浙江省农村小型泵站节能增效技术研究

赵晓波,郑世宗,王丰平,李小梅

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 浙江农村泵站现状及节能潜力分析

1.1 全省农村泵站现状

浙江杭嘉湖、萧绍甬、温黄平原地区,地势低洼,河网密布,区内农田灌溉排水主要依靠泵站,以小(2)型泵站为主,水泵以混流泵居多。至2006年底,全省现有小型泵站5.6万多台机组,装机容量约为88万kW[1]。大多数泵站都建于20世纪六七十年代,至今已运行了50多年,大部分泵站都不同程度地存在设计标准偏低、设备配套不合理、老化等问题,效率低下,事故频发,农业排灌成本高,浪费电能,加重农民负担。2010年,对全省8座小型泵站进行测试,其平均装置效率仅为30.48%,能源单耗为10.06(kW·h)/(kt·m),明显偏大,效率偏低。8个泵站测试情况见表1。

1.2 泵站节能潜力分析

表1中8个泵站中效率最高的为46.6%,最低的为10.5%,平均为30.48%;能源单耗最高为21.63(kW·h)/(kt·m),最低为 4.51(kW·h)/(kt·m),平均为10.06(kW·h)/(kt·m)。由此可见,只要进行改造,全省小型泵站平均效率提高到45%,能源单耗降低到6.00(kW·h)/(kt·m)是可行的。初步估算,2010年全省小型泵站用电26 400万kW·h。如果全省小型泵站能源单耗提高3.46(kW·h)/(kt·m),平均效率提高15%,则全省小型泵站节电9 080万kW·h,节能率为34.4%,效益明显。

表1 8个泵站装置效率及能源单耗情况表

2 泵站节能增效环节分析

小型泵站的结构一般包括水泵、电动机、进出水管道以及水池、泵房,其装置效率是电动机、传动装置、水泵、管道、进出水池的综合效率,可用以下公式表示:

η装= η动×η传×η泵×η流道×η池

式中:η装为泵站装置效率,%;η动为电动机效率,%;η传为传动装置效率,%;η泵为水泵效率,%;η流道为流道(管道)效率,%;η池为进出水池效率,%。

由上述公式可以看出,泵站装置效率与电动机、水泵、传动装置、流道、进出水池的效率成正相关关系,各部分效率达到最优时,泵站装置效率最高。此外,泵站装置效率与泵站规模成一定的相关关系。

2.1 电动机效率

小型泵站电动机一般采用异步电动机,按电动机的结构可分为鼠笼型异步电动机和绕线式异步电动机。一般情况下,小型水泵静阻力矩较小,机械对起动、调速、制动无特殊要求,选用鼠笼型异步电动机,其经济指标好,控制设备和无功补偿价格便宜。

电动机的效率与电机的型号、负载、电源电压等有密切关系。早期的异步电动机有J2、JO2系列及其相应水平的派生电机,这类电机采用E级绝缘,体积较大,起动性能较差,效率低;近期的Y系列电动机,安装尺寸和功率等级符合IEC标准,采用B级绝缘,具有高效、节能、起动转矩高、噪声小、可靠性高、寿命长等优点。小型水泵的配套电动机宜采用Y系列电动机。

电动机的效率与负荷率b有关。一般情况下,异步电动机的效率在b＞0.6时,就可以达到额定功率时的铭牌效率。在b=0.75～1时效率达到最大值[2],一般 b为0.85左右[3]。反之,电动机选择不当,富裕量过大,就容易导致电动机的实际工作负荷远低于额定负荷,运行效率低。另外,电动机的三相电压不对称,电压长期过低,容易增大电机运行中的损耗,造成效率低。目前,随着全省农村电网的改造,电压不对称、电压过低状况有所改善。

根据调查,浙江省小型泵站电动机主要以Y系列电动机为主,但由于建站时间跨度大,20世纪80年代前建设的泵站目前部分仍然在使用J2、JO2系列及其相应水平的派生电机,估算这类电机功率约占总装机容量的5%左右。另外,Y系列电动机中,也有使用早期Y系列电动机,这类电机经过l～2次大修,性能变差效率降低,本应该淘汰,但仍在使用,估计这类电机占总装机容量的40%左右。另外,还有30%左右的电机与水泵不配套,属于高配低耗,电动机的输出功率未达到其额定功率的60%。由此可见,电机老化、电机与水泵不配套是影响全省小型泵站电动机效率发挥的2个主要因素。

2.2 传动装置效率

小型泵站电机与水泵传动,可以采用直接传动或皮带传动,直接传动效率为 100%,皮带传动效率为 90%～95%。根据调查,由于安装简便,浙江省大多数小型泵站采用三角皮带传动。

2.3 水泵效率

水泵效率为泵的有效功率与输入轴功率的比值。在输入轴功率一定的情况下,水泵效率高低取决于水泵的有效功率。提高水泵的有效效率的关键是减少水力损失,包括减少水泵的摩擦损失、局部损失和冲击损失,具体表现在水泵的工作点是否处于水泵的高效区。在设计扬程工况和平均扬程工况时,水泵工作区域应处于高效区,但由于设计、施工、管理及其它方面的原因,水泵高效率区域不是很宽,水泵往往在设计工况点以下工作,使水泵处在低效区运行。从实际经验看,选型配套不当是造成水泵效率低下的主要原因。8个泵站实际运行情况见表2。从表2可知,实际运行情况与水泵的设计工况相差较大,水泵在低效区运行。

表2 8个泵站实际运行情况表

水泵的效率与型号有关,现状不少小型泵站由于建站较早,选用的水泵型号老,水力模型陈旧,性能指标低下,加上运行时间长,缺少维护和更换,水泵老化严重,效率低下。本次测试8个泵站中就有3个属于机组严重老化的泵站,估计全省至少有30%的泵站属于此种类型。

2.4 流道效率

泵站的进出管道俗称流道,水力损失主要取决于流道效率的高低。其损失包括管道的沿程损失和局部损失。局部损失与局部损失系数成正比;沿程损失与管长成正比,与管道糙率的平方成正比。管道糙率与材料有关,因此,水力损失主要取决于管径和流道布置。管径越小、阀门越多、弯管越多、管路越长,损失越大;反之,越小。理论上,减小水力损失,进出水管尽量采用大管径,减少不必要的阀门和弯管,但管径的扩大会增加工程投资。实践中,多数小型泵站为了降低工程造价、安装方便,进出水管管径与水泵进出口径选择相一致,尽量缩短管道长度,减少阀门、弯管数量,因此,提高流道效率潜力有限。

2.5 进出水池效率

进出水池的淤积和壅堵增加了局部水力损失,对泵站装置效率有较大影响。有资料表明,进口有杂物,影响装置效率5%～10%;前池淤积影响装置效率5%～8%[4];而且,容易导致水量不足,流态不顺,造成空气进入水泵,产生气蚀、水锤现象,不仅降低装置效率,还缩短机械使用寿命,危害较大。

水泵出流形式对装置效率也有一定影响。小型泵站出流形式一般有淹没式出流和自由式出流。淹没式出流比自由式出流损耗小,但自由式出流施工、安装方便,不需要额外增加拍门,停泵时可防止池水倒灌。因此,浙江省小型泵站采用自由式出流比较多。自由式出流时,出流高度高于出水池高度,造成了水泵扬程的浪费。根据调查,按照全省平均流量、平均扬程估算,淹没式出流比自由式出流节能12%左右,但淹没式出流与自由式出流投资相差不大。因此,应尽量避免采用自由式出流,特别是高射炮式出流。

全省小型泵站现状进出水池主要是杂物多特别是进水池垃圾、水草等,高射炮式出流多,对泵站装置效率影响较大。测试的8个泵站中有7个泵站的前池及拦污栅堆积着大量垃圾和水草,泵站进水池水位与前池水位相差较大,来水明显不足,机组振动较厉害。

2.6 泵站规模与效率

一般而言,泵站装机容量越大,泵站的装置效率相对越高。据调查,全省小(1)型泵站平均装置效率明显高于小(2)型泵站的5%以上。浙江省单个小型泵站控制规模一般在20 hm2(300亩)以下,甚至几公顷也有。泵站太分散,单位面积平均装机容量0.67 kW/hm2左右,明显偏大,不利于泵站节能增效,造成投资浪费。

3 泵站节能增效的技术措施

根据以上情况分析,浙江省小型泵站主要存在机组老化、配套不合理、进出水池杂物多、高射炮式出水多、单位面积装机容量偏大等问题。针对上述问题,小型泵站节能增效可以采取如下几个方面措施。

3.1 选择合适的机组及传动装置

(1)淘汰型号老、性能低的电动机和水泵。泵站设计或改造时,尽量选用技术成熟、效率高的产品。从目前市场上看,电动机选用Y系列 (IP44)为主,水泵尽量选择可调节叶片或抽芯式水泵。

(2)电动机与水泵合理配套、选型。根据泵站的设计扬程、流量等,合理选择电动机和水泵,一方面,保证电动机和水泵配套合理,避免大马拉小车、小马拉大车现象;另一方面,保证水泵常水位运行工作点位于水泵高效区。电动机的负荷率 b＞0.65,则不需进行改造;若b＜0.45,则需进行改造[3]。改造措施根据具体情况而定,可采取更换电动机或改变电动机的运行方式等;水泵运行点不在高效率区,可采取更换水泵或叶轮、调节叶片角度等措施。

(3)尽量采用直接传动方式,减少传动损失。

3.2 加强机组日常维修保养

在非运行期,加强对电动机、水泵以及其它附属设备的日常维修保养,更换易损件,防止机组漏水漏电。

3.3 优化流道设计和改造,改善进、出水流态

(1)对新泵站,注意优化流道设计,包括优化进、出水池设计参数,尽量减少弯管,缩短管道,采用经济管径,保证水流平稳,衔接顺畅。

(2)对老泵站,对泵站不合理的结构进行改造,包括进出水池和管道改造,改善进、出水流态,减少损失,一般以进水池不产生漩涡和回流为宜。对高射炮式出水泵站应进行改造,换成淹没式出流。即使是自由式出水,也应控制出水管管口底高程不超过出水池常水位5 cm。

3.4 保持进出水池清洁,保证来水量

泵站开机前,清理泵站进出水池和拦污栅的杂草、垃圾,清除淤泥。对一些杂草、垃圾来量大而频繁的泵站,应在前池较远处增设拦污栅,保证前池的进水量。

3.5 撤小扩大,优化泵站布局,提高效率

根据经验,一般单位面积平均装机容量控制在0.41 kW/hm2左右比较合适,因此,老化泵站可以拆掉、合并;新建的泵站适度增大装机容量,扩大控制面积。

4 结 语

小型泵站节能增效潜力大,效益明显,对其进行改造是非常必要的。应从实际出发,根据泵站效率的各个构成环节,通过分析测试找出主要因素,从机组选型、配套、传动方式、流道、进出水池、装机规模等方面提出有针对性的改造措施,以达到泵站节能增效的目的,降低运行费用。

[1]王丰平,仇涛.浙江省中小型灌溉排水泵站现状调查报告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2010.

[2]赵玉强.泵站装置效率的分析评价 [J].安徽水利科技,2003(6):10-12.

[3]吴凡.浅议农村电力排灌站的节能措施 [J].机械排灌,1999,19(3):31-32.

[4]张文渊.提高中、小型混流泵装置效率的探讨[J].江苏水利,1998(6):28-29.