含沙水流变化对泵站机组经济运行的影响分析

解雄越

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

随着经济社会的发展，能源紧缺的矛盾日益凸显，能源紧缺问题成为制约我国经济发展的主要问题之一。目前节约能源，高效利用已有资源已逐渐成为人们的共识。据调查，我国泵类电机的用电量约占电机总用电量的21%[1]，因此泵站运行方式已成为泵站运行重要的技术指标。山西省地处黄河中游，是引黄工程重点建设的省份之一。为保障山西省转型跨越目标的实现，“十二五”期间山西省从黄河干流取水量，由2010年的7.6亿m3，增加到了2015年的24亿m3[2]，因此建设长距离高扬程大流量的引黄泵站已经是不争的现实。

然而黄河水泥沙含量高、硬度大，对于泵站的运行效率、输水能耗等方面都产生较大的影响[3]。由于泥沙的存在导致引黄泵站水泵磨蚀严重，水泵寿命偏低的问题严峻，在多数引黄泵站的运行中，往往忽视了水中泥沙对泵站运行的影响。而且对于含沙水流条件下的水泵能耗问题也不甚关注。本文以山西省运城市夹马口引黄灌溉泵站为例，通过对清水和含沙两种不同水流条件下泵站单方水耗电量的计算，分析含沙量对水泵机组单方水耗电量的影响。进而提出夹马口泵站经济运行措施，以期对夹马口泵站的日常运行提供技术指导，并对类似泥沙泵站的经济运行提供技术支持。

1 工程概况

1.1 工程简介

夹马口引黄工程位于黄河小北干流东岸夹马口村，地处黄河中游，该工程于1958年动工兴建，1960年上水受益，是我国黄河上第一座大型高扬程（70 m）电力提黄工程。夹马口引黄泵站的设计扬程为70 m，经过多次更新后，现装机3种型号水泵共12台，最大提水能力达到30.5 m3/s，配套动力达30 880 kW。夹马口泵站流量大扬程高，前池含沙量大且沙粒硬度高，在国内同等规模的供水工程中具有一定的代表性。

1.2 水泵的基本参数

夹马口引黄泵站共有3种型号水泵12台，本文研究的800S-76型号水泵共7台，其额定流量为2.5m3/s，扬程为75 m。对应的电机型号为Y2240-8型电机，其额定效率为2 240 kW，效率为96.3%。800S-76型号水泵参数如表1所示。

表1 800S-76型泵的特性曲线

2 数学公式的引入

对于供水工程来说，用电量和输水量是两大经济指标[4]。而单方水耗电量则是将用电量和输水量综合考量得出的数据，是反映供水工程耗能情况的重要指标。因此对于水泵单方水耗电量的计算显得尤为重要。根据水泵运行时稳态的计算，可以计算出水泵运行的工作点，再结合水泵运行时的能量公式，便可求出水泵在工作时的单方水耗电量的理论公式。

水泵的有效功率公式为：

式中，Q（m3/s）为流量，H（m）为扬程。

水泵的轴功率为：

式中，η泵为水泵的效率。

当水泵按照一定转速运行时，水泵机组的功率为：

式中，η电机为电动机的效率。

所以，根据单方水耗电量的定义，即机组运行1 h，输送一方水的耗电量公式为：

根据以上推导的水泵单方水耗电量的数学模型，只需在求水泵型在稳态条件的流量Q，扬程H，效率η泵，以及对应电动机的效率η电机，便可求出水泵在清水条件下的单方水耗电量F。由于夹马口引黄泵站水泵台数较多，所以本文仅选取4#（800S-76型）水泵进行计算分析。

3 单方水耗电量分析及经济运行方式

3.1 单方水耗电量的求解

由（4）式可知，只需已知水泵的效率η泵，扬程H，电机的效率η电机等参数，就可以计算出清水条件下水泵机组运行时的单方水耗电量F。本文假定电机效率η电机不变，故电机效率可直接带入电机厂家提供的数据。水泵在清水中的效率η泵，扬程H，都可以通过稳态计算求得。所以很容易计算出清水条件下4#水泵的单方水耗电量F。

而4#水泵在某一含沙率条件下的单方水耗电量F’，则可根据夹马口引黄灌溉泵站提供的水泵运行数据算出。相应的也可计算出不同含沙量条件下的水泵单方水耗电量F’，分析出不同含沙量条件，对水泵机组单方水耗电量的影响。以上所涉及到的泵站运行数据和含沙量数据，均取自夹马口引黄灌溉泵站2015年所测数据。

综上所述，通过计算可分别得出清水条件下和含沙水流条件下的机组单方水耗电量，进而计算出抽取含沙水流时水泵机组的单方水耗电量变化率。现以地形扬程为64 m为例进行计算，计算结果如表2所示。

如表2所示，在清水条件下，水泵的单机流量最大，需要扬程最低，效率最高，单方水耗电量最低。随着含沙量的增大，导致水泵提水时能量损失增大，水泵的需要扬程升高。水泵效率也会随之下降，经计算得出水泵的效率最低下降到61.45%。由（4）式知水泵的单方水耗电量和扬程H和水泵效率η泵有关。随着泥沙含量的增加水泵的扬程增大，效率下降，所以水泵的单方水耗电量会随着泥沙含量的增大而增大。这意味着在一定含沙量范围内，含沙量越大，在抽取相同流量的水时，水泵机组的耗能越大，泵站的运行成本相应的就会增多。

3.2 泵站的经济运行方案

由表2中的含沙量和ΔF变化量数据可以绘制出含沙量与水泵效率η泵和ΔF变化量关系曲线，分别如图1、图2所示。

表2 含沙水流条件下水泵机组单方水耗电量计算结果

图1 含沙量与水泵效率关系曲线

图2 含沙量与ΔF变化量的关系曲线

由图1含沙量与水泵扬程和效率的关系曲线可知，随着含沙量升高，水泵的效率下降。在含沙量为4～4.5 kg/m3时，水泵效率下降最快，这是由于一定含沙量范围内，含沙量越高，泵站的能量损失越大，水泵的磨蚀越严重，导致水泵的效率急剧下降。水泵脱离高效区运行，严重影响到了泵站的经济运行。从水泵工作效率的角度考虑，此时不建议运行该机组。

由图2含沙量与ΔF变化量的关系曲线可知，在含沙量为4～4.5 kg/m3时，图上曲线斜率最大，这表明水泵的单方水耗电量变化率ΔF上升的最快，单方水耗电量急剧增大，此时水泵机组的效率也偏低。在此含沙量范围内，水泵耗电量增大，成本增加，所以从经济运行的角度考虑，不建议此时运行该机组。

含沙水流条件下，泥沙不仅对水泵工作参数产生影响，导致水泵效率降低，单方水耗电量增加，还降低了水泵的寿命。泥沙对水泵过流部件，尤其是水泵叶轮的磨蚀尤为严重。夹马口一级站，由于大量泥沙抽入泵体，造成水泵严重磨损和汽蚀，在汛期水泵连续运行200 h，叶片边缘出现很多汽蚀孔洞，叶片磨短50～100 mm[5]。含沙量越大，水泵的磨蚀越严重，水泵寿命越低。频繁检修造成的检修费用过高，不利于泵站的经济运行。所以，从水泵磨蚀的角度分析，在含沙量为4～4.5 kg/m3时亦不建议运行机组。

4 结论

1）在一定含沙量范围内，水泵的效率随着含沙量的增大而降低，水泵的单方水耗电量随着含沙量的增大而增大。

2）通过计算分析得出，含沙量在4～4.5 kg/m3时，4#机组的单方水耗电量急剧增大，效率偏低，水泵磨蚀严重，所以此条件下不建议运行该机组。

3）在含沙水流条件下，可通过将水泵的过流部件喷镀抗磨蚀材料的方式，以降低水泵的磨蚀。