农村小型泵站系统节能优化设计关键技术综述

沈强儒，张建国，曹 慧，吕玉婷，杨 帆

(1.南通大学 交通与土木工程学院，江苏 南通 226019； 2.南通市通州区水利局，江苏 南通 226399； 3.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

0 引 言

小型泵站系统主要应用于我国广大农村地区的灌溉工程，在推进我国农村地区农业和经济发展中，发挥着举足轻重的作用。然而，在小型泵站系统的使用过程中，依然存在着许多问题[1-3]。例如，关键技术不成熟、配套设备不完善、管理维护不及时以及使用年限无标准规定等[4-6]。除此之外，还存在更严重的系统损耗过高等问题，严重影响小型泵站系统的使用效率，从而造成大量能源的浪费[1,7]。

农村小型泵站系统包括三大部分：输变电设施(输电线路、主变压器和配电线路等)、小型泵站(电动机、传动装置、水泵、进出水管道和进出水池及前池等)和输水渠道(输水渠道、涵洞等)[8-9]。农村小型泵站系统组成复杂，不合理的设备设计方案直接影响其工作效率。截至2019年底，我国已建成约70×104座农村小型泵站，然而当前小型泵站系统使用效率仅为50%～60%，这种现象造成严重的能源浪费和经济损失[4,10-12]。因此，提高农村小型泵站系统使用效率是当前亟需解决的技术问题。应当全面研究小型泵站系统各部分组成能耗特性以及各环节对系统能耗和效率的影响，对整个泵站系统作出更优化设计，这在提高系统运行效率上具有重大意义[8-9,13]。我国农村地区发展不平衡，资源和社会环境差异大，全面分析农村小型泵站系统(水泵、电动机、传动装置以及管道系统等)能耗，对于指导小型泵站节能改造方案的设计和提高系统节能改造成效来说具有重要的现实意义[8,14-16]。本文综述了我国农村小型泵站使用现状，分析了导致其使用效率底的根本原因，并针对性地探讨了农村小型泵站系统节能优化设计的关键技术，以期为我国农村小型泵站系统的设计和使用效率的提高提供借鉴。

1 农村小型泵站系统能量损耗分析

农村小型泵站系统由输变电设备(输电线路、主变压器和配电线路等)、小型泵站(电动机、传动装置、水泵、进出水管道和进出水池及前池等)和输水渠道(输水渠道、涵洞、水闹等)三大部分组成[6,16-19]。小型泵站工作过程中，线路传输和能量转换等原因均会导致其组成部件发生能量损耗(输电、变电和配电损耗功率等，见图1和表1)，进而导致小型泵站系统使用效率大打折扣[19-21]。

图1 农村小型泵站能量传递与损耗[25]

表1 小型泵站系统能量损耗[10,11,16,21-26]

续表1

2 农村小型泵站系统效率分析

农村小型泵站系统能量损耗为各部分损耗(水泵、电动机、管道系统和传动装置)之和，小型泵站系统能量损耗、泵站能耗和小型泵站总效率分别见式(1)-式(3)[11,16,18,25]：

(1)

ΔPbz=ΔPpo+ΔPra+ΔPp+ΔPpi+ΔPtm+ΔPmot+ΔPzn

(2)

(3)

式中，ΔP、ΔPbz和ηxt分别为小型泵站系统能量损耗(kW)、泵站能耗(kW)以及小型泵站总效率(%)；ΔPte、ΔPtf、ΔPtw、ΔPbz和ΔPtw分别为输电线、变压器、输水渠和泵站能耗，kW；Qi为第i台水泵流量，m3/s；n为工作水泵数量；Hst为泵站扬程，m；ΔPpo、ΔPra、ΔPp、ΔPpi、ΔPtm、ΔPmot和ΔPzn分别为泵站前池、进出水池、栏污栅、水泵、管路、电动机、站用电以及为电网向泵站输送功率，kW。

3 农村小型泵站节能优化关键技术分析

根据对农村小型泵站系统的能耗及效率分析，其节能关键技术方案的设计主要从水泵、电动机、传动装置和管道系统4个组成部分着手，再结合泵站管理与节能，从整个泵站系统角度研究小型泵站系统节能关键技术，为小型泵站节能改造方案的制定提供技术指导和理论依据，实现可观的经济和社会效益[6,12,18-19,27]。节能优化要点分析见表2，技术流程图见图2。

表2 小型泵站节能优化关键技术分析[11,16,25,28-33]

图2 农村小型泵站系统节能优化设计关键技术流程图

3.1 水泵节能优化设计

泵系统是小型泵站系统的核心组成，泵系统节能是实现小型泵站系统节能的关键环节之一[25-26,28-29,32,34]。关于泵系统的节能优化设计，主要从以下几个方面着手[10,11,24,32,35]：①水泵的合理选型[11,16]。选择合理的水泵型号是确保泵系统高效运行的前提，其型号包括立式污水泵、潜水排污泵和轴流泵等。水泵的选择原则上在保证其扬程与流量安全前提下，满足排水需求和可持续高效运行即可。另一方面，水泵选型后还要保证几何安装高度的合理性，避免受汽蚀因素影响而造成限制流量增加，导致水泵安装效果达不到设计要求。②水泵运行效率的提高[12,27]。可以通过调整叶片安装角改变水泵调速，进而提高水泵运行效率。③确保水泵淹没的深度[36-37]。在水泵使用过程中，保证其淹没深度，以保证水泵安全运行。④定期检查[22,28]，及时更换水泵磨损零部件等，以确保水泵长期安全运行。

3.2 电动机节能优化设计

电动机节能优化设计应从以下3方面着手：首先，电动机调速技术可为水泵系统节能开辟新途径，通过控制电动机转速适应水量和水压的变化，从而使水泵高效工作，达到节约能耗的目的[6,11,24-25,27]。水泵调速和流量的关系见图3。常用的调速方式包括变极对数调速、变频调速和可控硅串级调速等，在电动机节能运转设计时应注意检测电动机内外扇和负载机械的固有频率，以及脉动转矩的谐振，从而决定运转范围。其次，应考虑离心力问题，对于调速频繁和重复加速度设备，应该严格计算材料疲劳极限和安全性。其工作特性见图4。最后，应该合理选择电动机容量，其容量应和水泵型号配套，采用优质导线材料适当增加电动机容量。

图3 水泵调速和流量关系[4]

图4 电动机工作特性[16]

3.3 传动装置节能优化设计

传动方式的选择是否合理直接影响传动效率[5,25,28]，因此应合理选择小型泵站传动装置的传动方式。当前常用传动装置包括齿轮箱传动、液力亲合器传动、联轴器传动和皮带传动等，然而由于齿轮传动经济性较差以及液压耦合传动能耗大等缺陷，小型泵站一般选用皮带传动和联轴器直接传动方式。皮带传动节能应考虑选择提升皮带、高负荷用楔式型皮带以及低棱皮带等节能型皮带，另外还应该合理选择轮径和皮带松紧度。对于传动方式的选取，当转速满足水泵运行时，应选用直接传动方式；若水泵工况变化较大，动力机无法满足调速要求时，应选用间接传动方式。

3.4 管道系统节能优化设计

管道是泵站的重要组成部分，在工程投资、运行费用及节能方面均有较大影响[6,24-25]。首先，应该合理控制管道管径。管道阻力随管径增大而减少，耗电量和年运行费用降低；相反，缩小管径，则管道阻力增大，损耗增大。因此，应选用新型管材，采用经济管径，控制经济流速(1.5～2.5 m/s)。其次，应该尽可能减少弯头设置。进水管、出水管的长度应最大限度地缩短，减少弯头，减小管道内壁的粗糙度。管路附件的局部阻力系数很大，运行时必然会消耗大量的能量。因此，应尽量减少不必要的管路附件。最后，应该保证管路的密封性，进而提高管路效率。

3.5 规范泵站管理与节能

规范农村小型泵站管理[4,11,16,25]：①泵站群级间的优化组合运行，首先以泵站为最小单元组合形式，以耗能最小的准则建立数学模型，运用优化运行算法求解，最后根据优化运行结果确定出最优的泵站组合。②及时清除泵站系统内污染物，由于小型泵站中存在大量污染物且其组成较为复杂，严重影响泵机组安全运行和工作效率，应定期检查泵站系统内是否存在污染物，并及时清理，防止污染物导致泵效率降低，或者导致电机过负荷产生堵转事故。③加快经营管理体制的改革，积极推进农村机电排灌泵站管理体制以及运行机制。④逐步建立产权清晰、权责明确、管理科学的机电排灌管理体制和良性运行机制。⑤建立适应泵站的管理体制，积极推行和完善经营管理责任制，综合推进人事、工资、奖惩、财务等方面的改革，甚至可以引入竞争机制以提高泵站使用效率。

图5所示的自律协调型责任管护推进模式的主要内涵是通过从农民自身角度提高泵站工程的能耗节约和长期运行，竞争机制的内核是增强用户节约的意识和主动性，突出从根源上解决能源浪费问题。

图5 自律协调型责任管护推进模式流程图[25]

4 建 议

目前，随着国家对能源政策的束紧以及农村地区泵站节能需求的增长，对小型泵站系统进行节能优化设计和规范泵站管理，是解决当前农村地区小型泵站能耗高的关键举措。对此，提出以下具体建议：

1) 合理选型，确保系统运行经济型。泵站选型需要综合考虑多因素，对其节能效果实施不断完善，提高泵机使用效率，积极引入等扬程加大流量法进行水泵选型，从而使其在工作过程中发挥最大的节能效果和使用效率。

2) 提高电网功率，选择合适变压器。慎重考虑变压器功率，确保在满载情况下仍可正常运行，还应考虑其临界负荷值，提升变压器可靠性和适用性。

3) 加强泵站线路检查和维护。应定期对设备进行检查，维护。日常维护过程中应确保设备干净整洁，确保设备正常运行和安全性。