基于泵站参数的水泵电耗计算探讨及节能思考

郑录艳，黄正财，范小娟

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

1 概述

“十二五”以来，我国能源供需形势日益严峻，完成节能目标任务更加艰巨，大气污染防治压力继续加大。节能降耗是当今中国社会经济发展中最紧迫的任务之一。国家陆续出台一系列措施，控制能源消费总量，推进生态文明建设，确保实现规划目标，助力建设美丽中国。

泵类被列入“电机系统节能工程”，泵的用电量占全国用电量的20.9%。而提水泵站是水泵的主要应用场所。降低泵站的能源消耗，已成为中国实现节能降耗的重要措施。国内外很多学者在泵站节能方面做了大量的研究[1-10]，但关于水泵能耗计算研究却较少。而在评价一个泵站是否节能之前应该对其能耗、能耗指标进行准确的计算。因此，如何准确计算提水泵站的水泵电耗，显得十分重要，本文就此进行研究。

本文对基于泵站参数的水泵电耗计算方法进行探讨，不仅是为了准确计算泵站电能消耗，更将计算公式中各个影响因子意义对应到泵站设计方案的各个环节中，指导前期设计选型工作、把节能思想融入其中，降低泵站电能消耗，从源头上使得各泵站都能在建成后节能高效运行。

2 水泵电耗计算基础公式分析

在前期设计中，为了评价提水泵站的各项能效指标，需要计算提水泵站的水泵电耗。水泵电耗用э 表示，基础公式为:

э=P·t

(1)

式中P为水泵的功率，即原动机传给泵的功率，又称轴功率，kW;t为水泵运行时间,h。

公式(1)的组成比较简单、直观，即轴功率为P(kW)的水泵运行时间t(h)消耗的电能э(kW·h)，该公式应用到流量、扬程稳定的水泵时计算结果是准确的。但实际应用中，特别是水库工程，取水水泵的抽水过程中的流量、扬程常常是不断变化且幅度较大。相应的轴功率是1个变值，二者之间变化情况可由水泵性能曲线得知。对于单台水泵，随着扬程增大时其流量在减少，而轴功率随着流量加大也随之发生变化，总体呈上升趋势。

电机功率选配时一般按水泵最大轴功率考虑。水泵运行过程中，电压的波动和水泵转速的变化，也会引起轴功率变化，水泵和电动机性能试验中的允许误差、机组在长期运行后水泵与管道特性的变化、水源泥沙含量的变化、水泵填料过紧及其其他条件的变化等，都可引起水泵轴功率的增加，使电动机发生超负荷现象，故电机选配时需考虑一定的备用系数[11](一般取1.05～1.1)。在计算年耗电量时一般取1 a进行计算，由此计算电能值显然偏大。

3 水泵电耗计算衍生公式推导过程及分析

3.1 衍生公式

水泵电耗计算的衍生公式最早由苏联B.Φ.切巴耶夫斯基等学者提出，但由于公式组成较为专业，等式右边参数量纲与电能单位需要进一步转换，很多水力机械初学者对其组成未能完全理解。本文对其进行梳理、分析，便于理解并推广应用。

提水泵站水泵电耗衍生计算公式[12]为：

(2)

式中H为泵的扬程，m；W为抽水装置在工作时间内抽送水的体积，即提水量，m3；ηΗ.y为水泵效率、电机效率、动力变压器及电缆效率、动力机与泵之间传动装置效率之积。

ηΗ.y=ηηΠBηCηnep

(3)

式中η为水泵效率；ηΠB为电机效率；ηC动力变压器及电缆效率，一般取0.96～0.98；ηnep为动力机与泵之间传动装置效率，水泵与电机一般为刚性联结，ηnep值取1。

3.2 衍生公式来源分析

水泵是能量转换的机械，把动力机的机械转换给被抽送的液体(水泵运行原理及泵站管理)，而动力机机械能一般由电能转换而来。水泵提水的过程实际为能量转换的过程，即电能转化为机械能，机械能转化为重力势能和动能的过程，能量方程[13]见式(4)，工艺流程示意见图1。

图1 工艺流程示意

(4)

式中H为水泵扬程，m;z1、p1、v1分别为水泵进口断面位置水头,m；绝对压强,mH2O；流速,m/s；z2、p2、v2分别为水泵出口断面位置水头,m；绝对压强,mH2O；流速,m/s；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

1) 水泵的输出功率Pu：单位时间内流过水泵的液体从水泵获得的能量[13]

(5)

式中ρ为水的密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2;Q为水泵的流量，m3/s;H为水泵的扬程，m。

2) 水泵的输入功率Pa：动力机械传递给水泵的能量

3) 水泵提水过程即是电能转为势能的过程

Pu=PaηΗ.y

(6)

由式(5)(6)可得:

(7)

4) 衍生公式推导

由式(1)(7)可得:

(8)

(9)

由式(8)(9)即可得到式(2)。

4 计算实例

某工程年提水量为2 360万m3,提水流量为0.898 m3/s(日变化系数为1.2)，所选水泵泵型为单级双吸卧式离心泵，水泵电机通过联轴器刚性连接。单泵流量为0.449 m3/s，设计扬程为128.50 m，扬程范围为114.50～131.50 m，配套电机功率为900 kW，工作泵2台。水泵设计点效率为85%，电动机效率为96%。水泵性能曲线如图2所示。

分别用基础公式和衍生公式对水泵电能进行计算：

1) 用基础公式计算水泵电耗

由图2可知，水泵轴功率范围为650～804 kW，配套电机功率取值900 kW合理，水泵运行小时按全年运行取值。运行过程中轴功率是1个变值，且各个阶段出现频率尚不能确定，故若采用基础公式对水泵电耗进行计算时常规带入配套电机功率：

图2 水泵性能曲线示意

э=P·t=2×900×8 760=1 576.80万kW·h 。

2) 用衍生公式计算水泵电耗

泵站布置、选型确定后扬程、年提水量、机组效率等参数即确定后可应用衍生公式对水泵电耗进行计算(本工程取ηC=0.97)。

由式(3)可得：

ηΗ.y=0.85×0.96×0.97×1=0.791 52 。

代入式(2)即可算得水泵电耗：

3) 计算结果对比分析

2种计算方法的结果对比见表1，由表1可知：① 采用基础公式，带入配套电机功率、运行小时数进行计算得到的数据偏大；② 采用衍生公式，代入泵站扬程、年提水量、各关键设备效率进行计算更为准确。

表1 计算结果对比 万kW·h

水泵电耗计算结果是否准确，不仅影响前期设计工作中对泵站运行成本的估算还会影响对提水泵站进行节能评价。水泵电耗计算结果直接影响关键指标单位提水扬程电耗的计算，根据相关规范[14]要求，单位提水扬程电耗应不大于4.53 (kW·h)/(kt·m),若计算值不够准确，将直接导致该泵站节能评价不满足要求。

5 节能思考

采用衍生公式对提水泵站的水泵电耗进行计算的意义不仅在于其计算数据比较准确、接近实际电耗数值，更在于可以将公式中各个影响因子对应到泵站设计方案的各个环节中,指导前期设计选型工作、节能融入思想,为各泵站建成后节能高效运行。水泵提水的过程实际为能量转换的过程，即电能转化为机械能，机械能转化为势能和动能的过程。泵站能量转换平衡示意见图3。

图3 泵站能量转换平衡示意

从工艺流程前端(势能、动能角度)看，影响提水泵站电耗的主要因素包括取水点、提水量、受水点位置、输水系统沿程损失等。结合地形地质条件合理选择取水点、结合用户端需求资料合理测算提水量、依据受水对象分布情况合理选择出水池高程等决定了参与水泵电耗计算主要因素即流量、扬程的合理性。前三者确定后所需重力势能基本确定，如何在保证功能性的条件下尽量降低所需的重力势能呢？工程的布置方案中进、出水池选择、管线走向选择、管材选择、管径选择均较为重要。

合理选择泵站进、出水池，直接影响泵站提水扬程的大小，在满足受水区需求的前提下，合理选择高位水池体现了工程布置方案的节能思想；另外管线走向、管材、管径的合理选择可使输水管线沿程损失最小化，也是降低泵站提水扬程重要因素。

从工艺流程前端(电能角度)看，一个提水泵站在满足提水量、提水扬程的的条件下尽量降低所需的电能，提水泵站的水泵、电机效率、电机的运行方式、接入系统的选择、变压器的选择均为重要。

水泵、电机、变压器等关键设备选择时应依据相关节能规范[15-17]，选择能效水平较高的产品。水泵选择时效率节能评价值的计算，首先根据水泵单泵流量查出节能效率的基准值，然后依据不同泵型式计算其比转速，查得效率修正值，最后计算得到本工程水泵的节能效率评价值，所选水泵效率不得低于该值。电机的节能等级一般分为节能1、2、3级，在经济条件允许情况下应尽量选择1级能效产品，严禁选用淘汰产品。变压器选择时应尽量选择满足能效限定值和节能评价值要求新型节能高效产品。

6 结语

1) 在前期设计工作时采用衍生公式计算提水泵站的水泵电能更为准确。

2) 提水泵站水泵电耗涉及因素包括进、出水池位置选择、管线走向选择、管材选择、管径选择、水泵电机效率、机组运行方式、接入系统的选择、变压器的选择等。在前期各阶段设计工作时应将影响能耗的各大要素融入。在泵站设计方案进行综合比较时，考虑技术经济的同时也要着重考虑节能因素。