基于能耗和效率计算的灌排泵站系统研究

廉 洁

(丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)

0 引 言

调查显示，目前我国已拥有机电灌排动力达到8753万kW，总灌排面积为4000万hm2，使得农业自然灾害抵御能力得以明显增强，并为经济可持续发展和农业稳定生产奠定了坚实的基础[1]。其中，农用总动力的四分之一都来源于小型灌排泵站，并且拥有巨大的耗电量。实际上，向泵站提供的能量一部分会用于进出水管道、水泵、传动装置和发电机的损耗，而大部分则转化成有用功用于泵站的提水。现有研究多集中于泵机组、泵装置、水泵的能耗与效率特性分析，对小型泵站能耗开展整体系统的研究还鲜有报道。鉴于此，文章在小型泵站系统中纳入输变电设施、输水渠(涵)，在此基础上提出典型环节及系统效率、能耗计算公式，通过对系统相关部门及小型泵站的能量特性分析，最大程度的挖掘泵站系统节能潜力，以期为优化设计泵站节能改造方案提供科学指导[2-4]。

1 灌排泵站的系统组成

从水源地将水体利用泵站系统输送至更远、更高的地点，该过程中泵站内、输变电设施、输水渠道等均发生有能量损耗[5]。从能量损耗、传递和转化的全系统角度，将小型泵站系统定义成由输水渠道(如水闸、涵洞、输水渠等)、泵站(如前池、进出水池、管道、水泵、传动装置、电动机)和输变电设施(如配电线路、主变压器、输电线路)三部分组成；小型泵站系统与大中型泵站相比，其运行时间短且附属设备数量少，甚至可不予考虑[6]。

对于能耗计算水力学计算手册一般都会设计，而对整体系统的计算还较少涉及。将泵站系统的各部分能耗特性运用输水、抽水、输变电等组成部分开展全面研究，并分析系统能耗、效率与各个环节之间的作用关系，对提高系统运行效率、充分挖掘节能潜力及优化设计整个系统等具有重要意义。

2 泵站系统能量传递、能耗与效率

2.1 能量传递

图1反映了能量的传递过程，其中泵站系统、泵站、泵装置的有效功率为Pu、Pp,w、Ps，水泵、电动机的输入与输出功率为Pi,p、Pi,e和Po,pPo,e，变压器的输入、输出和总输入功率为Po,c、Po,c，Pi,t。电力的传输流程为：变电所→输电线输送→变压器降压→控制柜→各水泵电动机，该过程产生有配电、变电和输电损耗功率Pd,d、Pd,ct、Pd,et。

图1 泵站系统能量传递与损耗

电动机将电能转化成机械能所引起的损耗功率为Pd,e，通过皮带降速传动或者联轴器该机械能传递给水泵，此过程形成传动损耗功率Pd,a；然后通过进出水池、进出水管和水泵，所产生的进出水池、进出水管道和水泵损耗功率为Pd,wp、Pd,cp、Pd,p，最终转换成管道输水的压力势能或明渠输水的位置势能。

泵站抽水导致出水侧渠首水位升高而进水侧渠末水位下降，从而产生水体流动，并实现了向更高位置输送水源地水体的目的。然而，在渠道输水过程中产生有输水损耗功率Pd,we，其包括沿途渗漏引起的水量损耗功率和流动阻力引起的水利损失功率两部分。

2.2 典型环节能耗计算

目前，关于小型泵站系统电动机、进出水管道和水泵能耗的研究比较成熟。传动及输配电能耗小，计算较简便，但未考虑拦污栅、涵洞、变压器、输水渠道等能耗过程，有必要对此开展深入探究。

1)变压器能耗。采用380V电动机的小型电力泵站必须设置变压器，其中负载损耗与空载损耗为变压器能耗的主要组成[7]，可采用运行时变压器的无功功率ΔQ和有功功率损耗ΔP确定综合功率损耗ΔPr，其表达式为：

ΔP=P0+Ktβ2Pk

(1)

ΔQ=Q0+Ktβ2Qk=I0%SN+Ktβ2(Uk%)SN

(2)

ΔPr=ΔP+KQΔQ

(3)

式中：Pk、P0为额定负载损耗与空载损耗，kW；Q0、Qk为空载无功损耗与额定负载漏磁功率，k Var；I0、Uk为变压器空载电流和短路电压百分比，%；KQ、Kt为无功经济当量和负载波动损耗系数，Kt取1.05、KQ取0.1kW/k Var；β代表平均负载系数；SN代表变压器额定容量，kV·A。实际计算过程中，额定负载损耗Pk、空载损耗P0、空载电流百分比I0和短路电压百分比Uk均可由产品资料确定。

2)拦污水头损失。栅条式拦污栅通常被应用于农村小型泵站，其造成的水力损失包括被拦截污物堵塞栅面、原有边界条件受栅条锈蚀影响、栅条阻水造成的附加或局部水头损失。栅条来流、间距、长宽比、厚度、形状以及拦污栅的倾角和形式等因素均可影响拦污栅的阻力损失，拟利用布尔可夫-丘津娜公式计算以上各因素作用下的总阻力系数，即：

(4)

式中：cv、cs为流速系数和水流收缩系数，cv取0.97、cs取0.08-0.10，拦污栅遮挡面积超过20%时可不考虑cs；cp、c为拦污栅结构件遮挡系数和水流扩大冲击系数，c取1.1-1.2，cp=Aj/As，且As、Aj代表拦污栅的结构件遮挡面积及其设计计算面积，m2。

由于没有自动清污设施实际运行过程中，小型泵站拦污栅普遍存在栅前被堵塞的现象。拦污阻力在污物堵塞的情况下往往难以计算，其阻力大小与污物密实度、聚集形式、污物量、污物种类及来流条件等因素相关。借鉴实测数据资料，在污物堵塞情况下拦污栅水位差可以达到0.15-0.30m，甚至能够达到0.50m。

3)输水渠道能耗。水量与水力损失是输水渠道能耗的两大体现，渠道结构型式、土壤类型在很大程度上决定了输水渠道水量损失，考虑防渗透和地下水顶托作用时，可以利用下式计算其数值，即：

(5)

式中：S、qV,q为渠道输水每千米损失流量和毛体积渠首流量，m3/s；L为渠道长度，km；m、A为与渠床土壤透水性有关的指数和系数，借鉴有关文献或实测数据确定；β为渗水量减小系数，β取1为渠道未设置防渗措施。

采用谢才-曼宁公式计算输水渠道水力损失，其表达式为：

(6)

式中：n为糙率；L、R为渠道长度和水力半径，m；v为渠内平均水流速度，m/s。

4)输水涵洞水头损失。采用以下公式确定水流流经涵洞时上、下游的总水面落差，即总水头损失z：

(7)

式中：z1、z2为进口水面降落和出口水面回声，m；v、v1、v2为涵洞内流速和渠道内上、下游水流速度，m/s；ξ1、ξ2为与涵洞进、出口段连接型式相关的局部水头损失系数；i为利用谢才-曼宁公式确定的涵洞水力坡降；l为涵洞长度，m。

2.3 泵站系统效率

结合能量传递过程，可以用电网向泵站系统提供电功率Pt与泵站系统有效功率Pu之间的关系确定泵站系统效率，计算式为：

(8)

式中：qV,et为末端渠道的实际抽排水量，m3/s；ηc、ηwp、ηcp、ηp、ηa、ηe、ηd、ηct、ηet、ηpw为输水渠部分、进出水池、管路、水泵、传动装置、电动机、配电设施、变压器、输电线和泵站系统效率，%；Hs、Hpw、Hp、Hr为泵站系统、泵站、水泵和泵站净扬程，m。

3 实例分析

3.1 泵站概况

丹东市某灌排泵站系统包括闸门、矩形出水明渠、出水池、出水管、泵房、进水池、拦污栅、前池、引渠和变压器，泵房结构为湿室型，安装3台电动机组、轴流泵和1太太变压器。泵站设计流量5.0m3/s，装机容量260kW，内、外河设计水位为3.0m和5.8m。

3.2 结果与分析

通过计算分析，确定泵站系统在内、外河设计水位条件下，不同开机台数运行时各部分的能耗与效率，如表1所示。泵站系统各部分在3台机组全部运行时的能耗比，如图2所示。

图2 泵站系统能耗比

表1 泵站系统能耗与效率

3.3 结果分析

1)泵站系统能耗较大的部分有电动机、矩形出水明渠、进出水管和水泵，所占比例为13.67%、18.64%、22.45%、34.94%。此外，变电、输电和输水能耗，在系统各部分能耗中所占比例将近24%，所以该部分能耗不可忽视。

2)机组全部运行时泵站系统的总效率为41.68%，进出水管、输水渠和水泵的效率偏低，总体处于80%左右，其他部分均达到90%。泵站系统在1、2、3三种开机台数时的总效率为47.51%、45.21%、41.68%，可见泵站效率随着开机台数的增加而下降，这是由于通过输水渠的流量随开机台数的增加而增大，从而导致水头损失的不断增加。

3)在1、2、3台机组运行时泵站变压器实际负载率为27.1%、56.2%、86.7%，其最佳负载率为33.5%，可见变压器偏离最佳负载率的程度随着泵站开机台数的增加而增大，运行效率也不断下降。

4 结 论

1)泵站系统能耗较大的部分有电动机、矩形出水明渠、进出水管和水泵，在系统各部分能耗中变电、输电和输水能耗所占比例将近24%，该部分能耗不可忽视。小型泵站系统效率较低的有进出水管、输水渠和水泵，所以该部分的节能潜力较大。

2)实践表明，系统工况、组成和形式与泵站各部分的能耗比例相关。运行工况与水泵效率有关，为保证系统的高效运行应选择合理的形式；载荷率与电动机效率有关，效率较高时的荷载率取值区间为0.75-0.85；一般地，排涝泵站系统具有较小的输水能耗、较短的输水渠，泵站系统选用长距离压力管道输水时具有较高的输水能耗。