梯级泵站提水效率评估模型设计与应用探讨

陈雪华

（广州市水务规划勘测设计研究院，广东 广州 510640）

0 引言

高扬程梯级泵站输水系统的泵站级数多且输水距离长，各级提灌泵站在确保完成本区域灌溉用水任务外，还承担着为后续各级泵站所负责区域提供灌溉用水的任务，故任何一级泵站提水量或灌溉区域用水量发生变动都会影响梯级泵站整体的运行效率。此外，泵站级间水位、流量和泵站输水系统区间需水量的频繁变动等因素的影响也增加了梯级泵站提水效率评估的难度[1]。泵站提水效率是衡量梯级泵站实际运行效率的主要因素，也是衡量提灌调水工程实际能耗的重要指标。

目前，随着提水能耗问题关注度的不断提升，对梯级泵站提水效率的研究也逐渐深化，但针对我国当前大多数泵站并未安装实时监测装置或仅有少部分泵站设置了计量装置的实际情况[2]提出全面、科学、合理、适用的泵站提水效率评估方法的相关研究仍属理论空白。本文基于现状，提出未安装水量监测设备的梯级泵站提水效率的评估模型，并以某水利工程为例进行梯级泵站提水效率影响因素分析和效率的评估。

1 模型设计

实际提水量、既定提升高度所需能耗与实际能耗之比等参数作为评估泵站提水效率的依据。获取上述数据最好的方法是在泵站提水口安装水量监控装置，但是建设于上世纪的泵站均未设置实时监控装置和计量装置。为获取相关数据，只能在已有的监控条件下通过数学模型的运用加以估算。

1.1 泵站实际提水量的计算模型

假设各段干渠工程质量及渠道流量相同，则渠段单位长度水量损失也近似相同；相反，若渠道流量不同，则干渠水量损耗与各段干渠长度和所通过水量之积成正比例关系[3]。

主干渠带分支泵站和不带分支泵站计算原理相同，故只需对主干渠不带分支泵站情况下的实际提水量进行计算。设工程提水泵站级数为m，总干渠一级泵站用泵1表示，以此类推，总干渠最后一级泵站用泵m表示，提水泵站结构图见图1。

图1 提水泵站结构图

将干渠上所有的独斗渠都作为支渠处理，则每段干渠水量的损失按下式计算：

式中：Vi损为第i段干渠水量损失量，m3；V1提为一级泵站年提水量，m3；V总为干渠所有支渠年总水量，万m3；Vi为第i个泵站之后全部支渠总出水量，万m3；Li为第i个泵站与第i+1个泵站之间的干渠总长度，m。

在具体的评估过程中，可以将各级泵站提水量近似看作是其后所有支口的总水量加上该泵站之后所有干渠的水量损耗量，根据这一思路，则第i个泵站实际提水量Vi提计算公式为：

1.2 泵站提水效率的评估模型

根据实际提水量与泵站实际能耗的监测值，求出各泵站的实际提水效率，公式如下：式中：ηi为第i级泵站的运行效率，%；Hi为第i级泵站的净扬程，m；Wi为第i级泵站的年耗电量，万kW·h。

2 应用实例

2.1 工程概况

某水利工程属于高扬程梯级泵站，是大(Ⅱ)型提水灌溉工程，总体规划为一期和二期，工程设计流量26.8 m3/s，加大设计流量35 m3/s。一期工程于1969年开工建设，1974年竣工，建成泵站15座，装机容量7.95万kW，总扬程498 m，设计提水流量10.8 m3/s，加大设计流量13 m3/s，干渠总长33.7 km。由于建设时间较早，干渠泵站均未安装单独的计量电表，支渠泵站也是共用几只电表计量，干渠仅部分泵站安装了电磁流量计进行泵站流量的计量。2015年全年度渠道输水情况稳定，故选取2015年作为典型年代表。

2.2 数据的选取

选取的该工程总干渠泵站一至泵站六以及西干渠泵站一，进行总一泵、总二泵、总三泵、总四泵、总五泵、总六泵和西一泵提水效率的计算。总干渠各级泵站的净扬程、年耗电量、总出水量及干渠长度等基础性数据资料统计见表1。

表1 总干渠各级泵站基础性数据资料统计

2.3 提水效率计算

将2015年总干渠各级泵站提水量、支渠水量、支渠出水口水量之和、相邻泵站之间的干渠长等数据代入式（1）便可求得所对应干渠的水量损失。将所求得的水量损失值与其余数据代入式（2）得到各级泵站实际提水量值，将上述实际提水量、泵站耗电量、净扬程等取值代入式（3）求得各级泵站的实际运行效率。将泵站装机情况、提水效率等计算结果汇总分析，具体情况见表2。

表2 各级泵站装机情况和提水效率计算结果

由表2可知，总干渠一泵站的提水效率最高，为69.67%，主要原因在于总干渠一泵站以铭牌流量最大的水泵为主力泵，同时水泵设计扬程和铭牌扬程具有较高的匹配性。总干渠四泵站的提水效率最低，主要因为总干渠四泵站的主力泵铭牌流量相对较小，且水泵设计扬程和铭牌扬程的差值最大。

2.4 结果分析

1）上述结果表明，梯级泵站水泵铭牌扬程与设计扬程的匹配情况是影响泵站提水效率的重要因素[4]，其他条件相同的情况下，水泵的设计扬程与铭牌扬程越接近，泵站提水效率越高。设计扬程与铭牌扬程匹配的情况下，主力水泵铭牌流量越大，泵站提水效率越高。主力泵为大泵的泵站提水效率比主力泵为中泵的泵站提水效率最高高出11%；

2）梯级泵站提水效率受很多因素影响，如水泵叶轮状况、压力管道设计、阀门效率、泵站机组起停状况、电机效率等，但是评估结果显示，凡是铭牌扬程与设计扬程不匹配的泵站，其提水效率必然降低[5]；

3）设计扬程与铭牌扬程之差大于1 m以上的水泵提水效率必然降低，且差值越大，提水效率越低，如总二泵中的中泵以及总四泵中的中泵与小泵等。

2.5 改造思路

进行梯级泵站水泵选择时，尽量选择大泵为主力泵，考虑到渠系水位灵活调节的需要，搭配中泵和小泵各一台，由于本工程总一泵不涉及水位调节问题，故仅设置大流量水泵，无需选用中泵和小泵。对于总四泵，若无法选用与设计扬程匹配的水泵，则应尽可能选择设计扬程与铭牌扬程接近的水泵，防止设计扬程与铭牌扬程之差大于1 m而导致水泵提水效率下降。建议在近期的工程改造中优先进行总四泵中1台中泵和13台小泵的改造，将其一次性改成大泵，其余提水效率较低的泵站暂时并不具备将主力泵改成大泵的条件，需待条件成熟再逐步安排改造。

3 结语

以某水利工程为例进行了电力提灌工程泵站提水效率的评估与研究，对结果进行分析发现，梯级泵站提水效率除受多种常见因素影响外，更多的与梯级泵站铭牌扬程与设计扬程是否匹配、主力泵流量的大小以及泵站运行的电压等级等存在规律性的关联。通过对各级泵站效率的深入分析，针对存在严重不合理因素的泵站给出提水效率提升及节能降耗应遵循的改造思路，以期对该工程运行效率的全面提升起到指导作用。