗汽蚀能力的主要措施。负吸程可以省去真空系统，节约辅机用电，简化开机程序，为泵站自动化运行奠定基础。

第五，新建沉沙池，最大限度地减轻水体比重。

2 设备选型要始终贯彻节能理念

2.1 水泵选型

泵站改造中设备选择是重点，水泵改造是关键。

第一，要选择定性的、成熟的、效率相对较高、高效区范围宽、抗汽蚀性能较好的泵型，设计工况点要落在高效区；

第二，针对实际情况开发效率高、抗汽蚀性能好的优秀的新型泵型。实际设计选型中，往往没有合适的泵型可供选择，所以要结合实际，由水泵厂组织技术力量重点开发；

第三，开发新型水泵要综合考虑效率和汽蚀。水泵流量大，效率就较高，但抗汽蚀能力较差，要提高水泵的设计效率通常会带来水泵抗汽蚀能力的下降，反之设计时提高其抗汽蚀能力往往会以牺牲水泵设计效率为代价。

解决这一矛盾的思路是水泵设计时以提高效率作为主要目标，而抗汽蚀能力通过以下措施来实现：选用不锈钢等耐汽蚀材料，提高泵体和过流部件的抗汽蚀能力；采用钢板焊叶轮法；负吸程安装水泵；采用双吸水管的双吸泵，降低进口流速；口环与叶轮的间隙汽蚀可以通过增加镶套的办法来解决。在抗汽蚀为最大的情况下，尽可能大地提高水泵的设计效率。

第四，采用树脂沙、蜡模等光洁度较高的铸造方法，提高水泵内部光洁度，喷涂抗磨蚀涂层，可以同时提高水泵的效率和抗汽蚀能力。

不锈钢叶轮和钢板焊接叶轮都具有很好的抗汽蚀能力，不锈钢叶轮价格较高，而钢板焊接叶轮技术已经非常成熟，具有价格相对较低、耐磨损、耐汽蚀、效率高、表面光滑、流线型好、使用寿命长等特点，钢板焊接叶轮必将成为今后发展的方向。

2.2 电机选型

电机选型一定要选择效率高的系列电机，除了前面提到的要选择大电机以外，功率确定后要选择效率和功率因数均相对较高的型号，但两者出现矛盾时应优先选择效率，功率因数可以通过增加无功补偿装置来解决。

值得注意的是，电机也有其高效区，电机选型一定要将长期的输出功率的工作点落在电机的高效区内，异步电机一般负荷率在0.75以上，均有较高的效率，通过调整配套功率备用系数来选择配套功率，对于黄河流域的泵站功率备用系数应适当取大，可以取到1.1~1.2之间，这样既保证了电机高效运行，又可避免超负荷工作。

2.3 辅助设备选型

离心泵站的辅助设备主要是指闸阀和止回阀，闸阀的选型一定要注意其内部止水工作面处的直径，老的闸阀所谓的通径是指法兰连接面出口的内部直径，而实际阀板止水工作面处的内部直径小于其通径，形成“肠梗阻”，增加了局部损失。因此，止回阀一定要选择阻力系数较小的节能缓闭阀。对于介质泥沙含量较小，对设备磨损不构成威胁的泵站可以采用两阀并一阀的方法，即将闸阀和止回阀合并为液控缓闭蝶阀。

3 提高管道效率

对于管道较长的离心泵站，尽量选取经济流速的下限，甚至小于下限，一般不超过2m/s；减少弯头，尽量减少内水体流速和流向的突变；水泵吸水管弯头在满足后壁距、淹没深度和不产生漩涡的情况下，将弯头增大到120°以上；将泵站管道出口“高射炮”出水改为虹吸出水，可以节约0.5m左右的扬程。

4 泵站运行管理中的节能措施及实现手段

当泵站更新改造设计施工和设备选型中完全体现了节能理念时，真正的节能则主要体现在泵站运行管理中。

4.1 单座独立泵站的节能

单座泵站的节能也就是所谓的站内节能，要实现站内节能，首先必须保证机组状态良好，其次是在满足流量的情况下实现装置效率较高的机组进行组合运行。

技术路线：安装多功能电能表、流量计及扬程测量仪表；实现泵站微机综合自动化监控系统；开发能够实时测量水泵效率、电机效率、管道效率的软件；开发能够根据历史运行数据和给定的总流量选择判断开机组合，为运行人员提供决策支持的管理软件；建立起水泵叶轮口环等易损部件自然寿命运行周期内水泵效率与运行时间的关系曲线。通过长时间的资料积累，将已建立的大量的水泵效率与运行时间的关系曲线进行比较迭加，找出水泵效率明显开始下降的发生概率最大的转折点的运行时间（或平均时间）。此转折点就是泵站节能运行的临界点、报警点和提醒点，低于此点就要进行检修更换。

4.2 有流量配合的泵站群的节能运行

泵站群的节能运行是一个比较复杂的问题，应该从三个层面来考虑，首先要考虑的是站与站之间的流量配合，防止弃水和断流是最大的节能；其次是满足流量要求下的泵站内部的机组运行方案；第三是单台机组的节能。满足流量需求和流量配合是条件，站内机组组合是手段，单台机组的现状效率是基础。

技术路线：首先，泵站群里的每座泵站必须全部具备节能运行的实现条件；其次，必须有必要的调度运行软件。调度软件通过收集各座泵站的实时流量，计算机通过理论分析和历史经验判断来给出各个泵站的最佳开机组合，已需定供实现供水系统中各座泵站之间的水量平衡；第三，通过对关键位置的水位变化趋势来校核泵站流量配合情况，并及时给出提示信息，供调度人员决策。

5 泵站的经济运行

泵站的经济运行需要研究独立泵站的经济运行和有流量配合的多座泵站群的经济运行两个层面的问题。需要研究多座泵站流量配合下的弃水和断流、单方水消耗的电费及单方水消耗的维修费用等三方面的问题。

5.1 经济运行条件

经济运行必须建立在泵站和泵站群能够实现节能运行的基础上，也即必须实现完整的微机综合自动化系统，有完整的测量仪器仪表设备，开发有节能运行软件，能够实现合理调配水量，满足各座泵站的运行要求；

必须建立起水泵叶轮口环等易损部件自然寿命运行周期内水泵效率与运行时间的关系曲线；

通过长时间的资料积累，将已建立的大量的水泵效率与运行时间的关系曲线进行比较迭加，找出水泵效率明显开始下降的发生概率最大的转折点的运行时间（或平均时间）。

5.2 经济运行的关键问题

泵站经济运行的关键问题是确定对装置效率和维修费用同时都有较大影响的易损部件的最佳更换周期，也即叶轮口环等的经济寿命。

设备寿命一般有三个：第一是自然寿命，是指自然磨损失去功能的可使用时间，是指设备的物质寿命,是从设备投产起至报废为止所经历的时间；第二是技术寿命，是指设备从投产起至被新技术淘汰为止所经历的时间，也即由于新技术的产生导致设备落后无法维修或没有维修价值的使用时间；第三是经济寿命，是指在设备使用的后期，花费更多的维修费用可能得不偿失，因而要考虑是否需要更新，这种以经营费用为标准而确定的设备寿命叫经济寿命。经济寿命一般来说就是设备的最佳更新周期。

5.3 经济运行的总目标及技术路线

泵站经济运行的总目标是所有参与运行的泵站平均每提一方水消耗最少的运行费用。正常情况下，维修及时和维修标准高，水泵机组的装置效率就高，提一方水消耗的电费就较低，但是，也会使提一方水消耗的维修费用加大；反之，如果延长检修周期，则提一方水消耗的维修费用就会减少，但提一方水消耗的电费就会升高。泵站经济运行就是要寻找一个很好的结合点，利用计算机监控系统，通过运行软件获取水泵效率与运行时间的关系曲线，在此基础上根据设备经济寿命的静态计算方法建立单方水电费消耗与运行时间关系曲线，以及为恢复设备装置效率而进行的叶轮口环等设备维修更换形成的单方水维修成本与使用时间的关系曲线。两曲线的交点就是叶轮口环等的最佳经济寿命。

6 经济运行和节能运行的关系

泵站节能运行和经济运行都是泵站管理不同阶段追求的目标，两者都必须是在满足流量要求的前提下实施的，无论是灌溉泵站还是排涝泵站，都必须首先保证流量，如果流量不能满足，节能运行和经济运行都没有意义。不同点是：泵站节能运行遵循的原则是流量一定，耗能最小，追求的是泵站效率最高；泵站经济运行遵循的原则是：流量一定，运行费用最小，追求的是消耗最少。

节能运行是经济运行的基础，没有实现节能运行，经济运行就无从谈起，但节能运行下并不一定是经济的，经济运行下也并不一定是最节能的。

经济运行将为下一阶段泵站和灌区配水一体化优化运行奠定基础，同样道理，实现泵站和灌区配水优化运行后，由于引入了水费收入带来的效益，所以泵站经济运行也不一定是最佳方案。