节能视域下农田水利高扬程提水泵站技术研究

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-4907

作者简介：张红英（1988—），女，本科，工程师，研究方向为农业水利工程设计。

摘  要：以实例简述高扬程提水泵站节能降耗转型的存在的问题与优化措施。研究发现，泵站存在规定扬程远高于实际应用、配套设施不完善、管理运行效率较低、泥沙杂质导致设备腐蚀等问题。针对此，提出了选配合理水泵设备、优化动力机效率、优化管路设计、优化沉淀池设计、水泵系统智能启停管理、定期开展能源评估等措施，以实现高扬程水利灌溉的“节能降耗”目标。

关键词：水利灌溉  高扬程提水泵站  节能技术  节能降耗

中图分类号：S277

西北地区灌溉水源稀缺，需采用高扬程提水灌区技术解决农田用水问题。但该地区中，较多高扬程提水泵站建设早，技术落后，投入使用过程中出现能量损耗过高的问题，极大影响灌溉工程的经济性和效率；同时，管道破损、灌溉泥沙量大等问题还对周围的原始生态环境造成了负面效应。近年来，我国农业事业重视应用降本增效、绿色能源等相关技术，高扬程提水泵站环保节能问题亟待解决。本文从节能降耗技术角度出发，展开深入分析。

1 高扬程提水泵站“节能降耗”的现实意义

我国西北、西南等地区，由于自然条件导致农田灌溉工作难度更大，高扬程提水泵站对于保证当地农业稳定发展和水源供应有重要意义。而多数高扬程提水泵站建设时间久远，能源消耗逐年增加，对绿色节能化的农业生产造成影响，采取科学的举措降低高扬程提水泵站的高昂能耗势在必行。高扬程提水泵站“节能降耗”的现实意义主要表现如下几点。

1.1 提升农民收入水平

过大力推进节水、节能及降耗工作，并结合农作物生长情况配套灌溉策略，能满足农作物生长所需的水分资源、降低农业生产成本，提高农民经济收益，实现乡村振兴。

1.2 提高农业生产力水平

高扬程提水灌区泵站节能降耗改造可节约大量渠道用地，扩大可耕种面积，降低灌溉基础设施数量，增加种植空间，提升农业生产力。运用喷灌、滴灌等先进灌溉手段无须预先对种植地域平整处理，可减轻种植作业负担，降低农业种植成本，完成机械化与机械化的农业生产目标。

1.3 推动农业可持续发展

引入节能降耗方案后可避免两端渗漏或大水漫灌等导致的土地沼泽化与次生盐碱化，还可有效减少地下水资源的过度开采，有效保护生态环境，实现农业可持续发展。

2 案例分析

某高扬程提水工程位于中国西北地区，是规模庞大、跨越多个省域的大型提灌工程。项目设计水量输出量为10.6 m3/s，建设13座大型泵站分布在各地，总扬程达470 m。自20世纪建设投入使用后，极大提升了当地农业生产水平与环境质量。然而，随着长期运行带来的压力和损耗，诸如高扬程提水泵站设备磨损、老化以及遭受腐蚀等问题逐渐凸显出来，这也为本就具有较高安全隐患的高扬程提水泵站增加了潜在的风险。该工程运行中，发现存在以下几个问题。

2.1  水泵规定扬程较实际应用过高

此灌区中多数泵站建于20世纪，受制于客观环境与科学技术能力，水泵型号与种类不完整导致水泵设备选择与实际不匹配。为提升灌溉效率选择最高扬程水泵，实际能耗高于实际灌溉需求，例如：水泵型号是HS900-800-115，额定扬程达80.4 m，但在实际运行期间其扬程为60～70 m，离额定扬程相距甚远。水泵功率与成本直接关联，而较大功率的水泵拉升了系统运行成本。

2.2  配套设施不完善

水泵建设初期，资金和科学技术有限，面对灌溉需求，工程人员对水泵主设备的配套设施并非最为科学与合理，更多时候是出于暂时性的凑合布置。工程设计过程中，存在动力机械与实际运营情境匹配偏差、设定备用系数时过度保守，以至于尽管部分动力机器功率大幅度攀升所消耗的能量远超出灌区实际需求，造成了过多的能源消耗情况[1]。因此，动力机械的能源消耗始终无法达到高效性能，导致农业水利工程高扬程泵站能耗紧迫的问题。

2.3  管路运行效率低

既往的高扬程提水工程需要布设大量管道，但由于材料与设计理念相对落后，加之长时间使用，导致如今运行效率偏低，在本工程中，泵站压力管道铸铁管直径为80 mm，长时间的使用，导致部分钢管管壁厚度较减少了一半以上，加之管道包含大量弯头，出现了多处管道破裂的问题。在供应充足水分的强大压力之下，高扬程提水泵站的运行能耗始终居高不下，整体消耗能源状况堪忧。

2.4  泥沙杂质导致的设备腐蚀

在西北地区，水中常含有泥沙等杂物，当水质呈碱性时，泥沙总存在有机物及黏性物质，形成较小固体颗粒，进入设备与管道中首先影响设备的运行效率。同时泥沙会腐蚀水泵密封性，导致密封面受到冲击，形成坑槽，坑槽的存在增加了水泵能耗及运行维修成本。

3 高扬程提水泵站节能降耗设计

3.1 选配合理的水泵设备

应重点关注水质及环境外部因素，严格按照设计规范参数来挑选水泵设备，在优化设计方案中，选用具有良好抗腐蚀性、耐磨性能及坚固耐用特性的设备。确保各设备间协同性，严谨定期检查与维护措施。对于过往不合理水泵，应及时更换以提高泵送效率；针对使用期限较常出现损害的设备及时更换，减少资源浪费。

水泵设备优化设计包括以下几点。

（1）重视和推进堤防泵站内水泵性能优化及改良措施，方案以面对叶片流道断面突兀问题以及二次回流现象为主轴，专攻水泵的叶片设计、导叶匹配、进水室构造、出水室分布等关键环节进行深度优化，从而达到精准削减水力损失的效果。（2）在选择实际配套设备时，参照水泵性能曲线及其相互适应的管道系统曲线，精确计算如农田水利灌溉期的平均扬程和灌区灌溉期间的最大扬程功率参数等各项指数，确保每次启动和运行水泵时处在最大扬程运转范围，规避不必要电力浪费，使农作物灌溉过程更为稳定、牢靠且无能源消耗波动现象出现[2]。对于无法满足作物灌溉需求的水泵，应优先将工作重心调整到位，调整水泵性能曲线来实现灌溉运用中的节约能源与降低能耗的目标。（3）建立健全水泵日常维护和管理规章制度，保障设备维护与保养。应提升对叶轮、轴承维修的重视程度，并明确要求维修人员必须严格按照规程进行详细记录，如此方能真正做到预防性维护，延长设备寿命，保障生产安全。

3.2 优化动力机效率

在机组配套优化方面，首先核算出合适的配套功率备用系数，考虑到电动机在负载较低的状态下其运行效率相对较低，电动机的运转功率亦随之减小，进而可能引发输电线路和变压器损耗的增加。因此，需防范大功率设备带动小流量机组这种情况的出现。同时，配套功率的配置系数也应适当，不宜过小，以免造成电动机运行负荷过高，影响其正常使用寿命。根据长期经验，电动机的运行效率通常需保持在1.0～1.7之间，基于节能降损的考虑，当效率系数达到0.8时效果最佳，因此可将电动机运行效率调优至约0.8的数值[3]。

其次，对于电动机转速的优化，在确保电动机传动效能不变的前提下，充分利用电流分配等手段，将原有的“△”接法更改为更为高效节能的“Y”接法。同时，辅以科学合理的日常维护及检修措施，有助于有效提升电动机的自然功率因数，从而减轻高扬程提水泵站的运行能耗负担。

3.3 优化管路设计

3.3.1针对泵站运行状况，全面优化管道设计

管道设计对泵站的正常工作影响较大，因此，要重视管道设计环节，找到最为恰当且经济实惠的管道直径。衡量影响管道选择因素，选取出最为适宜的管径，在严格控制总成本的基础上，确保泵站的长久耐用和优质稳定的运行品质，通过严谨的科学研究与深入的理性分析，为泵站量身打造出最具优势的管道直径设计方案。

3.3.2选择性价比较高的新型材料管道

管道的材料材质对防止氧化生锈、降低成本投资至关重要，因此，应尽量选择具备优异性能的材料。例如：玻璃夹砂管不仅拥有钢管所具备的卓越性能，更具备了强大的抗腐蚀能力，它能满足设计方面诸多需求，同时还能有效控制成本投入，提升工程项目综合效益水平[4]。同时，应根据总体提水工程，做好数字化信息与处理，得到基本线路图，按照实际运行要求，减少管道总长度与转弯，移除非必要管路附件，最大程度降低能源损耗，提升泵站运行效能及效率。

3.4 沉淀池设计

首先，设计前对泵站周围环境进行勘测。譬如，详细评估灌溉范围内是否存在大规模的泥沙堆积情况，避免水泵在运转过程中的能源消耗急剧上升。因此，泥沙堆积量的控制无疑是实现节能降耗的重要手段之一，考虑采用沉淀技术来过滤泥沙，通过在水泵站工程中引入黄河水流过，在过滤后妥善处理这些泥沙，从而更好地保护当地的生态环境[5]。

其次，在设计沉积池时，以进水口为基准，调整沉淀池与其距离，在前池与沉淀池间设置隔离。另外，前池高度应当低于沉淀池，以便过滤后的水源能够迅速送入泵站，确保运行稳定性。对进水口和沉淀池出水口距离进行调整，安装多台大流量水泵，以降低设备的能量损耗。

3.5 水泵系统启停管理

合理的启停管理可减少无效运行时间，提高设备能效与经济效益。在对启停时间进行调节与配置过程中，结合生产需求、作业环境等因素，把握启动与停止时间点。例如：可以在人流互动频繁，业务繁忙的集中时间段，采用全天候运行模式以提升设备的使用率；反之，在人流量较少，工作量匮乏的平淡时间段，则可改为分段式运行模式，降低能耗成本。另外，在个别项目中安排设备的启动与终止时期时，考虑设备的维修养护需求以及安全性能方面的问题，避免由于过度强调装备维护而导致生产工作受到不良影响。

3.6 定期开展能源评估

运行过程中，应定期进行能源评估，系统、定量、可持续地调整节能措施。能源评估过程中，考虑借助现代农业数字化技术，建立高扬程提水工程数字化管理系统，进行数据收集与分析、能耗分析预评估、节能方案决策化等工作。在数据收集与分析中，详细统计并分析历史能源数据、设备运行数据以及生产数据，了解能源消耗状态，了解影响能源消耗的主要因素，对效果不理想的节能环节进行优化调整。

4 结语

简言之，高扬程提水水泵是地区水利灌溉的重要保障，但研究发现，由于水泵建设年代久远，投入使用长，无法达到当前现代化农业节能降耗的要求。因此，基于节能降耗视角，应采取加强技术优化、加大治理管理力度等措施实现高扬程提水泵站的节能降耗目标，以解决提水泵长期运行出现的设备磨损、老化、不配套等所引起的高能耗问题，在延长水泵设备使用寿命的同时，降低能耗，实现农业可持续发展。

参考文献

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