項(xiàng)德銀，嚴(yán) 凱，劉 濤

（江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223001）

泵站是水利水電工程、城鄉(xiāng)給排水工程和一些行業(yè)中不可缺少的設(shè)備。到現(xiàn)在為止，我國(guó)僅灌溉水泵就有超過(guò)8700 萬(wàn)千瓦的裝機(jī)容量。泵站的效率是指泵站消耗的能量與輸水能力之間的對(duì)比，影響泵站整體運(yùn)行效率的因素有很多，如電機(jī)的效率、水泵的型式、變壓器的損耗等。改善以上各個(gè)環(huán)節(jié)的局部效率，是提升整個(gè)水泵系統(tǒng)整體效率的重要手段，具有十分重要的意義。

1 影響泵站效率的因素

1.1 運(yùn)行效率影響因素

1.1.1 電動(dòng)機(jī)

一些電動(dòng)機(jī)因?yàn)樯a(chǎn)質(zhì)量不高或安裝精度不高，在運(yùn)轉(zhuǎn)中的功率損耗很大，很可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)中振動(dòng)大、溫度高，從而加快電機(jī)中絕緣材料的老化和破壞。在計(jì)算與水泵相匹配的電機(jī)時(shí)既要考慮電機(jī)不能超負(fù)荷運(yùn)行，也要避免選擇過(guò)大功率電機(jī)造成長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，使系統(tǒng)整體效率降低。

電機(jī)的效率為電機(jī)消耗的電能與轉(zhuǎn)換成機(jī)械能之比。在正常的工作狀態(tài)下，機(jī)械損耗和鐵損耗基本不會(huì)發(fā)生變化，被稱為不變損耗，而定、轉(zhuǎn)子銅損耗會(huì)發(fā)生變化，被稱為可變損耗。具體來(lái)說(shuō)，在可變與不變損耗都是一樣的情況下，電動(dòng)機(jī)的效率是最高的，在空載的時(shí)候，轉(zhuǎn)子電流很小，它的輸出功率和電動(dòng)機(jī)的效率都是零，當(dāng)負(fù)荷增大的時(shí)候，它的輸出功率和電動(dòng)機(jī)的效率都會(huì)提高，如果超出了額定負(fù)荷，那么它的輸出功率的增長(zhǎng)將會(huì)低于可變損耗的增大，而電動(dòng)機(jī)的總體效率將會(huì)降低[1]。

1.1.2 水泵

導(dǎo)致水泵效率下降的主要原因有：（1）在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)中，由于水流沖刷，導(dǎo)致了流道的表面和內(nèi)部表面的粗糙度增加，使得流動(dòng)阻力增加，水力損耗增加。（2）高硬化的水質(zhì)導(dǎo)致泵殼內(nèi)部出現(xiàn)大量的結(jié)垢，結(jié)垢的存在增大了泵殼壁厚度，在內(nèi)壁處生成垢瘤，從而減少了泵體體積，降低了泵體的抽水量，同時(shí)由于流動(dòng)通道的不平整，導(dǎo)致了水力損耗和體積損耗的增大；（3）長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)造成水泵機(jī)構(gòu)的持續(xù)磨損，增加了水泵的阻力和水分的損耗，從而降低了系統(tǒng)的容量利用率；（4）由于堵塞阻力增加或雜質(zhì)的糾纏，使泵軸和葉輪的旋轉(zhuǎn)受到影響，從而降低了系統(tǒng)的效率[2]。（5）水泵加工工藝等原因?qū)е滤描T造有缺陷或者水泵安裝質(zhì)量不高，后期維護(hù)管理不到位使得水泵磨損加快導(dǎo)致效率降低。

1.1.3 變壓器

變壓器的效率是指變壓器二次側(cè)的有功與一次側(cè)的有功之比。二次輸出有功功率P2=βSNcosΦ2，其中β 代表的是負(fù)荷因子，它是變壓器二次側(cè)的負(fù)荷電流與額定電流的比值，SN代表的是變壓器的視在功率，cosΦ2代表的是負(fù)荷的功率因子。而在此基礎(chǔ)上，將一次側(cè)的有功與一次側(cè)的有功相結(jié)合，得到了一次側(cè)的有功相結(jié)合的計(jì)算公式。變壓器損耗具體包含了兩部分，一部分是鐵損耗Pfe，另一部分是銅損耗Pcu，其中鐵損耗屬于不變損耗，在額定電壓下，它大致等同于空載時(shí)有功功率P0，也就是Pfe≠P0，銅損耗Pcu會(huì)隨著負(fù)荷發(fā)生改變，被稱為可變損耗，在額定電流下，銅損耗大致等同于短路試驗(yàn)電流為額定值時(shí)輸入的有功功率Pkn，當(dāng)負(fù)載不為額定負(fù)荷時(shí)，銅損耗與負(fù)荷系數(shù)的平方成正比，也就是Pcu=β2Pkn。公式為：

η=βSNcosΦ2/（βSNcosΦ2+P0+β2Pkn）

根據(jù)分析結(jié)果，得出了一種計(jì)算方法，即在某一特定情況下，變壓器的工作效率取決于負(fù)荷的大小及負(fù)荷的功率因子。在恒定的條件下，也就是在恒定的負(fù)荷中，隨著負(fù)荷的功率因子cosφ2的增大，其效率也隨之增大。在載荷功率因子不變的情況下，載荷因子對(duì)系統(tǒng)的效率影響較大。在P0=β2mPkn時(shí)，變壓器的效率是最高的。換言之，在變壓器β＜βm的時(shí)候，輸出電流會(huì)增加，輸出功率也會(huì)隨之提高，同時(shí)銅損耗也會(huì)提高。因?yàn)榇藭r(shí)β 值較小，銅損耗較小，鐵損耗相對(duì)較大，所以總損耗雖然隨β 值增加，但是沒(méi)有輸出功率增加的速度快，所以效率也是提高的。在銅線損失與鐵線損失相等時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率為最大。在β＞βm時(shí)，銅損耗成為損耗中的主體，并且因?yàn)殂~損耗與電流的平方成正比，輸出功率與電流成正比，所以變壓器效率隨著β 的增加反而下降[3]。

1.2 對(duì)綜合效率的影響權(quán)重

各個(gè)階段的效率之積，即為整個(gè)泵站的整體效率。在不同的工況下，各個(gè)部件的效率變動(dòng)范圍存在很大的差別，因而對(duì)整體效率的貢獻(xiàn)率也不盡相同。從對(duì)影響各環(huán)節(jié)效率的因素的分析可以看出，隨著負(fù)荷系數(shù)變化，變壓器的效率變化明顯，在理論上其變化范圍可以達(dá)到0～99%以上。電機(jī)從無(wú)載至有載負(fù)荷時(shí)，其工作效率可在0～90%之間，有載負(fù)荷時(shí)，其工作效率可在75%～95%之間。通常來(lái)說(shuō)，由于水泵的種類的原因，其效率是不一樣的，在日常維修和工作中，水泵的效率在65%～90%之間，大型泵的效率可以達(dá)到90%。管道的水頭損失對(duì)管道的效率起到了重要作用，對(duì)于泵站來(lái)說(shuō)，通常管道的長(zhǎng)度比較短，在管道出入口處的流速和水頭損失比較小，所以對(duì)于進(jìn)出口局部損失，幾乎可以不用考慮，泵站的綜合效率受到管道能量耗失的影響比較小。傳動(dòng)公式確定了傳動(dòng)設(shè)備效率，通常情況下，6～7 級(jí)精度齒輪、彈性聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率分別為0.98～0.998 和0.99～0.996，聯(lián)傳動(dòng)效率、帶傳動(dòng)效率分別為0.96～0.98 和0.97～0.98，可使用聯(lián)軸器直接將水泵與泵站電動(dòng)機(jī)進(jìn)行連接，泵站綜合效率受到傳動(dòng)設(shè)備效率的影響比較小。由于一般進(jìn)、出口池中的水位波動(dòng)很少，當(dāng)在與泵站揚(yáng)程相比很少或者幾乎可以不考慮時(shí)，出入池的效率可以接近100%，因此出入池的效率的波動(dòng)對(duì)整個(gè)泵站的整體系統(tǒng)的效率的影響很少。

通過(guò)以上的研究，指出了水泵裝置及電氣裝置的工作效率對(duì)泵站的工作效率有很大的影響，因此，要想使水泵裝置及電氣裝置更好地發(fā)揮作用，就必須要做好對(duì)水泵裝置、電氣裝置等的工作。

2 泵站運(yùn)行效率的關(guān)鍵控制技術(shù)

2.1 變壓器負(fù)載率調(diào)整

在維持泵站過(guò)水量的前提下，采用獨(dú)立運(yùn)行或并聯(lián)的方法來(lái)對(duì)變壓器負(fù)荷率進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常情況下，變壓器負(fù)荷率的取值范圍為0.50～0.78，當(dāng)負(fù)荷率達(dá)到0.8 時(shí)，就應(yīng)該調(diào)高變壓器容量，當(dāng)負(fù)荷率低于0.2 時(shí)，就應(yīng)該調(diào)低變壓器容量，這樣就可以提升其運(yùn)行效率。利用異步機(jī)、同步機(jī)的組合運(yùn)行以及同步機(jī)的無(wú)功功率補(bǔ)償特性，能夠?qū)o(wú)功功率進(jìn)行有效地降低，從而可以提高變壓器的負(fù)荷功率因數(shù)，提高其運(yùn)行效率。

2.2 提高水泵的運(yùn)行效率

想要提高水泵的運(yùn)行效率，就要合理地指導(dǎo)、選用、安裝水泵裝置。在選用水泵裝置時(shí)，要綜合考慮水泵裝置的性能曲線、泵站工程的揚(yáng)程以及水泵裝置的設(shè)計(jì)流速，以保證泵裝置的有效運(yùn)轉(zhuǎn)。水泵的有效功率P=pgQH/1000，其中，p 為水的密度，g 為重力加速度，Q 為水泵流量，H 水泵揚(yáng)程。水泵的特性曲線是指由水泵生產(chǎn)廠商根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，畫出的可吸入空氣余量或真空高度、效率、軸功率、揚(yáng)程和其他一些參數(shù)隨水流速度的改變而改變的一條曲線，而在實(shí)際工作中，最大的效率點(diǎn)就是Q～η 曲線的頂端。在平時(shí)的運(yùn)行管理中，水泵很少能夠完全地在最高效率點(diǎn)上進(jìn)行工作，所以，水泵的工作環(huán)境通常是選擇在最高效率點(diǎn)下降5%～7%之間的區(qū)間，在確保過(guò)水量的前提下，通過(guò)調(diào)整機(jī)組設(shè)備的組合方法，能夠有效地處理進(jìn)池塘的水位過(guò)高或者過(guò)低的問(wèn)題，從而讓水泵保持有效的運(yùn)轉(zhuǎn)。（1）保證水泵設(shè)備安裝和維修保養(yǎng)的質(zhì)量，在水泵維安裝和維修保養(yǎng)時(shí)，要保證安裝間隙、擺度、水平、同心度等指標(biāo)精度符合規(guī)范要求，適當(dāng)?shù)厥褂脧椥蕴畛鋭?，如果由于水質(zhì)中含有大量的淤泥而造成了葉片的磨損，則要立即維修，以改善管路的內(nèi)壁、泵體或葉片的表面光潔度；（2）防止或緩解水泵的汽蝕，汽蝕對(duì)水泵會(huì)造成很大的危害，汽蝕發(fā)生時(shí)，水泵的進(jìn)口壓力小于環(huán)境溫度下的液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體中有大量蒸汽逸出，并與氣體混合形成許多小氣泡。當(dāng)氣體到達(dá)高壓區(qū)時(shí)，蒸汽凝結(jié)，氣泡破裂，氣泡的消失導(dǎo)致產(chǎn)生局部真空，水流迅速?zèng)_向氣泡中心，并產(chǎn)生強(qiáng)大的碰撞力，最高可以達(dá)到35MPa～5600MPa，沖擊頻率可以達(dá)到2 萬(wàn)～3 萬(wàn)次/s，水泵產(chǎn)生的劇烈晃動(dòng)導(dǎo)致金屬表面硬化變脆、塑性變形，甚至?xí)舸┤~片，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行造成影響。針對(duì)汽蝕現(xiàn)象的成因，采取以下防止汽蝕現(xiàn)象發(fā)生的措施：一是進(jìn)水池的流速要均勻，防止出現(xiàn)旋流，當(dāng)流場(chǎng)不穩(wěn)定時(shí)，可采用改變進(jìn)水流道和進(jìn)水池等方法，減少汽蝕現(xiàn)象；二是葉片可調(diào)節(jié)式水泵，可以通過(guò)調(diào)整節(jié)葉角度保證水泵能夠按照設(shè)定的工作條件運(yùn)行；三是為了確保水泵的進(jìn)水口浸深，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要避免進(jìn)水口液位過(guò)低；四是減少或防止水泵磨損，水泵在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處在零件與零件和水流與零件之間的摩擦中，可以通過(guò)增強(qiáng)耐磨損能力，降低磨損等來(lái)確保裝置的壽命。在這些部位中，最有可能發(fā)生磨損損壞的部位就是軸套和軸瓦，為了防止它們的不正常磨損，可以采用以下幾種方法：一是對(duì)它們進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈g隙設(shè)計(jì)，如果縫隙太大，就會(huì)產(chǎn)生很大的震動(dòng)，如果縫隙太大，就不能很好地起到限制的效果，從而產(chǎn)生不正常的振動(dòng)，如果縫隙太小，就很難得到有效的潤(rùn)滑和切斷，而且在軸套和軸瓦之間很可能會(huì)產(chǎn)生摩擦；二是為了確保零件的耐磨性，例如使用具有較高硬度的耐磨性的軸承或用其他材質(zhì)代替橡膠襯里；三是在密封箱內(nèi)，應(yīng)立即更換密封件，防止密封件因長(zhǎng)期浸泡而硬化，從而增加密封件對(duì)傳動(dòng)箱的磨耗[4]。

2.3 加強(qiáng)水泵的維修保養(yǎng)

水泵在一定的工況下，必然會(huì)出現(xiàn)一定的磨蝕，這就使泵內(nèi)部損耗增大。為此，應(yīng)加大對(duì)泵的監(jiān)控力度，對(duì)其進(jìn)行定期檢修和更換損壞的零件，以確保泵的長(zhǎng)周期運(yùn)行。作為水泵最重要的零件級(jí)部件，其外形和內(nèi)部零件是否光滑，將會(huì)對(duì)水泵的高效運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。若水泵在出廠時(shí)制造不平整，或因長(zhǎng)時(shí)間的使用而造成損耗，則會(huì)導(dǎo)致泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中的動(dòng)力損耗增大，從而導(dǎo)致泵的效能下降。出水彎頭等內(nèi)壁的處理不光滑，對(duì)泵的運(yùn)行也有不利的影響，因此通常通過(guò)對(duì)其進(jìn)行拋光或者粗化處理，從而提升泵的運(yùn)行效率。針對(duì)窄流道離心泵的清洗難度大的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行研磨（例如碳化硅、二氧化硅等），改善其清潔效果。泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)隨時(shí)注意密封圈的開(kāi)緊度，密封圈過(guò)密或過(guò)密均會(huì)導(dǎo)致泵的效能下降。另外，當(dāng)填料盒內(nèi)的填充物丟失后，要立即進(jìn)行替換，否則不僅無(wú)法達(dá)到填充物的密封效果，而且還會(huì)影響泵的流量和效率。

要確保泵的工作質(zhì)量，除了其本身的特性以外，還與泵的裝配精度密切相關(guān)。若裝配精度達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，造成機(jī)組主軸孔與豎向中心偏差，不但會(huì)導(dǎo)致效率下降，而且會(huì)造成較大的震動(dòng)、噪聲，造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱。采用可調(diào)節(jié)導(dǎo)葉的軸流泵，每一個(gè)導(dǎo)葉之間的夾角必須一致，不然在工作過(guò)程中，每個(gè)導(dǎo)葉受到的壓力都不一樣，不但會(huì)引起振蕩，而且會(huì)增大水泵的水壓損耗。對(duì)于具有渦輪型結(jié)構(gòu)的葉柵泵，如果渦管軸和葉軸有很大的偏差，就會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，進(jìn)而影響到水泵的流量和效率。

2.4 提高電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率

通常采用的技術(shù)方法有：（1）對(duì)水泵與電動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠ヅ洌妱?dòng)機(jī)的負(fù)荷率通常不低于0.7，當(dāng)負(fù)荷率低于0.5 的時(shí)候要進(jìn)行及時(shí)的更換或調(diào)節(jié)。為了確保電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，并不一定要維持在額定負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，例如使用同步化運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，異步繞線式電動(dòng)機(jī)的最大容許負(fù)荷率為0.85；（2）對(duì)污物粉塵進(jìn)行及時(shí)地清除，使空氣流通良好，并對(duì)因溫升過(guò)高而使電動(dòng)機(jī)繞組的阻力增加、損失增加而使效率降低的溫升進(jìn)行有效的控制；（3）對(duì)電力單元進(jìn)行周期性維修，并對(duì)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑，以降低磨損和能量消耗，從而改善電機(jī)的效率；（4）用頻率變化、轉(zhuǎn)差率變化、磁極變化等方法來(lái)調(diào)整泵的工作條件，實(shí)現(xiàn)泵的工作條件的調(diào)整，使之能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)工作[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

泵站在進(jìn)行過(guò)程中受諸多因素的影響，相關(guān)人員要對(duì)影響泵站效率的主要原因進(jìn)行重點(diǎn)的控制，提出行之有效的設(shè)備操作維護(hù)和管理的辦法：水泵、電動(dòng)機(jī)和變壓器等主要設(shè)備都有它們的效率高點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)和變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵是對(duì)負(fù)荷率進(jìn)行合理的設(shè)定，而確保水泵高效運(yùn)轉(zhuǎn)的核心是對(duì)運(yùn)行水位進(jìn)行合理的控制。各單元的工況組合，其工作效果也是各不相同的，所以要合理地確定各單元的工況組合，包括異步電機(jī)與同步電機(jī)的最佳組合，計(jì)算匯合過(guò)水量，以及水泵與動(dòng)力裝置的有效工作所需的負(fù)荷與水位。強(qiáng)化設(shè)備的技術(shù)改造與保養(yǎng)，采用高效的保養(yǎng)與管理技術(shù)，降低水泵、電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備的能耗，提高整個(gè)泵站的運(yùn)行效率。