大型泵站系统节能途径分析

2021-06-25范嘉维

水电站机电技术 2021年6期

范嘉维

（肇庆市鼎湖区机电排灌管理站，广东肇庆 526070）

1 引言

20世纪60年代以来，随着泵站效率和能耗的长期深入研究，形成了完整的理论体系。在泵站工程规划设计的科学研究中，人们只关注泵、泵组或泵站的效率，泵组件仅包含泵扇形区和进出口通道或管道[1]。泵站效率等于电动机效率、传动效率、泵组效率和进出水池效率的乘积。研究范围扩大，但泵站效率不能充分反映泵站的整体效率和泵站系统的总能量经济性能。研究大型泵站系统的能耗和节能潜力，可以提高泵站系统的设计水平，充分发挥工程效率，将带来可观的经济效益和社会效益[2，3]。

2 泵站系统

大型泵站的能耗设备和流量设施通常包括主泵、电动机、传动机构、进出口通道及其附件、前池和出水池。事实上，为了输水，其他机电设备、金属结构（如油、气、水辅助设备、起重机、拦污栅、清污设备）和照明设备也是必不可少的。以上为泵站能耗设备及设施。从更广泛的角度来看，一方面需要特殊的输电设施来提供大量的能源。另一方面，水源水要通过河流或管道输送到目的地一定距离。因此，从制度上看，要完成从水源地到目的地的调水任务，输电、泵站和输水设施要齐心协力。

2.1 能耗分析

按照能量转移顺序，能量从外部的变电站通过专用高压输电线路转移到泵站的主变电站，然后沿供电电缆转移到主电机和辅助设备等。因此，对于泵站系统，一部分功率是有用的有效功率，另一部分功率转化为传输损耗、变压器损耗、变频损耗、电机损耗、传输机构损耗、主泵损耗、通道损耗、水池损耗、厂用变压器损耗、辅助设备能耗、输水损耗等。

2.2 有效功率

对于泵站系统，假定源水位为z0（m），源流量为Q0（m3/s），目的水位为z1（m），目的流量为Q1（m3/s），则有效功率Pe（W）为：

式中，ρ为水的密度，kg/m3；

g是重力加速度，m/s2。

2.3 输水渠道能量损失

在河道或河流的输水过程中，不可避免地会产生水损失和水力损失。水损失和水力损失是由泵站提供的外部工程损失。河流因渗漏和蒸发造成的水量损失，是指起始侧总流量与末端侧净流量之差。河流或河道的水头损失是指起始侧和终止侧的水头差。因此，河流或河道的能量损失是相应起始侧和结束侧之间的功率差。

2.4 泵站能耗

(1)池塘和通道的能量损失。当水流经过泵站前后的前池和出水池时，由于水流面积的减小和扩散，会产生局部漩涡和水流脱落，造成水头损失。其值等于泵总成扬程减去泵站扬程。当水通过进出口通道时，由于转弯、断面形状变化和水泵的影响，断面流速分布不均，会产生非轴流、规则流和附加水头损失。同时，流型也会影响泵和泵总成的性能。

(2)泵的能量损失。在泵轴功率传递过程中，要克服机械损失、水力损失和容积损失。泵效是衡量泵性能的重要技术指标。

(3)传动机构的能量损失。如果驱动装置直接连接泵和电机，则传动机构中没有能量损失。齿轮传动箱在使用过程中会产生能量损失，主要是由于齿轮啮合的摩擦损失、搅拌润滑油的阻力损失和轴承的摩擦损失。齿轮箱传动效率与传动比、电机转速和传动功率有关，一般为96%～98%。

(4)电机能量损失。电动机的能量损耗包括铁损耗、铜损耗、机械损耗和杂散损耗。电机效率与功率因数和负载率有关，平均值为92%～95%。

(5)变频器能量损耗。变频器的能量损耗包括整流损耗、逆变损耗和控制电路损耗。其中，前两项约占亏损总额的90%。在一定频率下，负载电流对变频器的损耗起着决定性的作用。

(6)站内能耗。站内用电设备主要为辅助设备，保证主泵正常工作。通常包括励磁变压器、给水泵、排水泵、风机、压力油泵、空压机、拦污栅及清污设备、照明设备等。这些设备中，有的连续运行，有的间歇运行，运行时间也不同。因此，在不同的时间间隔，功耗是不同的。同时，不同泵站的辅助设备及其运行方式也不尽相同。

2.5 输电能量损失

（1）变压器损耗。在实际运行条件下，变压器损耗额定为空载损耗Pkz和负载损耗Pfz，在额定条件和实际容量S下，即：

式中：Se是变压器的额定容量，kVA。

变压器效率ηb是变压器输出功率与输入功率之比，即：

式中：β是变压器的负载率，β=S/Se。

（2）传输损耗。输电损耗与电流、电缆长度、电缆材料、截面积等参数有关。输电电缆分为两部分。一部分由厂外变电所至主变电所，另一部分由主变电所至站内主电机等电气设备。

3 泵站系统节能途径设计与选择分析

（1）输水渠道。选择河道时，要求河道平、直、短、弯道少、断面经济、土质好，以减少水土流失。尽量利用现有河流减少土方量。新建渠道应考虑对周边环境和建筑物的影响。因此，有必要从技术和经济两个方面对既有渠道与新挖渠道进行比较。

（2）前池和出水池。前池和出水池的形状和尺寸设计应合理，否则会引起漩涡、回流、壁面脱落等不良水力现象，导致前池和出水池效率降低。

（3）入口和出口通道。进出口通道的设计对工程投资、运行费用和节能降耗具有重要影响。流线应平滑均匀变化，流速应经济。增大断面面积，不仅可以降低流动阻力，而且可以降低能耗和年运行费用，但一次性投资会增加。相反，如果截面面积减小，则流动阻力和功耗会增加，但投资会减少。因此，通道的设计应短、弯头少、粗糙度低、不必要的附件少。

（4）泵的选择。根据泵的性能曲线和进出口通道特性曲线，对泵的工作参数进行平均、最高和最低扬程的校核。要求泵站在平均扬程下高效运行，在最高扬程和最低扬程下安全稳定运行。对于扬程和流量变化较大的泵站，应根据不同的输水目标配置水泵叶片或调速机构来调节运行工况。

（5）电机选择。当电机转速与泵相接时，可采用直接驱动。当泵的运行方式变化较大，电机不能调速时，应采用间接传动。如果电动机的备用系数过大，其效率就会降低。同时，电机的功率因数会降低，导致输电线路和变压器损耗增加。备用系数也不宜太小，否则电机会过载运行，缩短其使用寿命。

（6）调节模式选择。对于所有的叶片泵，其工作负荷可以通过调节频率来调节。但是变频装置很贵，从控制方式、安装、电压等级、调速范围、精度等方面进行分析，变频装置的容量应不大于过载能力。对于带有叶片调节机构的泵，其工作职责可以通过调整叶片角度来调节。对于不同的叶片调节方式，其调节功能、结构、成本、可靠性和调节力都不尽相同。对于具体的泵站和泵型，应综合考虑多种因素，选择合适的调节方式。

（7）输电。对于高压、输电距离较短的泵站，高压线路可直接从厂外变电所接入。否则，需要单独建设变电站。

输电线路的功率损耗与输电方式、电压等级、电流、电阻和电缆长度有关。假定所有机组均在额定功率下运行，电机效率95%，功率因数0.9，泵站房内2台800 kVA变压器满负荷运行，计算出不同送电方式和电压等级下的输电线路损耗，并对其进行了计算，结果见表1。

表1 不同传输方式和供电电压等级下的传输线损耗

由表1可知，110 kV架空线路的输电损耗与供电电压无关，与线路电阻、线路长度和泵站系统负荷有关。对于电缆传输，损耗与电源电压有关。电压等级越高，损耗越小。110 kV架空线路的输电损耗是6 kV架空线路的0.003倍，是6 kV或10 kV电缆的0.065倍或0.181倍。为了减少输电损耗，输电线路不能太长。

由于架空线路采用裸电线，在不考虑绝缘情况下，架空线路价格低于电缆。在架空线路的高压走廊下，禁止修建经常有人走动的建筑物。电缆运行可靠，无需维护和杆塔。因此，对于高价值土地，有必要从技术和经济方面考虑选择电缆或架空线路。

选择变压器时，实际负荷应接近设计的最佳负荷。一般情况下，变压器的负载率为60%～70%。大容量将增加输电线路的损耗。如前所述，在一定负载率下，Pkz和Pfz越小，效率越高。

4 经营管理

（1）输水渠道。输水损失与河流长度、断面尺寸、形状、糙率、岸坡植被、流量、土壤等因素有关。为减少渠道失水，应加强渠道管理，减少孔口、裂缝和渗漏。对于土质不良的渠道，应采取加固措施。对于泥沙严重的河道，应进行疏浚，以减少水力损失。

（2）变压器运行。对于给定的变压器，Pkz和Pfz的值是确定的，效率ηb由负载率β决定。在式（3）中，取带β的导数，使之等于零，则，即当负载损耗等于空载损耗时，变压器效率最高。在实际运行中，通过合理调整变压器负荷可提高效率。

以某大型泵站为例，变压器安装方案有两种，一种为2万kVA变压器（4台电动机供电），另一种为2万kVA变压器（每台变压器2台电动机供电）。由于10 000 kVA变压器损耗的额定损耗小于20 000 kVA变压器，当负载小于3 524.5 kW时，10 000 kVA变压器的效率高于20 000 kVA变压器。相反，当负荷大于3 524.5 kWW时，10 000 kVA变压器的效率低于20 000 kVA变压器。

变压器损耗见表2，可以看出，对于运行功率较小的泵站，小容量变压器损耗较低，小容量变压器比较合适。另外，对于运行功率较大的泵站，大容量变压器损耗较低，适合采用大容量变压器。

表2 两种变压器损耗单位：kW

（3）最佳操作。对于大型泵站，可以通过调节转速来调节泵的工作负荷；对于叶片可调的轴流泵，可以通过调节叶片角度来调节泵的工作负荷。以泵组效率最高或机组运行费用最低为目标，与设计方案相比，优化运行方案的费用节省2%～9%。对于包括输水渠道和输电设备在内的泵站系统来说，优化运行问题更为复杂，节能效果更为显著。