基于提高泵站效率的運(yùn)行管理關(guān)鍵技術(shù)探討

王兵

摘 要：泵站是水資源調(diào)配工程的樞紐，隨著水利事業(yè)的發(fā)展，泵站數(shù)量越來(lái)越多。在確保安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提高泵站運(yùn)行的效率，對(duì)節(jié)能降耗意義重大。通過對(duì)影響泵站運(yùn)行效率的多因素分析，以及對(duì)南水北調(diào)東線工程?hào)|宋泵站的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合日常運(yùn)行維護(hù)管理，提出了控制合理的負(fù)載率、運(yùn)行水位，降低損耗的維護(hù)維修技術(shù)，提高泵站運(yùn)行效率的關(guān)鍵技術(shù)方法，對(duì)提高類似泵站的運(yùn)行效率和進(jìn)行節(jié)能改造具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：效率;管理;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV675 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0138-04

目前，中國(guó)現(xiàn)有大、中、小型各類固定式排灌泵站50多萬(wàn)座，裝機(jī)容量突破8700萬(wàn)千瓦，尤其是近年來(lái)南水北調(diào)等大型引調(diào)水工程的建設(shè)，泵站的建設(shè)數(shù)量、規(guī)模越來(lái)越大，泵站作為水資源調(diào)配工程的樞紐，在防洪、排澇、供水等方面發(fā)揮重要作用。但由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、設(shè)備老化、工程缺乏有效維護(hù)、管理薄弱等原因，大中型泵站平均裝置效率僅為40%～50%，能源單耗6～7kW.h/（kt.m），距部頒標(biāo)準(zhǔn)e≤5kW.h/（kt.m）相差甚遠(yuǎn)，不符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的需要。因此，在確保安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，泵站應(yīng)以提高效率為目標(biāo)，加強(qiáng)技術(shù)管理，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1泵站效率影響因素分析

泵站效率是泵站的有效功率與輸入功率比值的百分?jǐn)?shù)，是由動(dòng)力設(shè)備效率、傳動(dòng)效率、水泵效率、管道效率、進(jìn)出水池效率、輔機(jī)設(shè)備效率等各環(huán)節(jié)組成的綜合效率。

1.1動(dòng)力設(shè)備效率的影響因素

1.1.1變壓器

變壓器效率是變壓器二次輸出的有功功率與一次輸入的有功功率的比值。二次輸出有功功率P2 =βSN cosΦ2，其中β為負(fù)載系數(shù)，是變壓器二次側(cè)負(fù)載電流與額定電流的比值，SN為變壓器視在功率，cosΦ2為負(fù)載的功率因數(shù)。同時(shí)，變壓器二次輸出有功功率也等于一次輸入有功功率減去變壓器損耗。變壓器損耗包括鐵損耗Pfe和銅損耗Pcu，鐵損耗為不變損耗，額定電壓下近似等于空載時(shí)有功功率P0，即Pfe≈P0，銅損耗Pcu隨負(fù)載變化，稱為可變損耗，額定電流下銅損耗近似等于短路試驗(yàn)電流為額定值時(shí)輸入的有功功率Pkn，負(fù)載不為額定負(fù)載時(shí)，銅損耗與負(fù)載系數(shù)的平方成正比，即Pcu=β2Pkn。這樣變壓器效率公式為：

η=βSN cosΦ2/（βSN cosΦ2+ P0+β2Pkn）[1] ? ? ? ? ? （1-1）

β為負(fù)載系數(shù)， SN為變壓器視在功率，cosΦ2為負(fù)載的功率因數(shù)。從變壓器效率公式可知，對(duì)于一臺(tái)給定的變壓器，運(yùn)行效率的高低與負(fù)載的大小和負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)。當(dāng)β一定時(shí)，即負(fù)載的電流大小不變時(shí)，負(fù)載的功率因數(shù)cosΦ2越高，效率η越高。當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)一定時(shí)，效率與負(fù)載系數(shù)的大小有關(guān)。對(duì)式（1-1）取η對(duì)β的微分，其值為零時(shí)的β即為變壓器最高效率時(shí)的負(fù)載系數(shù)βm，可以得出當(dāng)P0=β2mPkn時(shí)，變壓器效率最高。也就是說(shuō)，當(dāng)變壓器β<βm時(shí)，輸出電流增加，輸出功率也增加，銅損耗也增加，由于此時(shí)β值較小，銅損耗較小，鐵損耗相對(duì)較大，因此總損耗雖然隨β值增加，但是沒有輸出功率增加得快，因此效率也是增加的。當(dāng)銅損耗隨著β的增加，等于鐵損耗時(shí)，效率達(dá)到最高值。當(dāng)β>βm后，銅損耗成了損耗中的主要部分，而且由于銅損耗與電流的平方成正比，輸出功率與電流成正比，因此變壓器效率隨著β的增加反而降低。

表1為南水北調(diào)東線膠東干線東宋泵站主變運(yùn)行的數(shù)據(jù)，直觀地反映出主變效率與負(fù)載系數(shù)的關(guān)系。

從表1運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，負(fù)載系數(shù)小于0.1時(shí)，效率70%左右，負(fù)載系數(shù)為0.2以上時(shí)，效率可達(dá)到99%。

1.1.2電動(dòng)機(jī)效率的影響因素

電動(dòng)機(jī)效率是電動(dòng)機(jī)輸出有功功率與電源輸入有功功率比值的百分?jǐn)?shù)。電源輸入的有功功率減去定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵損耗、機(jī)械損耗、附加損耗就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上輸出的功率。正常運(yùn)行范圍內(nèi)，鐵損耗、機(jī)械損耗變化很小，稱為不變損耗，定、轉(zhuǎn)子銅損耗與電流平方成正比，變化較大，稱為可變損耗。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的不變損耗等于可變損耗時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到最大。電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)子電流很小，可認(rèn)為輸出功率為零，電動(dòng)機(jī)效率為零。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，輸出功率增加，效率也增加。額定負(fù)載時(shí)，不變損耗等于可變損耗，效率最高，如果超過額定負(fù)載，可變損耗增大大于輸出功率增加，效率降低。

1.2水泵效率的影響因素

水泵效率是水泵有效功率與電動(dòng)機(jī)軸功率之比，水泵的有效功率P =pgQH/1000，其中，p為水的密度，g為重力加速度，Q為水泵流量，H為水泵揚(yáng)程。電動(dòng)機(jī)軸功率是電機(jī)傳給水泵軸的輸入功率，減去水泵內(nèi)的能量損失功率即為水泵的有效功率。影響水泵效率的主要原因是水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，存在著機(jī)械損失、容積損失和水力損失。機(jī)械損失是指泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與軸密封填料、軸承及葉輪表面與水體間等的摩擦消耗。容積損失是指泵內(nèi)水流經(jīng)高壓處經(jīng)縫隙向低壓處的內(nèi)漏和從軸封裝置等處的外漏造成的損失。水力損失是指水流進(jìn)入泵體后經(jīng)吸水室、葉輪流道等全部流程中的沿程損失和局部損失及水體本身在流程中擠壓、碰撞等造成的損失。水泵長(zhǎng)期運(yùn)行效率下降的原因：一是由于水流的沖刷，水泵流道內(nèi)壁和葉輪過水面變得粗糙不平，水泵內(nèi)流道的摩阻系數(shù)增大，水力損失增加。二是由于水質(zhì)硬度高等原因使泵殼內(nèi)嚴(yán)重積垢。泵殼內(nèi)積垢使泵殼壁厚增加，水泵內(nèi)壁形成垢瘤，泵體容積縮小，抽水量減少，并且流道粗糙，容積損失和水力損失增大。三是水泵汽蝕、磨蝕、腐蝕和化學(xué)浸蝕等原因造成泵流道內(nèi)產(chǎn)生空洞或裂紋，水流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生旋渦而造成能量損失，水力效率降低。四是由于泵運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)械不斷磨損，產(chǎn)生水量漏失和阻力增大使容積效率和機(jī)械效率降低。五是雜物纏繞或阻塞阻力增大，影響葉輪和泵軸轉(zhuǎn)動(dòng)，降低效率。

1.3管道效率的影響因素

影響管道效率的原因是管道輸水過程中主要的損失包括水頭損失和水量損失。水頭損失包括沿程水頭損失、局部水頭損失，主要與管道長(zhǎng)度、管道的內(nèi)管壁光滑程度和中間有無(wú)閥門、彎道及進(jìn)出口的形式和流速有關(guān)。管道水量損失是管道漏水造成。

1.4傳動(dòng)設(shè)備效率影響因素

機(jī)械傳動(dòng)效率主要與傳動(dòng)方式有關(guān)。機(jī)械傳動(dòng)方式通常有聯(lián)軸器、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等方式，不同的傳動(dòng)方式效率不同。

1.5進(jìn)出水池效率影響因素

影響進(jìn)出水池效率的因素主要是進(jìn)水池的形狀、尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)，或者進(jìn)出水池流道、導(dǎo)流設(shè)施不合理，導(dǎo)致池內(nèi)發(fā)生旋渦、回流，水流流態(tài)紊亂，水力損失較大。

2泵站各環(huán)節(jié)效率對(duì)泵站綜合效率影響的權(quán)重分析

泵站綜合效率是各環(huán)節(jié)效率的乘積。在不同的運(yùn)行狀態(tài)下，各環(huán)節(jié)效率變化范圍不同，對(duì)泵站綜合效率的影響大小不同。通過對(duì)各環(huán)節(jié)效率的影響因素分析可以得出，變壓器的效率隨負(fù)載系數(shù)變化很大，理論上可以從0到接近99%以上。電動(dòng)機(jī)的效率從空載到額定負(fù)載的變化可以從0至90%以上變化，一般異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下其效率為75%～92%。不同類型水泵的效率不同，正常使用和維護(hù)的情況下，水泵效率一般在65%～90%之間，大型泵可達(dá)90%以上。管道效率主要取決于管道的水頭損失，對(duì)于泵站來(lái)說(shuō)，管道長(zhǎng)度一般不長(zhǎng)，沿程水頭損失占揚(yáng)程的比例很小，泵站管道的進(jìn)出口處流速不大，進(jìn)出口局部水頭損失幾乎可以忽略，泵站管道能量損失很小，對(duì)泵站綜合效率影響不大。傳動(dòng)設(shè)備效率與傳動(dòng)方式有關(guān)，彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率0.99～0.995，帶傳動(dòng)效率0.97～0.98，鏈傳動(dòng)0.96～0.98，6至7級(jí)精度齒輪傳動(dòng)效率為0.98～0.998，泵站電動(dòng)機(jī)與水泵一般采用聯(lián)軸器直聯(lián)，傳動(dòng)設(shè)備的效率對(duì)泵站綜合效率影響不大。泵站進(jìn)出水池池內(nèi)水位的跌差一般不大，在泵站進(jìn)水池和出水池池內(nèi)水位跌差不大或相對(duì)于泵站揚(yáng)程可以忽略不計(jì)時(shí)，進(jìn)出水池的效率可以近似認(rèn)為100%[3]，因此進(jìn)出水池效率變化對(duì)泵站綜合系統(tǒng)效率影響較小。通過分析可以得出，對(duì)泵站運(yùn)行效率影響較大的是動(dòng)力設(shè)備的效率和水泵的效率，提高泵站效率的關(guān)鍵是加強(qiáng)對(duì)泵站動(dòng)力設(shè)備和水泵的運(yùn)行技術(shù)管理。

3提高泵站效率的運(yùn)行管理關(guān)鍵技術(shù)

3.1提高變壓器運(yùn)行效率

3.1.1調(diào)整變壓器負(fù)載率

在保證泵站過水量的前提下，通過變壓器并列或單獨(dú)運(yùn)行，可以調(diào)整變壓器的負(fù)載率，一般βm的值為0.5～0.77，當(dāng)達(dá)到0.8時(shí)，需要增大變壓器的容量，低于0.2時(shí)，考慮降低變壓器容量，提高變壓器的運(yùn)行效率。

3.1.2提高負(fù)載功率因數(shù)

利用同步電動(dòng)機(jī)無(wú)功功率補(bǔ)償特性，采用同步機(jī)和異步機(jī)組合運(yùn)行，可以大大減少無(wú)功功率，提高負(fù)載功率因數(shù)，提高變壓器運(yùn)行效率。

3.2提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率

提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率，一是確保電動(dòng)機(jī)和水泵功率合理配套。一般要求電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率應(yīng)大于0.7，在負(fù)載率低于0.5時(shí)，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整或更換。從運(yùn)行安全角度考慮，負(fù)載率也不一定要在額定負(fù)載下運(yùn)行，如繞線式異步電動(dòng)機(jī)采用同步化運(yùn)行時(shí)其最大允許負(fù)載率為0.85。二是清理電動(dòng)機(jī)內(nèi)的灰塵積垢，改善通風(fēng)，減小溫升。因?yàn)殡姍C(jī)線圈溫度升高，電阻增大，損耗增多，降低效率。三是經(jīng)常對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)，潤(rùn)滑軸承，減少摩擦，減少損耗，提高電動(dòng)機(jī)效率。四是異步電動(dòng)機(jī)可通過變極、變轉(zhuǎn)差率、變頻等方法實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

3.3提高水泵的運(yùn)行效率

提高水泵的效率，要從水泵選型、安裝、運(yùn)行等各方面著手，減少水泵運(yùn)行的機(jī)械損失、容積損失和水力損失。

3.3.1合理選擇泵型，使水泵運(yùn)行在高效區(qū)間

水泵設(shè)備的選型、制造、安裝合理是水泵高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。應(yīng)根據(jù)泵站工程的設(shè)計(jì)流量、揚(yáng)程和水泵的性能曲線選擇合理的泵型，使水泵在高效區(qū)間運(yùn)行。水泵的性能曲線，是水泵廠家根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的流量與揚(yáng)程、軸功率、效率、允許吸上真空高度或汽蝕余量等參數(shù)之間相互變化曲線，性能曲線中Q～η曲線上的最高點(diǎn)，是水泵運(yùn)行時(shí)的最高效率點(diǎn)。在日常運(yùn)行管理時(shí)，水泵很難達(dá)到完全在最高效率點(diǎn)上工作，一般在最高效率點(diǎn)左右下降5%～7%作為水泵的工作范圍，在滿足過水量的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行組合方式，避免進(jìn)水池水位過高或過低，使水泵在高效區(qū)間運(yùn)行。

3.3.2加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行管理和維護(hù)，及時(shí)處理缺陷

（1）提高設(shè)備安裝和大修質(zhì)量。水泵安裝或大修時(shí)，同心、水平、擺度、間隙等指標(biāo)的安裝精度要達(dá)到規(guī)范要求，填料函松緊適度，因水源泥沙含量較大造成葉輪磨損的，要及時(shí)修復(fù)磨損的葉輪，提高葉輪或泵殼及管道內(nèi)壁的光滑度。

（2）預(yù)防和減輕水泵汽蝕。水泵汽蝕的危害很大，產(chǎn)生汽蝕過程中，由于水流含有氣泡，破壞水流的正常流動(dòng)方向，減小了流道內(nèi)的過流斷面，可引起水泵流量、揚(yáng)程和效率的迅速下降，甚至達(dá)到斷流的狀態(tài)。氣泡潰滅時(shí)，水流高速?zèng)_向氣泡中心，產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊力，沖擊頻率可達(dá)2萬(wàn)～3萬(wàn)次/秒，沖擊力可達(dá)33～5700MPa，水泵產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲，造成水泵金屬表面塑性變形和硬化變脆，葉片擊穿，影響設(shè)備安全運(yùn)行。汽蝕預(yù)防應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生汽蝕的原因采取針對(duì)性的措施：一是進(jìn)水池水流要平穩(wěn)，流速均勻，避免出現(xiàn)旋渦。流態(tài)紊亂時(shí)，可通過改造進(jìn)水池、進(jìn)水流道等方法改善流態(tài)。二是對(duì)可以調(diào)節(jié)葉片的水泵，當(dāng)水泵偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，可通過對(duì)葉片角度的調(diào)節(jié)來(lái)改變水泵的運(yùn)行工況，使之與實(shí)際工況進(jìn)一步接近。三是運(yùn)行過程中避免進(jìn)水池水位過低，保證水泵進(jìn)水有足夠的淹沒深度。

（3）預(yù)防和減輕水泵磨蝕。水泵部件一直處在部件與水流、部件與部件的摩擦之中，減少磨蝕，提高抗磨蝕能力，可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。軸瓦和軸套是最容易發(fā)生磨蝕損壞的地方，預(yù)防軸瓦和軸套異常磨損，一是保證二者之間間隙合理，間隙太大運(yùn)行時(shí)振動(dòng)會(huì)較大，不能很好地約束異常偏大振動(dòng)。間隙過小潤(rùn)滑介質(zhì)不易進(jìn)入間隙，容易引起軸瓦與軸套的干磨，引起軸瓦與軸套損壞。二是使用抗磨損能力較強(qiáng)的部件。如水導(dǎo)軸瓦采用賽龍材料內(nèi)襯代替橡膠內(nèi)襯，軸頸采用硬度更大的材料或耐磨軸套。三是及時(shí)更換填料函處的封水填料，避免填料時(shí)間過長(zhǎng)浸泥變硬，增加對(duì)軸的磨損。

4結(jié)語(yǔ)

泵站的運(yùn)行效率與多種因素有關(guān)，在運(yùn)行過程中，需要抓住影響泵站效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，采取有針對(duì)性的設(shè)備運(yùn)行管理和維修方法，以實(shí)現(xiàn)泵站的高效運(yùn)行。一是變壓器、電動(dòng)機(jī)、水泵等主設(shè)備都有各自的運(yùn)行效率最高點(diǎn)，合理的負(fù)載率是變壓器和電動(dòng)機(jī)高效運(yùn)行的關(guān)鍵，合理控制運(yùn)行水位是水泵在高效區(qū)運(yùn)行的保證。二是不同機(jī)組的運(yùn)行方式組合，效率不同，應(yīng)根據(jù)過水量的要求，綜合考慮動(dòng)力設(shè)備和水泵高效運(yùn)行需要的水位、負(fù)載、同步和異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化組合等條件，制定合理的機(jī)組運(yùn)行組合方案并運(yùn)用。三是加強(qiáng)設(shè)備設(shè)施的維修維護(hù)和改造，通過針對(duì)性的維修維護(hù)管理技術(shù)，降低變壓器、電動(dòng)機(jī)、水泵等設(shè)備的能量損失，提高整個(gè)泵站的運(yùn)行效率。

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