塔城地区给水管网泵站改造降耗工程浅析

侯 波

（塔城地区水利水电勘察设计院，新疆 塔城 834700）

0 引言

在我国西部地区，节水和节能问题是主要关注的问题，为此相关地区实施了不同的政策以确保用水系统的可持续运行。泵站作为水分配系统一部分，其中还包括供水源，存储和分配管道，是整个供水系统运行的主要电能消耗者。抽水成本约占水价的60%～70%，这使得抽水站设备的投资成为供水系统最佳运行和维护方面的主要关注点。与抽水相关的电力成本可能占总运营成本的很大一部分。因此，减少能耗是集中式供水系统的所有运营商都应优先考虑的问题。前人的研究成果大多致力对给水管网泵站操作最优化的阐述和应用，主要取决于向消费者的服务水平、数量、质量以及基础设施的状态[1～2]。

本文重点分析和讨论了一种估算泵站运行中的能源成本的方法，目的是提供一种整改策略，以减少能耗。

1 泵站的主要特点

供水系统中现有的水泵具有一些共同的特点，例如:

（1）在大多数情况下，泵站是并联连接的泵组件。

（2）抽水流量在一天中会有所不同，并且每天都不相同，这取决于不同的因素（当天的工作，节假日等）或受客观因素（水资源不足，消耗过多，技术限制）的限制。

（3）在启动和停止泵施加的最小和最大排出压力范围内，流量发生变化。

（4）泵站及其所服务的网络不再满足供水系统的当前要求。分配和运输网络管道的直径，在设计时由于沉积物沉积和维护过程中的不一致干预而过小。

（5）泵的特性与标准特性大不相同，因此在运行期间，配水网络要求和泵站容量之间可能会出现较大差异[3]。

（6）由于缺乏适当的设备效率，导致较高的单位能耗。

（7）设备和液压机械装置均已物理磨损，无法有效，安全地进行处理（有时阀门处于打开位置或阀门安装不完全等）。

从上述特点可以看出，高耗电量是在泵站运行期间发现的最重要的缺点之一。由于节约能源是水成本的重要组成部分，因此在最近研究中，节约能源变得非常重要。

2 减少泵站能耗的方法

减少泵站能耗的主要解决办法包括:

（1）泵的液压元件整改。通过改装来完成。改造过程是通过改变叶轮的外径（切割外径）来进行的，以确保根据配水系统的要求提供抽水参数[4]。

通过修改叶轮的外径，泵特性曲线变化显著，见图1。

图1 泵特性曲线的变化

（2）修改电机转速。引入变速运行泵，通过调节速度，泵将不断尝试将管网中的压力保持在规定的水平，从而在最佳模式下适应流量。可在不影响泵的使用寿命或可靠性的情况下节省能源（图2）。

图2 点击速度变化影响

（3）减少泵站的内部能量损失。泵站的运行状态大多是通过泵的启闭及作业人员操作泵的排放阀的顺序来实现的，其中电站操作员负责监督三类信息:①站场排水管压力；②泵站水泵进水管压力；③电动驱动电机电流消耗的最大值。

3 对塔城地区泵站的运行分析

为全面贯彻落实自治区21号文件、自治区第八次党代会和自治区水利工作会议精神，落实农田水利设施建设新机制，进一步改善自治区农田水利基础设施条件，加大对小型农田水利建设的支持力度，提高农业综合生产能力，切实发挥自治区财政补助资金的引导和带动效应。2015年自治区继续把农业高效节水建设纳入重点民生水利工程，加以高度重视，按照指南要求，本着支持发展农业高效节水灌溉工程标准化、规范化建设，切实增强农业综合生产能力和农业抗旱减灾综合能力，切实加强项目建设管理，保证尽快完成建设任务并发挥效益。

以塔城市某灌溉区为例，现有的泵站配备了五个并联的125型电动泵。泵的标称参数为:流量Q=180 m3/h，扬程H=85 m。泵由标称功率为75 kW的电动机驱动，转速n=3000 rpm。对于泵的初次启动，泵站内设有两个MIL502型真空泵。真空泵的标称特性为:流量Q=220 m3/h，扬程H=16 m由标称功率为18.5 kW和转速n=3000 rpm的电动机驱动。抽水站严格按照规定运行，抽水站的操作员手动执行泵的启动和停止。

为了在抽水过程中避免发生气蚀，操作者没有完全打开泵的排放阀。空化初期伴随着特定的噪声，这些噪声会提醒泵站的操作人员在空化噪声消失之前，关闭排放阀。这种操作方法，会引入额外的水头损失，能耗较大。

图3 泵站工作水头损失

图3表示用两台泵（其扬程与流量特性曲线H=f（Q）相同）来确定泵站工作水头损失的方法。基于相应的工作点参数（Qans和Hans），泵站所需的有效功率计算公式:

式中:Pu为有效功率，W；ρ为水的密度，kg/m3；Qans为泵站的流量，m3/s；Hans为泵站的扬程，m。

泵站效率性能ηans:

效率值随H1/Hans比值的增大而减小。H1和Hans之间的差异表示泵站排水管上的部分关闭阀所引起的水头损失（耗能）。

这种通过打开或关闭泵的排放阀来调节泵站工作参数的方法虽然操作简便，无需额外费用，但是该方法引入水头损失，具有明显的缺点。根据以上介绍的理论要素，并考虑有关泵站运行参数，从能耗角度分析泵站的实际功能:

1）访问泵站现场，并从操作寄存器中收集有关泵站设备的数据（泵类型、标称参数、泵数量、操作参数、运行方式）；

2）通过基于数据从泵站的操作寄存器中识别泵的工作特点，来定义泵站的工作范围；

3）根据实际情况确定电站的运行参数并进行计算，以确定实现这些参数所需的能源成本；

4）根据用水系统分配的要求选择新的水泵；

5）对新配置的泵站的运行点进行计算；

6）评估实现泵站运行参数所涉及的成本；

7）根据泵站运行的技术经济指标，在泵站现状及投资合理性的基础上进行比较分析。

根据可用的每日运行数据，计算出该站的每日最大泵送流量为4381 m3/d，最小泵送每日流量为1682 m3/d。在运行记录仪中，工作站排气管上达到的压力为4.5 bar～5 bar。扬程H=50 m，流量在Q=100 m3/h～200 m3/h之间。此参数与125型泵的标称运行参数（Q=180 m3/h和H=85 m）有很大不同，因此必须关闭排量大的（由泵引入系统）排放阀。关闭部分排气阀后，现场测试得出水头损失为35 m，通过式（1）计算得出有效功率为17.5 kW。一天中，此操作序列平均每天至少10 h，因此部分关闭的排放阀中的每日平均能量损失最少为175 kW·h。

为全面了解当前泵站的年度能源成本对整改前后的泵站进行能耗计算。表1列出了2016年的运行数据，其中P为能耗，c为抽水量，扬程为H，泵效为η，泵送平均流量为q。计算新泵的基本原理是使工作流量在泵的最大效率范围内。

能量分析结果表明:整改后的泵站可显著降低能耗；在相同的泵送水流量，恒定水头为50 m的情况下，对于整改后的电站，能耗降低了57%；考虑到1元/（kW·h）的成本，每年可节省能源成本32965元。考虑到该站模块式泵组（由2+1泵组成）的价格为47921欧元，新设备的投资成本可在16个月内从能源消耗减少所产生的经济效益中回收。

表1 泵站整改前后能量耗损统计

4 结论

本文通过分析原有泵站工作特点，对泵站进行液压元件、电机转速和减少泵站内部能量损失三个方面进行整改，从而最大限度的减少泵站能量耗散，在环保方面，采用改进后的适当模块泵组改变现有泵的解决方案，消除了水泵噪声，满足西部地区节能节水的需求的同时也符合环境友好型社会发展的规定。