農(nóng)業(yè)水利工程中高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗方法

韓曉娟

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730400）

我國西北等農(nóng)業(yè)灌溉水源較為缺乏的區(qū)域，一般為高揚(yáng)程提水灌區(qū)，當(dāng)?shù)靥崴谜狙b置利用效率普遍較低，能源消耗較高問題較為嚴(yán)重，不僅造成資源浪費(fèi)，同時(shí)不利于提高農(nóng)業(yè)種植人員的收入。因?yàn)樗Y源較為缺乏，生態(tài)環(huán)境承載力較弱，必須加強(qiáng)農(nóng)業(yè)灌溉工程建設(shè)。當(dāng)前部分高揚(yáng)程灌區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)備老化問題較為嚴(yán)重，外加技術(shù)水平不夠先進(jìn)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)提水泵站能耗處于較高狀態(tài)，為了落實(shí)節(jié)能減排目標(biāo)，則必須加強(qiáng)對節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化。

1 高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗的重要意義

高揚(yáng)程提水灌區(qū)在我國西北、西南等農(nóng)業(yè)區(qū)域中廣泛存在，尤其是在氣候干旱、常年降雨量較少的區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境較為惡劣，只能通過高揚(yáng)程提水泵站進(jìn)行灌溉。但是隨著高揚(yáng)程提水工程使用年限增長，許多提水泵站出現(xiàn)能耗較高的問題，需要采用科學(xué)的優(yōu)化方法，降低高揚(yáng)程提水泵站的能耗，其重要意義主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）提高農(nóng)民收入水平。在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，通過開展節(jié)水、節(jié)能以及降耗工作，結(jié)合農(nóng)作物生長的具體情況，采用相應(yīng)的灌溉措施，在滿足農(nóng)作物生長水資源的基礎(chǔ)上，能夠減少農(nóng)業(yè)種植成本，從而提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，對于鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的全面落實(shí)具有重要意義。2）提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。采用科學(xué)的節(jié)能降耗技術(shù)，將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)水利工程高揚(yáng)程提水灌區(qū)泵站改造中，能夠節(jié)省更多的渠道占地，從而增加可用耕地面積，最大程度減少農(nóng)田中的溝渠等基礎(chǔ)設(shè)施，擴(kuò)大農(nóng)作物種植區(qū)域，從而能夠有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。與此同時(shí)，采用噴灌、滴灌等灌溉方式，不需要提前對種植區(qū)域進(jìn)行土地平整處理，從而減少種植工作量，能夠有效降低農(nóng)業(yè)種植成本。3）促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)過程中，節(jié)能、降耗以及環(huán)保，一直以來都是農(nóng)業(yè)發(fā)展追求的目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，則需要對高揚(yáng)程提水灌區(qū)進(jìn)行節(jié)能降耗升級[1]。

2 高揚(yáng)程提水灌區(qū)泵站能耗較大的主要原因

本文以某高揚(yáng)程提水工程為例進(jìn)行分析。該工程位于河西走廊東部區(qū)域，是一項(xiàng)揚(yáng)程較高、流量較大且存在多梯級的高揚(yáng)程提水灌溉工程。該工程始建于1970 年，在1973 年正式投入使用，設(shè)計(jì)灌溉面積為31 000畝，實(shí)際灌溉面積為24 150畝；設(shè)計(jì)提水流量為1.4 m3/s，實(shí)際提水流量為1.0 m3/s，總裝機(jī)容量為11 180 kW，總揚(yáng)程為610 m左右。到目前為止，已經(jīng)建成的農(nóng)業(yè)灌溉提水泵站為12 座，主要負(fù)責(zé)當(dāng)?shù)毓麍@以及12 個(gè)自然村，超過17 000 畝的農(nóng)田，超過5 900畝綠化林木的灌溉任務(wù)。該高揚(yáng)程提水工程的建設(shè)，使得當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及林業(yè)的發(fā)展水平得到很大提升，有效改善了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件。但是在經(jīng)過多年的使用后，該高揚(yáng)程提水泵站出現(xiàn)了嚴(yán)重的設(shè)備老化問題，使得事故隱患逐漸增加。當(dāng)前泵站受到建設(shè)時(shí)的客觀條件影響，出現(xiàn)了耗能較高、工程效益不斷下降的問題。在對高揚(yáng)程提水泵站進(jìn)行節(jié)能降耗改造前，必須明確耗能高問題產(chǎn)生的主要原因。筆者根據(jù)對該高揚(yáng)程提水泵站的分析，總結(jié)如下幾項(xiàng)因素。

2.1 水泵規(guī)定揚(yáng)程高于實(shí)際

該高揚(yáng)程提水灌區(qū)大部分泵站建設(shè)時(shí)間較早，受到當(dāng)時(shí)客觀條件以及技術(shù)水平的影響，存在水泵型號和種類不全等問題，導(dǎo)致沒有合適的水泵型號可以選擇；沒有根據(jù)平均揚(yáng)程選擇合適的水泵，而是為了提高灌溉效率采用最大揚(yáng)程，還有部分水泵按照超大揚(yáng)程進(jìn)行選擇，比如某支桿泵站水泵型號為200D43*6，該水泵額定揚(yáng)程為260 m，但是水泵卻常年在120 m～150 m的揚(yáng)程范圍內(nèi)使用，水泵額定揚(yáng)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際所用揚(yáng)程，而較大揚(yáng)程的水泵運(yùn)行能耗高于較小揚(yáng)程水泵，從而導(dǎo)致水泵整體能耗較高[2]。

2.2 配套設(shè)施不夠完善

受到該高揚(yáng)程提水泵站建設(shè)時(shí)的條件影響，難以選擇合適的水泵機(jī)型，從而采用功率較高的動(dòng)力機(jī)，且許多泵站設(shè)備為臨時(shí)拼裝，缺乏完善的配套設(shè)施。同時(shí)，該泵站沒有按照所需要的實(shí)際功率采用相應(yīng)的動(dòng)力機(jī)，而是采用較為保守的備用系數(shù)，動(dòng)力機(jī)功率較大，水泵的配套功率較小，從而使得動(dòng)力機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的能源消耗無法轉(zhuǎn)換為實(shí)際所需，動(dòng)力機(jī)的運(yùn)行功率較高，是引起能耗較高的主要原因之一。

2.3 機(jī)組流量不匹配

該高揚(yáng)程提水灌區(qū)的泵站中，現(xiàn)有機(jī)組選型是按照當(dāng)時(shí)灌區(qū)的實(shí)際情況確定的，當(dāng)時(shí)農(nóng)作物主要是糧食，以小麥為主。小麥作物生長的需水量較大，且具有明顯的季節(jié)性特點(diǎn)，灌溉次數(shù)較少，單次灌溉水量較大，因此采用較大的流量機(jī)組。而經(jīng)過多年的發(fā)展，該灌區(qū)的農(nóng)作物結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，經(jīng)濟(jì)作物逐漸增多，現(xiàn)有泵站大部分流量機(jī)組已經(jīng)不符合農(nóng)作物灌溉需求實(shí)際情況。例如某水泵機(jī)組的配套設(shè)施為2臺14 sh-9 A水泵，流量為1 180 m3/h；1臺20 sh-9水泵，流量為2 015 m3/h。在需要對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉時(shí)，其他主干水泵經(jīng)過改造后都能夠采用較小流量的機(jī)組，而主干二機(jī)組依然為大流量機(jī)組，所種植的經(jīng)濟(jì)作物單次需水量較少，需要采用少量多次的灌溉方式，而主干二泵每次灌溉因?yàn)榱髁枯^大，從而導(dǎo)致消耗的能量較大，且會(huì)引起灌溉水超出所需的問題，對農(nóng)作物生長會(huì)產(chǎn)生很大不利影響。高揚(yáng)程提水泵站與實(shí)際所需灌溉流量不匹配的問題，是引起高揚(yáng)程提水灌區(qū)能耗較高的主要因素，所以在對其進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要充分考慮到高揚(yáng)程提水泵站與實(shí)際所需灌溉水量之間的關(guān)系。

2.4 泵站管路運(yùn)行效率較低

因?yàn)樵摳邠P(yáng)程提水灌區(qū)泵站管道使用年限較長，所以存在運(yùn)行效率較低的問題，且已經(jīng)發(fā)生過多次管道爆裂事故。該灌區(qū)的泵站壓力管道為800 mm 鑄管，質(zhì)量已經(jīng)難以達(dá)到要求，銹蝕問題較為嚴(yán)重，導(dǎo)致管道斷裂問題頻繁發(fā)生；部分鋼管的管壁已經(jīng)從原有80 mm 厚度，變?yōu)?0 mm 左右厚度；且管道整體長度較長，具有多處彎頭，在較大的供水壓力下，導(dǎo)致高揚(yáng)程提水泵站運(yùn)行能耗無法降低，整體能耗偏高。該問題較為突出，且尚未制定科學(xué)有效的解決方法。

3 高揚(yáng)程提水灌區(qū)泵站節(jié)能降耗有效方法的分析

通過上文的分析可以看出，當(dāng)前該高揚(yáng)程提水灌區(qū)泵站存在能耗較高的問題，且受到的影響因素較多。為了促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高農(nóng)民收入水平，同時(shí)促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，需要對該老舊高揚(yáng)程提水泵站進(jìn)行改造。因?yàn)楦邠P(yáng)程提水泵站的裝置效率由水泵、機(jī)組、管道以及進(jìn)水池和傳動(dòng)效率的乘積決定，所以在對其進(jìn)行節(jié)能降耗改造前，需要分別計(jì)算出動(dòng)力裝置、管道以及進(jìn)水池的運(yùn)行效率。運(yùn)行效率的計(jì)算公式為η站=η動(dòng)*η泵*η管*η池，η站越高則說明高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗效果越好，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的功率變化，都可能引起其他環(huán)節(jié)的運(yùn)行效率變化，因此改造措施需要結(jié)合該高揚(yáng)程提水泵站的實(shí)際情況。依據(jù)該高揚(yáng)程提水灌區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)如下幾項(xiàng)有效的節(jié)能降耗優(yōu)化改造措施。

3.1 提升動(dòng)力機(jī)運(yùn)行效率

高揚(yáng)程提水灌區(qū)電力工程中，動(dòng)力機(jī)的主要形式為電動(dòng)機(jī)站，通過提高電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率能夠有效提升節(jié)能降耗實(shí)際效果。在優(yōu)化過程中，除了從設(shè)計(jì)制造方面加以優(yōu)化，同時(shí)采用如下幾項(xiàng)有效的改造措施：1）機(jī)組配套優(yōu)化。機(jī)組配套功率的備用系數(shù)不能過大，由于在電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低的情況下，其運(yùn)行效率較低，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行功率也會(huì)因此降低，將導(dǎo)致輸電線路和變壓器損耗增加，所以需要避免大功率設(shè)備帶動(dòng)小流量機(jī)組的問題發(fā)生。但是配套功率的配用系數(shù)不能過小，不然會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷較大，從而縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命。通常情況下，電動(dòng)機(jī)的效率曲線需要保持在1.0～1.7范圍內(nèi)。從節(jié)能降耗的角度來看，效率系數(shù)為0.8 時(shí)最佳，所以需要將該高揚(yáng)程提水泵站的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率調(diào)整為0.8左右。2）優(yōu)化電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在不降低電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)效率的基礎(chǔ)上，為了保證高揚(yáng)程提水泵站運(yùn)行效率更高，則需要采用優(yōu)化電動(dòng)機(jī)繞組接線的方法，將“△”接線方法改變?yōu)椤癥”接線方法，同時(shí)選擇最為先進(jìn)的產(chǎn)品，確保所選擇產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)輔以日常檢修工作，能夠有效提高電動(dòng)機(jī)自然功率因數(shù)，從而降低高揚(yáng)程提水泵站運(yùn)行能耗[3]。

3.2 提高水泵運(yùn)行效率

為了有效保障高揚(yáng)程提水泵站節(jié)能降耗改造效果，需要對水泵的運(yùn)行效率與水泵設(shè)計(jì)制造水平進(jìn)行優(yōu)化，主要方法包括：1）在對水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，需要使得葉片流道斷面發(fā)生突變的問題減少，從而減少脫壁漩流與二次回流問題；需要對葉片和導(dǎo)葉，葉輪和進(jìn)水室、出水室，葉輪與隔舌等構(gòu)件的相互配合進(jìn)行優(yōu)化，減少不穩(wěn)定流動(dòng)的問題發(fā)生；提升過流區(qū)域的加工精度，從而減少葉輪、導(dǎo)葉等區(qū)域的摩擦阻力損失。通過對水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效減少水力損失，使其功率效果能夠最大化發(fā)揮，從而降低功耗。2）在水泵的選型方面，需要按照水泵性能曲線與配套管道系統(tǒng)的曲線，明確水泵運(yùn)行的平均揚(yáng)程、最大揚(yáng)程時(shí)的功率參數(shù)，保證水泵大部分時(shí)間都處于最大揚(yáng)程的高效運(yùn)行區(qū)域中，從而能夠有效提高水泵運(yùn)行電力消耗利用率。同時(shí)，水泵在平均揚(yáng)程范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)以及在高效區(qū)域運(yùn)行時(shí)，確保水泵能夠保持平穩(wěn)運(yùn)行，避免出現(xiàn)較大的運(yùn)行波動(dòng)；針對當(dāng)前揚(yáng)程與功率不匹配的水泵，需要對其進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化改造；若水泵工作性能參數(shù)與實(shí)際需求不符合，則水泵將會(huì)長期處于低效率區(qū)域運(yùn)行，針對該問題可以應(yīng)用改變水泵性能缺陷的方式，將工作重點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而能夠有效改變水泵性能曲線，降低能耗[4]。3）在運(yùn)行管理方面，需要保證高揚(yáng)程提水水泵依據(jù)最優(yōu)的方案運(yùn)行，防止出現(xiàn)水利損失過大的問題。同時(shí)，因?yàn)槠g或泥沙磨損等，會(huì)導(dǎo)致水泵葉輪出現(xiàn)變形，當(dāng)發(fā)現(xiàn)該問題時(shí)，需要立即對其進(jìn)行維修、更換；水泵變速、變角以及變徑等調(diào)整都需要保證在允許范圍內(nèi)，若水泵工作點(diǎn)性能與實(shí)際需求相差較大，或葉輪等構(gòu)件出現(xiàn)損壞，需要更換新的零部件保證水泵運(yùn)行正常，從而能夠提高水泵能耗利用率[5-6]。4）需要加強(qiáng)對水泵的日常維修和保養(yǎng)工作，因?yàn)樗迷诮?jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，葉輪等必然會(huì)出現(xiàn)磨損，使得能量損失問題加劇。所以為了提高水泵運(yùn)行效率，需要加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)工作，定期更換磨損嚴(yán)重的內(nèi)部構(gòu)件，其中容易發(fā)生磨損的構(gòu)件為葉輪以及軸承等。

3.3 提高高揚(yáng)程提水水泵管路運(yùn)行效率

提高管路運(yùn)行效率，是降低高揚(yáng)程提水水泵運(yùn)行能耗的有效方式，所以在本次對高揚(yáng)程提水灌區(qū)的水泵節(jié)能降耗優(yōu)化過程中，采用如下幾項(xiàng)方法：1）確定合適的管徑。管道作為高揚(yáng)程提水水泵的重要組成部分，對于高程投資和節(jié)能效果具有很大影響。在管徑增加的情況下，管道阻力則會(huì)減少，耗電量以及年運(yùn)行成本將會(huì)降低，但是一次性投資會(huì)增加；相反，管道直徑如果減小，管道內(nèi)阻力會(huì)增加，水力損耗會(huì)隨之而提升，年運(yùn)行成本提高，但是一次性投資總量會(huì)有所降低。因此，在對高揚(yáng)程提水水泵管徑進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際投資情況，按照節(jié)能降耗的設(shè)計(jì)方案確定最佳的管徑，依據(jù)高揚(yáng)程提水泵站運(yùn)行費(fèi)用和管路投資情況，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在選擇管路時(shí)，需要采用良好的方案，對流速進(jìn)行有效控制，通常情況下需要控制在1.5 m/s～3.0 m/s，同時(shí)可以采用玻璃夾紗管等降低管道損耗；鋼管具有韌性較好、耐壓性較好的特點(diǎn)，但是容易受到腐蝕，所以需要做好防腐處理。2）合理規(guī)劃管道長度。通常情況下，管道長度越長，管道運(yùn)行效率越低，產(chǎn)生的能耗則越高，所以需要盡量縮短管道長度，從而減少整體投資，同時(shí)節(jié)約電力能源；進(jìn)水管道和出水管道長度需要盡量縮短，并減少彎頭的使用[7-8]。

3.4 提高進(jìn)出水池運(yùn)行效率

1）需要對當(dāng)前高揚(yáng)程提水水泵中不合理的進(jìn)出水池進(jìn)行改造，主要是對尺寸以及形狀進(jìn)行優(yōu)化，減少池內(nèi)出現(xiàn)旋渦、回流以及脫壁等問題，從而提高進(jìn)出水池運(yùn)行效率，提高電力能源使用率，減少不必要的電力能源浪費(fèi)問題發(fā)生。2）需要做好進(jìn)出水池的維護(hù)管理工作，定期清除進(jìn)出水池內(nèi)部雜物，防止雜草、漂浮物等影響進(jìn)出水池運(yùn)行效率。在沒有雜物的情況下，高揚(yáng)程提水水泵整體運(yùn)行效率則能夠提升，減少電力能源消耗[9-10]。3）需要保證水泵具有一定的研磨深度，因?yàn)樗礂l件的變化會(huì)使得進(jìn)出水池的水泵吸入管口最小淹沒深度降低，導(dǎo)致旋渦問題出現(xiàn)，所以需要保證具有充足的淹沒深度，避免該問題發(fā)生，從而能夠有效提升高揚(yáng)程提水水泵運(yùn)行效率，這是節(jié)能降耗的有效優(yōu)化方法。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文全面闡述了農(nóng)業(yè)水利工程中高揚(yáng)程提水水泵節(jié)能降耗的重要意義，并結(jié)合某高揚(yáng)程提水工程的具體情況，對其能耗較大的原因進(jìn)行分析，最后提出多項(xiàng)有效的節(jié)能降耗優(yōu)化方法，希望能夠?qū)Ω邠P(yáng)程提水灌區(qū)泵站改造工程起到一定的借鑒和幫助作用，不斷提高節(jié)能降耗水平。