李 贛

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省水利廳農(nóng)水處，山西 太原 030002）

2009年國家全面啟動大型泵站更新改造工程，如何把握機遇，改造好建設(shè)好泵站，實現(xiàn)泵站經(jīng)濟(jì)效益和社會效益相統(tǒng)一的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，是我們面臨的一個重要課題。下面就如何做好泵站更新改造工作，實現(xiàn)泵站節(jié)能運行和經(jīng)濟(jì)運行進(jìn)行探討。

泵站的節(jié)能運行是指單方水耗能最小的泵站運行方案，一般只涉及單座泵站。而經(jīng)濟(jì)運行是指單方水消耗費用最少的泵站運行方案，可以在單座泵站實現(xiàn)，在有流量配合的泵站群實現(xiàn)起來意義更大，是泵站運行管理的較高階段。優(yōu)化運行是在泵站節(jié)能運行和經(jīng)濟(jì)運行的基礎(chǔ)上，將泵站和灌區(qū)統(tǒng)籌考慮的運行方案，不僅要考慮泵站內(nèi)部及泵站之間的運行方案，更重要的是要考慮灌溉水費帶來的效益，是泵站管理單位整體經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)，是泵站灌區(qū)管理的最高階段。本文對涉及調(diào)度、泵站以及灌區(qū)配水的優(yōu)化運行方案暫時不做探討，只對泵站的節(jié)能運行和經(jīng)濟(jì)運行的方案和技術(shù)路線進(jìn)行探討。

泵站工程是一項系統(tǒng)工程，要實現(xiàn)泵站的經(jīng)濟(jì)運行，節(jié)能運行是基礎(chǔ)。首先必須從設(shè)計階段開始就要貫穿節(jié)能理念，從方案選擇、設(shè)備選型等多方面著手，達(dá)到泵站設(shè)計工況下裝置效率最高。其次，必須安裝有先進(jìn)儀器儀表，借助于可以快速運算的計算機綜合監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)實時顯示、快速計算，及時判斷水泵機組是否處于節(jié)能運行范圍之內(nèi)。第三，通過開發(fā)利用實用的泵站經(jīng)濟(jì)運行管理軟件，實現(xiàn)泵站經(jīng)濟(jì)運行的目標(biāo)。

1 泵站更新改造設(shè)計中的節(jié)能措施

第一，在滿足流量的前提下盡量選擇大型機組，減少機組數(shù)量。對同一類型水泵，口徑較大的水泵往往比口徑小的效率要高；同樣同一系列的電機一般情況下都是隨著功率的增加，電機效率和功率因數(shù)也隨之增大。

第二，盡量采用10kV高壓直配的供電方案。20世紀(jì)70年代以前建設(shè)的泵站由于受當(dāng)時技術(shù)條件的限制，相當(dāng)數(shù)量的泵站是低壓供電，高壓供電一般是3kV和6kV的電壓等級。由于低壓供電效率低，加之中間必須設(shè)降壓變壓器增加一級損耗，因此，應(yīng)盡量選用高壓供電，取消6kV和3kV供電，改用10kV直供方案。

第三，增設(shè)無功補償裝置。無功補償可以減少輸配電線路中的視在電流，提高輸配電效率。電容補償應(yīng)盡量靠近負(fù)荷側(cè)，有條件的可以采用就地補償，隨著科技的進(jìn)步，不僅低壓無功補償裝置可以自動投切，高壓無功補償裝置的自動投切技術(shù)也日臻完美。

第四，負(fù)吸程安裝水泵。負(fù)吸程安裝是利用工程措施提高水泵裝置的抗汽蝕能力的主要措施。負(fù)吸程可以省去真空系統(tǒng)，節(jié)約輔機用電，簡化開機程序，為泵站自動化運行奠定基礎(chǔ)。

第五，新建沉沙池，最大限度地減輕水體比重。

2 設(shè)備選型要始終貫徹節(jié)能理念

2.1 水泵選型

泵站改造中設(shè)備選擇是重點，水泵改造是關(guān)鍵。

第一，要選擇定性的、成熟的、效率相對較高、高效區(qū)范圍寬、抗汽蝕性能較好的泵型，設(shè)計工況點要落在高效區(qū)；

第二，針對實際情況開發(fā)效率高、抗汽蝕性能好的優(yōu)秀的新型泵型。實際設(shè)計選型中，往往沒有合適的泵型可供選擇，所以要結(jié)合實際，由水泵廠組織技術(shù)力量重點開發(fā)；

第三，開發(fā)新型水泵要綜合考慮效率和汽蝕。水泵流量大，效率就較高，但抗汽蝕能力較差，要提高水泵的設(shè)計效率通常會帶來水泵抗汽蝕能力的下降，反之設(shè)計時提高其抗汽蝕能力往往會以犧牲水泵設(shè)計效率為代價。

解決這一矛盾的思路是水泵設(shè)計時以提高效率作為主要目標(biāo)，而抗汽蝕能力通過以下措施來實現(xiàn)：選用不銹鋼等耐汽蝕材料，提高泵體和過流部件的抗汽蝕能力；采用鋼板焊葉輪法；負(fù)吸程安裝水泵；采用雙吸水管的雙吸泵，降低進(jìn)口流速；口環(huán)與葉輪的間隙汽蝕可以通過增加鑲套的辦法來解決。在抗汽蝕為最大的情況下，盡可能大地提高水泵的設(shè)計效率。

第四，采用樹脂沙、蠟?zāi)５裙鉂嵍容^高的鑄造方法，提高水泵內(nèi)部光潔度，噴涂抗磨蝕涂層，可以同時提高水泵的效率和抗汽蝕能力。

不銹鋼葉輪和鋼板焊接葉輪都具有很好的抗汽蝕能力，不銹鋼葉輪價格較高，而鋼板焊接葉輪技術(shù)已經(jīng)非常成熟，具有價格相對較低、耐磨損、耐汽蝕、效率高、表面光滑、流線型好、使用壽命長等特點，鋼板焊接葉輪必將成為今后發(fā)展的方向。

2.2 電機選型

電機選型一定要選擇效率高的系列電機，除了前面提到的要選擇大電機以外，功率確定后要選擇效率和功率因數(shù)均相對較高的型號，但兩者出現(xiàn)矛盾時應(yīng)優(yōu)先選擇效率，功率因數(shù)可以通過增加無功補償裝置來解決。

值得注意的是，電機也有其高效區(qū)，電機選型一定要將長期的輸出功率的工作點落在電機的高效區(qū)內(nèi)，異步電機一般負(fù)荷率在0.75以上，均有較高的效率，通過調(diào)整配套功率備用系數(shù)來選擇配套功率，對于黃河流域的泵站功率備用系數(shù)應(yīng)適當(dāng)取大，可以取到1.1~1.2之間，這樣既保證了電機高效運行，又可避免超負(fù)荷工作。

2.3 輔助設(shè)備選型

離心泵站的輔助設(shè)備主要是指閘閥和止回閥，閘閥的選型一定要注意其內(nèi)部止水工作面處的直徑，老的閘閥所謂的通徑是指法蘭連接面出口的內(nèi)部直徑，而實際閥板止水工作面處的內(nèi)部直徑小于其通徑，形成“腸梗阻”，增加了局部損失。因此，止回閥一定要選擇阻力系數(shù)較小的節(jié)能緩閉閥。對于介質(zhì)泥沙含量較小，對設(shè)備磨損不構(gòu)成威脅的泵站可以采用兩閥并一閥的方法，即將閘閥和止回閥合并為液控緩閉蝶閥。

3 提高管道效率

對于管道較長的離心泵站，盡量選取經(jīng)濟(jì)流速的下限，甚至小于下限，一般不超過2m/s；減少彎頭，盡量減少內(nèi)水體流速和流向的突變；水泵吸水管彎頭在滿足后壁距、淹沒深度和不產(chǎn)生漩渦的情況下，將彎頭增大到120°以上；將泵站管道出口“高射炮”出水改為虹吸出水，可以節(jié)約0.5m左右的揚程。

4 泵站運行管理中的節(jié)能措施及實現(xiàn)手段

當(dāng)泵站更新改造設(shè)計施工和設(shè)備選型中完全體現(xiàn)了節(jié)能理念時，真正的節(jié)能則主要體現(xiàn)在泵站運行管理中。

4.1 單座獨立泵站的節(jié)能

單座泵站的節(jié)能也就是所謂的站內(nèi)節(jié)能，要實現(xiàn)站內(nèi)節(jié)能，首先必須保證機組狀態(tài)良好，其次是在滿足流量的情況下實現(xiàn)裝置效率較高的機組進(jìn)行組合運行。

技術(shù)路線：安裝多功能電能表、流量計及揚程測量儀表；實現(xiàn)泵站微機綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)；開發(fā)能夠?qū)崟r測量水泵效率、電機效率、管道效率的軟件；開發(fā)能夠根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)和給定的總流量選擇判斷開機組合，為運行人員提供決策支持的管理軟件；建立起水泵葉輪口環(huán)等易損部件自然壽命運行周期內(nèi)水泵效率與運行時間的關(guān)系曲線。通過長時間的資料積累，將已建立的大量的水泵效率與運行時間的關(guān)系曲線進(jìn)行比較迭加，找出水泵效率明顯開始下降的發(fā)生概率最大的轉(zhuǎn)折點的運行時間（或平均時間）。此轉(zhuǎn)折點就是泵站節(jié)能運行的臨界點、報警點和提醒點，低于此點就要進(jìn)行檢修更換。

4.2 有流量配合的泵站群的節(jié)能運行

泵站群的節(jié)能運行是一個比較復(fù)雜的問題，應(yīng)該從三個層面來考慮，首先要考慮的是站與站之間的流量配合，防止棄水和斷流是最大的節(jié)能；其次是滿足流量要求下的泵站內(nèi)部的機組運行方案；第三是單臺機組的節(jié)能。滿足流量需求和流量配合是條件，站內(nèi)機組組合是手段，單臺機組的現(xiàn)狀效率是基礎(chǔ)。

技術(shù)路線：首先，泵站群里的每座泵站必須全部具備節(jié)能運行的實現(xiàn)條件；其次，必須有必要的調(diào)度運行軟件。調(diào)度軟件通過收集各座泵站的實時流量，計算機通過理論分析和歷史經(jīng)驗判斷來給出各個泵站的最佳開機組合，已需定供實現(xiàn)供水系統(tǒng)中各座泵站之間的水量平衡；第三，通過對關(guān)鍵位置的水位變化趨勢來校核泵站流量配合情況，并及時給出提示信息，供調(diào)度人員決策。

5 泵站的經(jīng)濟(jì)運行

泵站的經(jīng)濟(jì)運行需要研究獨立泵站的經(jīng)濟(jì)運行和有流量配合的多座泵站群的經(jīng)濟(jì)運行兩個層面的問題。需要研究多座泵站流量配合下的棄水和斷流、單方水消耗的電費及單方水消耗的維修費用等三方面的問題。

5.1 經(jīng)濟(jì)運行條件

經(jīng)濟(jì)運行必須建立在泵站和泵站群能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能運行的基礎(chǔ)上，也即必須實現(xiàn)完整的微機綜合自動化系統(tǒng)，有完整的測量儀器儀表設(shè)備，開發(fā)有節(jié)能運行軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)合理調(diào)配水量，滿足各座泵站的運行要求；

必須建立起水泵葉輪口環(huán)等易損部件自然壽命運行周期內(nèi)水泵效率與運行時間的關(guān)系曲線；

通過長時間的資料積累，將已建立的大量的水泵效率與運行時間的關(guān)系曲線進(jìn)行比較迭加，找出水泵效率明顯開始下降的發(fā)生概率最大的轉(zhuǎn)折點的運行時間（或平均時間）。

5.2 經(jīng)濟(jì)運行的關(guān)鍵問題

泵站經(jīng)濟(jì)運行的關(guān)鍵問題是確定對裝置效率和維修費用同時都有較大影響的易損部件的最佳更換周期，也即葉輪口環(huán)等的經(jīng)濟(jì)壽命。

設(shè)備壽命一般有三個：第一是自然壽命，是指自然磨損失去功能的可使用時間，是指設(shè)備的物質(zhì)壽命,是從設(shè)備投產(chǎn)起至報廢為止所經(jīng)歷的時間；第二是技術(shù)壽命，是指設(shè)備從投產(chǎn)起至被新技術(shù)淘汰為止所經(jīng)歷的時間，也即由于新技術(shù)的產(chǎn)生導(dǎo)致設(shè)備落后無法維修或沒有維修價值的使用時間；第三是經(jīng)濟(jì)壽命，是指在設(shè)備使用的后期，花費更多的維修費用可能得不償失，因而要考慮是否需要更新，這種以經(jīng)營費用為標(biāo)準(zhǔn)而確定的設(shè)備壽命叫經(jīng)濟(jì)壽命。經(jīng)濟(jì)壽命一般來說就是設(shè)備的最佳更新周期。

5.3 經(jīng)濟(jì)運行的總目標(biāo)及技術(shù)路線

泵站經(jīng)濟(jì)運行的總目標(biāo)是所有參與運行的泵站平均每提一方水消耗最少的運行費用。正常情況下，維修及時和維修標(biāo)準(zhǔn)高，水泵機組的裝置效率就高，提一方水消耗的電費就較低，但是，也會使提一方水消耗的維修費用加大；反之，如果延長檢修周期，則提一方水消耗的維修費用就會減少，但提一方水消耗的電費就會升高。泵站經(jīng)濟(jì)運行就是要尋找一個很好的結(jié)合點，利用計算機監(jiān)控系統(tǒng)，通過運行軟件獲取水泵效率與運行時間的關(guān)系曲線，在此基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命的靜態(tài)計算方法建立單方水電費消耗與運行時間關(guān)系曲線，以及為恢復(fù)設(shè)備裝置效率而進(jìn)行的葉輪口環(huán)等設(shè)備維修更換形成的單方水維修成本與使用時間的關(guān)系曲線。兩曲線的交點就是葉輪口環(huán)等的最佳經(jīng)濟(jì)壽命。

6 經(jīng)濟(jì)運行和節(jié)能運行的關(guān)系

泵站節(jié)能運行和經(jīng)濟(jì)運行都是泵站管理不同階段追求的目標(biāo)，兩者都必須是在滿足流量要求的前提下實施的，無論是灌溉泵站還是排澇泵站，都必須首先保證流量，如果流量不能滿足，節(jié)能運行和經(jīng)濟(jì)運行都沒有意義。不同點是：泵站節(jié)能運行遵循的原則是流量一定，耗能最小，追求的是泵站效率最高；泵站經(jīng)濟(jì)運行遵循的原則是：流量一定，運行費用最小，追求的是消耗最少。

節(jié)能運行是經(jīng)濟(jì)運行的基礎(chǔ)，沒有實現(xiàn)節(jié)能運行，經(jīng)濟(jì)運行就無從談起，但節(jié)能運行下并不一定是經(jīng)濟(jì)的，經(jīng)濟(jì)運行下也并不一定是最節(jié)能的。

經(jīng)濟(jì)運行將為下一階段泵站和灌區(qū)配水一體化優(yōu)化運行奠定基礎(chǔ)，同樣道理，實現(xiàn)泵站和灌區(qū)配水優(yōu)化運行后，由于引入了水費收入帶來的效益，所以泵站經(jīng)濟(jì)運行也不一定是最佳方案。