解雄越
(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024)
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,能源緊缺的矛盾日益凸顯,能源緊缺問(wèn)題成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。目前節(jié)約能源,高效利用已有資源已逐漸成為人們的共識(shí)。據(jù)調(diào)查,我國(guó)泵類電機(jī)的用電量約占電機(jī)總用電量的21%[1],因此泵站運(yùn)行方式已成為泵站運(yùn)行重要的技術(shù)指標(biāo)。山西省地處黃河中游,是引黃工程重點(diǎn)建設(shè)的省份之一。為保障山西省轉(zhuǎn)型跨越目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),“十二五”期間山西省從黃河干流取水量,由2010年的7.6億m3,增加到了2015年的24億m3[2],因此建設(shè)長(zhǎng)距離高揚(yáng)程大流量的引黃泵站已經(jīng)是不爭(zhēng)的現(xiàn)實(shí)。
然而黃河水泥沙含量高、硬度大,對(duì)于泵站的運(yùn)行效率、輸水能耗等方面都產(chǎn)生較大的影響[3]。由于泥沙的存在導(dǎo)致引黃泵站水泵磨蝕嚴(yán)重,水泵壽命偏低的問(wèn)題嚴(yán)峻,在多數(shù)引黃泵站的運(yùn)行中,往往忽視了水中泥沙對(duì)泵站運(yùn)行的影響。而且對(duì)于含沙水流條件下的水泵能耗問(wèn)題也不甚關(guān)注。本文以山西省運(yùn)城市夾馬口引黃灌溉泵站為例,通過(guò)對(duì)清水和含沙兩種不同水流條件下泵站單方水耗電量的計(jì)算,分析含沙量對(duì)水泵機(jī)組單方水耗電量的影響。進(jìn)而提出夾馬口泵站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行措施,以期對(duì)夾馬口泵站的日常運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo),并對(duì)類似泥沙泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支持。
夾馬口引黃工程位于黃河小北干流東岸夾馬口村,地處黃河中游,該工程于1958年動(dòng)工興建,1960年上水受益,是我國(guó)黃河上第一座大型高揚(yáng)程(70 m)電力提黃工程。夾馬口引黃泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為70 m,經(jīng)過(guò)多次更新后,現(xiàn)裝機(jī)3種型號(hào)水泵共12臺(tái),最大提水能力達(dá)到30.5 m3/s,配套動(dòng)力達(dá)30 880 kW。夾馬口泵站流量大揚(yáng)程高,前池含沙量大且沙粒硬度高,在國(guó)內(nèi)同等規(guī)模的供水工程中具有一定的代表性。
夾馬口引黃泵站共有3種型號(hào)水泵12臺(tái),本文研究的800S-76型號(hào)水泵共7臺(tái),其額定流量為2.5m3/s,揚(yáng)程為75 m。對(duì)應(yīng)的電機(jī)型號(hào)為Y2240-8型電機(jī),其額定效率為2 240 kW,效率為96.3%。800S-76型號(hào)水泵參數(shù)如表1所示。
表1 800S-76型泵的特性曲線
對(duì)于供水工程來(lái)說(shuō),用電量和輸水量是兩大經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[4]。而單方水耗電量則是將用電量和輸水量綜合考量得出的數(shù)據(jù),是反映供水工程耗能情況的重要指標(biāo)。因此對(duì)于水泵單方水耗電量的計(jì)算顯得尤為重要。根據(jù)水泵運(yùn)行時(shí)穩(wěn)態(tài)的計(jì)算,可以計(jì)算出水泵運(yùn)行的工作點(diǎn),再結(jié)合水泵運(yùn)行時(shí)的能量公式,便可求出水泵在工作時(shí)的單方水耗電量的理論公式。
水泵的有效功率公式為:
式中,Q(m3/s)為流量,H(m)為揚(yáng)程。
水泵的軸功率為:
式中,η泵為水泵的效率。
當(dāng)水泵按照一定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),水泵機(jī)組的功率為:
式中,η電機(jī)為電動(dòng)機(jī)的效率。
所以,根據(jù)單方水耗電量的定義,即機(jī)組運(yùn)行1 h,輸送一方水的耗電量公式為:
根據(jù)以上推導(dǎo)的水泵單方水耗電量的數(shù)學(xué)模型,只需在求水泵型在穩(wěn)態(tài)條件的流量Q,揚(yáng)程H,效率η泵,以及對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率η電機(jī),便可求出水泵在清水條件下的單方水耗電量F。由于夾馬口引黃泵站水泵臺(tái)數(shù)較多,所以本文僅選取4#(800S-76型)水泵進(jìn)行計(jì)算分析。
由(4)式可知,只需已知水泵的效率η泵,揚(yáng)程H,電機(jī)的效率η電機(jī)等參數(shù),就可以計(jì)算出清水條件下水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的單方水耗電量F。本文假定電機(jī)效率η電機(jī)不變,故電機(jī)效率可直接帶入電機(jī)廠家提供的數(shù)據(jù)。水泵在清水中的效率η泵,揚(yáng)程H,都可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)計(jì)算求得。所以很容易計(jì)算出清水條件下4#水泵的單方水耗電量F。
而4#水泵在某一含沙率條件下的單方水耗電量F’,則可根據(jù)夾馬口引黃灌溉泵站提供的水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)算出。相應(yīng)的也可計(jì)算出不同含沙量條件下的水泵單方水耗電量F’,分析出不同含沙量條件,對(duì)水泵機(jī)組單方水耗電量的影響。以上所涉及到的泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)和含沙量數(shù)據(jù),均取自?shī)A馬口引黃灌溉泵站2015年所測(cè)數(shù)據(jù)。
綜上所述,通過(guò)計(jì)算可分別得出清水條件下和含沙水流條件下的機(jī)組單方水耗電量,進(jìn)而計(jì)算出抽取含沙水流時(shí)水泵機(jī)組的單方水耗電量變化率?,F(xiàn)以地形揚(yáng)程為64 m為例進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。
如表2所示,在清水條件下,水泵的單機(jī)流量最大,需要揚(yáng)程最低,效率最高,單方水耗電量最低。隨著含沙量的增大,導(dǎo)致水泵提水時(shí)能量損失增大,水泵的需要揚(yáng)程升高。水泵效率也會(huì)隨之下降,經(jīng)計(jì)算得出水泵的效率最低下降到61.45%。由(4)式知水泵的單方水耗電量和揚(yáng)程H和水泵效率η泵有關(guān)。隨著泥沙含量的增加水泵的揚(yáng)程增大,效率下降,所以水泵的單方水耗電量會(huì)隨著泥沙含量的增大而增大。這意味著在一定含沙量范圍內(nèi),含沙量越大,在抽取相同流量的水時(shí),水泵機(jī)組的耗能越大,泵站的運(yùn)行成本相應(yīng)的就會(huì)增多。
由表2中的含沙量和ΔF變化量數(shù)據(jù)可以繪制出含沙量與水泵效率η泵和ΔF變化量關(guān)系曲線,分別如圖1、圖2所示。
表2 含沙水流條件下水泵機(jī)組單方水耗電量計(jì)算結(jié)果
圖1 含沙量與水泵效率關(guān)系曲線
圖2 含沙量與ΔF變化量的關(guān)系曲線
由圖1含沙量與水泵揚(yáng)程和效率的關(guān)系曲線可知,隨著含沙量升高,水泵的效率下降。在含沙量為4~4.5 kg/m3時(shí),水泵效率下降最快,這是由于一定含沙量范圍內(nèi),含沙量越高,泵站的能量損失越大,水泵的磨蝕越嚴(yán)重,導(dǎo)致水泵的效率急劇下降。水泵脫離高效區(qū)運(yùn)行,嚴(yán)重影響到了泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。從水泵工作效率的角度考慮,此時(shí)不建議運(yùn)行該機(jī)組。
由圖2含沙量與ΔF變化量的關(guān)系曲線可知,在含沙量為4~4.5 kg/m3時(shí),圖上曲線斜率最大,這表明水泵的單方水耗電量變化率ΔF上升的最快,單方水耗電量急劇增大,此時(shí)水泵機(jī)組的效率也偏低。在此含沙量范圍內(nèi),水泵耗電量增大,成本增加,所以從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考慮,不建議此時(shí)運(yùn)行該機(jī)組。
含沙水流條件下,泥沙不僅對(duì)水泵工作參數(shù)產(chǎn)生影響,導(dǎo)致水泵效率降低,單方水耗電量增加,還降低了水泵的壽命。泥沙對(duì)水泵過(guò)流部件,尤其是水泵葉輪的磨蝕尤為嚴(yán)重。夾馬口一級(jí)站,由于大量泥沙抽入泵體,造成水泵嚴(yán)重磨損和汽蝕,在汛期水泵連續(xù)運(yùn)行200 h,葉片邊緣出現(xiàn)很多汽蝕孔洞,葉片磨短50~100 mm[5]。含沙量越大,水泵的磨蝕越嚴(yán)重,水泵壽命越低。頻繁檢修造成的檢修費(fèi)用過(guò)高,不利于泵站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所以,從水泵磨蝕的角度分析,在含沙量為4~4.5 kg/m3時(shí)亦不建議運(yùn)行機(jī)組。
1)在一定含沙量范圍內(nèi),水泵的效率隨著含沙量的增大而降低,水泵的單方水耗電量隨著含沙量的增大而增大。
2)通過(guò)計(jì)算分析得出,含沙量在4~4.5 kg/m3時(shí),4#機(jī)組的單方水耗電量急劇增大,效率偏低,水泵磨蝕嚴(yán)重,所以此條件下不建議運(yùn)行該機(jī)組。
3)在含沙水流條件下,可通過(guò)將水泵的過(guò)流部件噴鍍抗磨蝕材料的方式,以降低水泵的磨蝕。