庄伟栋，沈春林

(1.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225000；
2.南通市九圩港水利工程管理所，江苏 南通 226300)

目前，我国现有各类固定式排灌泵站装机容量已突破8 700万 KW，大、中、小型泵站达到50万座，特别是南水北调等大型引调水工程规模越来越大，建设的泵站数量不断增多，泵站作为重要的水利枢纽，在供水、排涝、防洪等水资源调配工程中发挥着重要作用。然而，由于工程管理薄弱、缺乏有效维护、设备老化和设计标准低等原因，大中型泵站的能源单耗达到6～7 kW·h(kt·m)，与标准要求的e≤5 kW·h(kt·m)相差较大，整体装置效率仅有40%～50%，不满足节约型社会的建设需求。因此，在保障泵站安全运行的情况下，有必要加强关键技术管理，从而实现提高运行效率、节能降耗的目标。

1.1 运行效率影响因素

泵站运行效率是由辅机设备、动力设备、进出水池、管道、水泵和传动效率等环节组成的综合效率，即泵站有效功率与输入功率的百分比。

1.1.1 动力设备效率

1)变压器：其效率值等于变压器二次输出与一次输入的有效功率之比。一般利用公式P2=βSNcosφ2计算二次输出有效功率，式中β、SN、cosφ2为负载系数、变压器视在功率和负载的功率因数，β为二次侧负载电流与变压器额定电流之比。另外，减去变压器损耗后的一次输入有功功率也等于其二次输出有功功率，其耗有铜损耗Pcu(可变损耗)和铁损耗Pfe(不变损耗)。其中，额定短路试验电流时输入的有功功率Pkn近似等于额定电流下的铜损耗，不是额定负载时负载系数的平方成与铜损耗成正比，即Pcu=β2Pkn；
空载时的有功功率P0近似等于额定电压下的铁损耗，即Pfe≈P0。因此，可将变压器效率转化成以下形式：

η=βSNcosφ2/(βSNcosφ2+P0+β2Pkn)

(1)

表1 负载系数与主变效率的关系表

结合表1中数据，负载系数低于0.1时的变压器效率约为70%，负载系数超过0.2时的变压器效率达到99%左右。

2)电动机：其效率值等于电动机输出与电源输入的有功功率之比。电动机转轴上输出的功率就是电源输入的有功功率减去附加、机械、定或转子铜耗、铁损耗后的功率。正常运行条件下，机械损耗和铁损耗基本不变故称为不变损耗，而定、转子铜损耗明显改变故称为可变损耗。具体而言，可变与不变损耗相同时的电动机效率最高，空载时转子电流很小其输出功率和电动机效率为零，负载增大时输出功率和电动机效率增加，额定负载时可变损耗与不变损耗相等其效率最高，若超过额定负载则输出功率的增加小于可变损耗的增大，电动机整体效率减小。

1.1.2 传动设备效率

机械传动方式是影响传动效率的主要因素，一般可以划分成齿轮传动、链传动、带传动和联轴器等传动方式，方式不同所带来的传动效率具有明显差异。

1.1.3 水泵效率

水泵有效功率与电动机轴功率比值的百分数即为水泵效率，其有效功率的计算公式为P=ρgQH/1 000，其中Q、H为水泵的流量和扬程，g、ρ为重力加速度和水的密度。此外，水泵的有效功率也等于电动机轴功率减去水泵内的能量损耗功率，水泵运转时存在的水利损失、容积损失和机械损失等是影响水泵效率的主要因素。其中，水力损失是指水体本身在流程中碰撞、挤压所造成的损失以及流经流道、吸水室时的沿程和局部损失；
容积损失是指泵内水流从轴封装置等处的外漏和经经高压储缝隙向低压出内漏造成的损失；
机械损失是指叶轮表面、轴承、轴密封填料、水体等与转动泵轴间的摩擦消耗。经长期运行致使水泵效率下降的原因主要有：(1)水流冲刷，经长期运行叶轮过水面和水泵流道内壁变得粗糙，从而增大了流道摩阻系数和水力损失；
(2)高硬度水质致使泵壳内积垢严重，而积垢的存在增大了泵壳壁厚，内壁形成垢瘤减小了泵体容积和抽水量，流道粗糙使得水力损失和容积损失增加；
(3)水泵化学侵蚀、腐蚀、磨蚀和气蚀等造成泵流道内出现裂纹或空洞，水流形成漩涡消耗一定能量，降低了水力效率；
(4)长时间运行致使泵机械不断磨损，阻力提高及水量损失使得容积效率减小；
(5)阻塞阻力增大或杂物缠绕影响泵轴、叶轮转动，效率下降。

1.1.4 管道效率

水量损失、水头损失是影响管道效率的关键因素，其中管道漏水造成了水量损失；
水头损失又细分为局部和沿程两类，主要与进出口的流速与形式、中间有无弯道与闸门、管道内管壁光滑程度以及管道长度等有关。

1.1.5 进出水池效率

导流、流道不合理或进水池设计不当是影响进出水池效率的主要因素，导致水流流态紊乱、池内出现回流或漩涡，引起较大的水力损失。

1.2 对综合效率的影响权重

以各环节效率的乘积作为泵站综合效率。运行状态不同时各环节的效率变化区间具有较大差异，其对综合效率的贡献率也不同。通过分析影响各环节效率的因素可知，随负载系数变化变压器的效率变化显著，理论上其变化区间能够达到0%～99%以上。从空载到定额负载电动机的效率变化区间能够达到0%～90%以上，在定额负载下异步电动机的效率一般为75%～95%。水泵类型不同时其效率一般也不同，正常维护和使用情况下的水泵效率处于65%～90%区间，大型泵最高能够达到90%。管道的水头损失决定了管道效率，对泵站而言一般管道长度较短，管道进出口处流速和水头损失相对较小，基本可以不考虑进出口局部损失，泵站综合效率受管道能量损失的影响较小。传动方式决定了传动设备效率，一般6～7级精度齿轮、弹性联轴器的传动效率为0.98～0.998和0.99～0.996，联传动效率、带传动效率为0.96～0.98和0.97～0.98，可采用联轴器直联水泵与泵站电动机，泵站综合效率受传动设备效率的影响较低。一般进出水池池内水位变化较小，池内水位跌差相对泵站扬程较小或忽略不计时进出水池效率可以近似取100%，所以泵站综合系统效率受进出水池效率变化的影响较小。综上分析，水泵效率和动力设备效率显著影响着泵站运行效率，加强水泵和泵站电力设备的运行管理是提高泵站效率的关键。

2.1 提高变压器运行效率

2.1.1 变压器负载率调整

在保持泵站过水量的条件下，通过单独运行或并联的方式来调整变压器负载率，βm的取值区间一般为0.50～0.78，βm达到0.8时应调高变压器容量，βm小于0.2时应调低变压器容量，从而提高其运行效率。

2.1.2 增大负载功率因数

通过异步机、同步机组合运行和同步机无功功率补偿特性可以有效减少无功功率，切实提升变压器负载功率因数及其运行效率。

2.2 提高水泵的运行效率

应从减少水泵运行的水利损失、容积损失、机械损失以及水泵选型、运行、安装等角度入手提高水泵效率。

2.2.1 泵型的合理选择

水泵高效运行的必要条件是要合理安装、指导、选型水泵设备，泵型选择时应考虑水泵的性能曲线、泵站工程的扬程和设计流量等因素，确保水泵处于高效运行状态。水泵的性能曲线是水泵厂家利用试验数据，绘制的允许吸上气蚀余量或真空高度、效率、轴功率、扬程等参数与流量之间的变化曲线，水泵运行时的最高效率点即为Q～η曲线上的最高点。日常运行管理过程中水泵一般难以完全在最高效率点上工作，水泵的工作范围一般取最高效率点下降5%～7%的区间，在保证过水量的情况下，通过调整机组设备的组合方式可以解决进水池水位过低或过高的问题，促使水泵处于高效运行状态。

2.2.2 设备的运行管理维护

1)保证设备大修和安装质量，水泵大修或安装时要保证安装间隙、摆度、水平、同心等指标精度符合规范要求，适度松紧填料函，因水源泥沙含量较高而引起叶轮磨损的要进行及时的修，提高管道内壁及泵壳或叶轮的光滑度。

2)减轻或预防水泵气蚀，气蚀会对水泵造成较大危害，气蚀产生过程中水流内含有的气泡会改变其正常流动方向，流道内过流断面的减小还会引起水泵效率、扬程、流量的快速下降，甚至出现断流的情况。气泡溃灭时水流快速冲向气泡中心并产生强烈撞击力，最高可以达到35～5 600 MPa，冲击频率能够达到2～3万次/s，水泵产生剧烈震动引起金属表面硬化变脆、塑性变形甚至会击穿叶片，对设备安全运行造成影响。

结合产生气蚀的原因采取行之有效的预防气蚀的对策：(1)进水池水流应流速均、平稳，以防形成漩涡，流态紊乱时通过改进进水流道、进水池等手段来调整流态；
(2)水泵叶片可以调节时，通过调节叶片角度来保证水泵按设计工况运行；
(3)为保证水泵进水淹没深度应防止运行过程中进水池水位过低。(4)减轻或预防水泵磨蚀，水泵长期处于部件与部件、水流与部件的摩擦之中，通过提高抗磨蚀能力、减少磨蚀等能够保证设备的使用年限。其中，最容易出现磨蚀破坏的位置是轴套和轴瓦，为预防轴套与轴瓦异常磨损可以采取的措施如下：(1)合理设计间隙，间隙过大会引起较大振动，难以充分发挥约束作用致使振动异常偏大，而间隙过小难以进入润滑截止，轴套与轴瓦之间易出现干磨，从而损坏轴套与轴瓦；
(2)保证部件的抗磨损能力，如利用硬度更大的耐磨轴套或以赛龙材料替代橡胶内衬；
(3)对函处封水填料及时更换，以防时间过长填料浸泥变硬增大对轴的磨损。

2.3 提高电动机运行效率

一般利用以下技术手段提高电动机运行效率，具体如下：(1)合理配套水泵与电动机功率，电动机负载率一般要求不低于0.7，负载率小于0.5时要及时更换或调整。为保证电动机的安全运行，不必非要保持在额定负载下运行，如采用同步化运行时异步绕线式电动机的最大允许负载率0.85。(2)及时清理积垢灰尘，保持通风良好，有效控制温升，这是由于温度升高增大了电机线圈的电阻和损耗，效率下降。(3)定期维护电机组，通过润滑轴承减少磨损、能耗等方式来提高电动机效率。(4)通过变频、变转差率、变极等方式变速调节电动机，对水泵运行工况进行调节以达到经济运行的目的。

影响泵站运行的因素较多，运行过程中要重点控制与泵站效率密切相关的关键因素，通过总结分析设备运行数据提出行之有效的设备运行维修和管理方法：

(1)水泵、电动机和变压器等主设备都有其效率高点，电动机和变压器高效运行的关键是合理设置负载率，而保证水泵高效运行的核心是合理控制运行水位。

(2)运行组合方式不同机组的效率也不同，应考虑异步和同步电动机的优化组合、结合过水量要求、水泵及动力设备高效运行需要的负载和水位等条件合理制定机组运行组合方案。

(3)加强设备改造和维护维修，采取有效的维护管理技术降低水泵、电动机、变压器等设备的能量损失，促使泵站运行效率的整体提升。

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