郑州市南水北调配套工程典型泵站经济运行的探讨与实践

沈 涵 车奇星 李建洲 马伶莉 付守庆 冯志刚 李陆生，2

1.中州水务控股有限公司 河南郑州 450000；2.华北水利水电大学水利学院 河南郑州 450046

我国地域辽阔，针对水资源在时空上分布不均匀的现状，我国兴建了大量的跨流域、远距离调水工程。南水北调中线工程作为一项具有重大战略意义基础性跨流域调水工程，对于缓解我国北方水资源短缺现状、促进水资源的区域性优化配置具有意义。据统计，截至2021年3月1日，南水北调中线工程已向郑州市区累计供水20.52亿立方米，“南水”已成为郑州供水的主要水源，供水范围占郑州市总人口的90%。要想用上“南水”，要靠供水配套工程在干渠和水厂之间“牵线搭桥”。

目前，郑州南水北调配套工程各口门泵站均已投入使用，泵站工程是调水工程的主体工程，具有装机容量大、提水量多、运行时间长和能源消耗大等特点。目前我国大部分泵站未能实现现代化管理运行，往往由于调度不当导致能源消耗较大，运行成本较高，无法实现经济安全的目标。河南省南水北调工程有众多分水口门泵站，特别是郑州市供水量巨大，为保证工程运行经济成本，本文通过长期统计南水北调郑州段配套工程典型泵站机组单位供水量和运行机组组合情况，计算出合理、经济的机组安全运行方案，大大降低了电耗，节约了郑州市南水北调泵站的工程运行成本。

一、基本情况

河南省南水北调供水配套工程上接南水北调中线总干渠，下连城市水厂，担负着承上启下的输水任务，是南水北调工程在河南省发挥效益的关键，其中建提水泵站22座(18处)，向河南省的11个省辖市91座城市水厂供水。郑州市南水北调配套工程涉及其中7处泵站，分别为19号李垌、20号小河刘、21号刘湾、22号密垌、23号中原西路、24号前蒋寨、24-1号蒋头泵站。其中，19号泵站位于新郑市新村镇李垌村附近，分别向老观寨水库、望京楼水库充库，水泵机组共4台，总装机860kW；20号泵站位于航空港区滨河办事处小河流村附近，包括1#、2#泵房，主要是向港区第一水厂和港区第二水厂供水，共9台机组，装机容量2800kW；21号泵站位于郑州市管城区刘湾村附近，主要向刘湾水厂供水，共5台机组，装机容量1575kW；22号泵站位于郑州市二七区密垌村附近，主要是向尖岗水库供水，共4台机组，装机容量5000kW；23号泵站位于郑州市中原区中原西路，主要向柿园水厂和常庄水库供水，共8台机组，装机容量1580kW；24号泵站位于荥阳市豫龙镇前蒋寨村附近，主要向罗垌水厂供水，共5台机组，装机容量1250kW；24-1号泵站位于荥阳市王村镇蒋头村附近，主要向上街水厂供水，共3台机组，装机容量2400kW。本文以20#和21#泵站为例，介绍郑州市南水北调配套工程泵站运行管理存在的问题及其改进措施。

二、存在的问题与改进措施

以20#、21#泵站为例，20#泵站1#泵房变频机组原先大部分时段工作频率为35～40Hz，出水量为350mm/h左右，仅为额定流量的1/10。20#泵站2#泵房日供水量4万mm左右，运行模式为早上9点运行定频机组(额定流量2300mm/h)，下午5点再开一台变频机组(频率37Hz时，定频机组加变频机组额定流量共计3380mm/h)，晚上9点泵房停机。21#泵站变频机组原先大部分时段工作频率为35～40Hz，每小时出水量约3000mm，仅为额定流量的2/3。

表1 20#、21#泵站原先运行情况表

上述运行模式不仅效率低，不利于机组安全运行，还会造成机组震动、噪声增大和叶轮气蚀等损害，同时额外增加电能损耗，且运行时段为供电部门规定的尖峰时段，电价较高。

表2 供电部门峰谷电价

本研究通过探索与实践，扭转了下游受水厂不考虑运行时段、工作频率、机组检修和搭配等因素，仅考虑自身需求，要求泵站开停机组的现象。目前20#和21#泵站优化了各机组在不同工况下的运行模式，既考虑机组检修轮替、峰平谷电价等因素，同时又满足下游水厂用水需求，保证了机组运行安全、经济和合理。各泵站机组节能运行模式及节能供水搭配如下：

表3 20#泵站供水方案

备注：根据目前供水量2#泵房每天开一台机组运行可以满足水厂需求，运行时注意机组定期轮运，运行频率在41Hz以上；1#泵房可以依据水厂需求，微调机组运行时间，保证变频器运行频率在45Hz以上。

表4 21#泵站供水方案

备注：可以依据水厂需求微调机组运行时间，不论机组如何搭配运行，不能超设计流量运行，变频机组运行频率在42～49Hz之间运行。

三、运行管理效果

做好郑州市配套工程泵站运行工作能够有效缓解郑州市水资源严重短缺的局面，促进了郑州市经济社会全面、协调和可持续发展，产生了良好的社会效益与经济效益。

(一)社会效益

水源安全问题一直是制约城市发展的瓶颈，河南省水资源贫乏，一旦水源出现问题，城市供水将直接受到影响。自南水北调中线工程通水以来，通过南水北调供水配套工程已累计向河南省供水120亿立方米，受益人口达2380万，也极为有效地缓解了郑州市用水紧张状况，改善了自来水水源水质，为企业生产、居民用水提供了可靠充足的水源保障，为加快城市发展，提升城市功能，完善产业布局，创造了良好的条件。通过生态补水，郑州市及周边区域生态明显改善，地下水位明显上升，河湖水质得到显著提高，基本消除了黑臭水体的存在，有效促进了市区水系环境的良性循环，达到了良好的生态效果，沿线群众幸福感普遍增强。

(二)经济效益

经过积极探索，目前泵站变频机组运行搭配合理，且充分考虑机组轮休、分时电价等因素，有效降低了电能消耗，延长了水泵机组主要配件使用年限。

1.20#泵站1#和2#泵房调整后节能效果

工业企业用电方法计算电费=基本电费+峰值电费+平均电费+谷值电费，根据有功量及无功量计算出功率因数调整百分数。

实际电费=电费×(1+功率因数调整百分数)

1#泵房变频机组原先运行频率主要在35～37Hz，变频机组出水量在350mm/h，仅为额定流量的1/10。本研究表明机组运行频率保持在45～49Hz之间才是经济安全运行状态。因此，改进后1#泵房变频机组日常运行频率保持在45Hz左右，与之前相比，该运行模式下相同日供水量1#泵房每台机组可少运行6h。经计算改进后1#泵站每日可节约电费1023.0元，累计1年可节约电费约37.3万元。

2#泵房原先运行单位为每日9：00至22：00开2台机组，22：00以后停机。变频机组运行频率在37～38Hz，改进后运行方案为每天运行1台机组，频率在40～49Hz之间。经计算改进后2#泵站每日可节约电费247.9元，累计1年可节约电费约8.9万元。

2.21#泵站调整后节能效果

21#泵站原先运行方式是在供水高峰时段开4～5台机组，供电电价低谷时段(22：00—00：50)开2～3台机组，水厂调蓄量全部由泵站机组开停来满足，供水高峰时段恰好是供电部门尖峰时段电价，导致21#泵站单台机组夏季尖峰时段每日多支出电费：315kW×(1.002-0.65)元/kW·h×6h=665.3元。每年夏季供水高峰是4个月，每年多支出8.0万元。

另外，21#泵站同样存在变频机组运行频率为非经济运行状态(35～40Hz)，经计算改进后21#泵站单台机组日节约电费537.08元，累计一年可节约电费约19.2万元。

3.泵站运行效率

依据中华人民共和国国家标准《泵站技术管理规程》(GB/T30948-2014)规定，泵站效率规定值泵站效率大于或等于60%。改进前的配套泵站长期处于低频率运行，实际运行效率难以满足泵站规定效率值。改进后21#泵站的运行效率保持在74%～81%，根据计算公式运行效率如下：

为泵站效率；为水的密度，单位kg/mm；为重力加速度，单位m/s；为泵站流量，单位mm/s；为泵站净扬程，单位m；为第台电动机输入功率，单位kW。

经计算：21#泵站2台定频及一台变频49Hz运行时效率为=(1×10×9.8×4×18/1000×945)×100%=74.67%。

由于20#泵站和22#泵站共用一个电源及转供电没有分区计量，无法详细计算20#泵站效率。

泵站是水利工程最大的用电单位，截止到2018年，我们现有的机电井和泵站的总装机容量约为3.52亿千瓦。按照现行的火电厂每千瓦时煤耗标准，泵站运行效率平均提高1%，每小时可节电352万千瓦时，相当于节煤近1200吨，二氧化碳排放量减少314吨，二氧化硫减少10吨，氮氧化物减少8吨，说明了泵站工程节能的重要性和紧迫性。对泵站工程来说，节能也意味着建设和运行成本的降低和经济社会效益的提高，尤其是对于公益效益为主的泵站工程，其规模、数量庞大，其必要性和经济性是不言而喻的。

因此，泵站实行经济运行管理，深挖设备潜能，不仅降低泵站能耗、节约电费效果显著，而且降低设备损耗、延长设备使用时间，有效保障泵站及管网设备安全运行。此外，如果供电部门对峰谷电价及其时段进行调整，则需根据泵站提水要求、水位变化情况和实际峰谷电价重新确定泵站优化运行方案。

结语

综上所述，泵站要实现投资少、受益多、人力少、效益高、故障率少、可靠性高的目标，必须要进行经济运行管理。通过对郑州市南北水调配套工程典型泵站的耗电量及其运行效率进行分析，发现已有泵站普遍存在水泵未能在最优效率区内工作，以及耗电量较大、节能效果不佳等问题。因此，针对性地提出保证泵站经济运行的措施，通过引入变频调速和合理利用“峰”“平”“谷”不同时段电价等手段来改善泵站效率，降低能耗，实现节电节能效果。通过总结南水北调配套工程泵站运行经验，有助于维护人员更加科学、合理、高效地管理运行泵站，在保障项目供水稳定的基础上，推动厂站降本增效，为中原城市群经济发展添砖加瓦。