大型泵站辅助设备耗能及其对泵站效率的影响

大型泵站辅助设备耗能及其对泵站效率的影响

杨兴丽朱宁庄伟栋

（江苏省江都水利工程管理处江苏扬州225200）

摘要：大型泵站辅助设备对主机组的可靠运行起着重要作用，同时也消耗能量。为定量掌握辅助设备的能耗情况，分析了典型泵站辅助设备设置及其运行特点，将其分为持续运行和开、停机运行两种类型，系统提出了两类辅助设备耗能的计算方法。以叶轮直径为1.6m和3.1m的大型立式轴流泵站为例，计算了辅助设备耗能，分析了辅助设备耗能（its）对泵站效率的影响。结果表明，辅助设备耗能占泵站总耗能的1%~3%左右，使泵站效率下降0.7~2.2个百分点。其中，用于主机组开停机的辅助设备耗能很小；清污耗能、电机通风耗能和站变损耗功率比较大，具有一定的节能潜力。

关键词：大型泵站；辅助设备；耗能；泵站效率；节能

大型泵站辅助设备是为保证泵站正常、安全、稳定运行为主机泵服务的附属设备，泵站在运行期间，除主机泵及进出水流道耗能外，辅助设备也需消耗一部分能量。研究表明，在目前的水平下，要想再显著提高主机泵及进出水流道效率比较困难[1,2]。但另一方面，一直以来，对泵站辅助设备能耗及其节能研究甚少。

通常根据辅助设备输送流体的性质，分为油、气、水三大系统[3,4]。传统的辅助设备分类，在范围和内容上均未能全面反映辅助设备的能耗情况。本文从能耗角度，将泵站辅助设备重新划分为新的油、气、水、其他耗能设备四大系统，计算分析典型大型泵站辅助设备的能耗及其对泵站效率的影响。

1泵站辅助设备设置

大型泵站根据主机组的结构形式和需要设置辅助设备。主机组的结构形式不同，辅助设备的设置也有所差异。

1.1水系统

水系统主要有供水系统、排水系统和站前拦污清污装置。

（1）供水系统。供水系统的主要供水对象有：电机推力轴承和导轴承的油冷却器冷却用水；电机空气冷却器冷却用水；水泵水润滑导轴承的润滑用清水；虹吸出水流道泵站抽真空系统水环式真空泵的工作用水和压缩空气系统水冷式空气压缩机冷却用水等[5]。其中，真空泵和空压机在机组运行期间不运行。

（2）排水系统。排水系统的主要排水对象有：技术供水排水，渗漏排水，检修和调相排水和清扫回水排水。以上水体汇至泵站最下层的排水廊道或集水坑，由排水泵排出。站房渗漏水量较小，难以准确计算，可以忽略不计；机组运行期间排水对象主要是设备冷却水回水。其中，位置较高的用水设备，可自流排水；循环冷却水系统无排水。

（3）清污系统。泵站运行期间特别是排涝期间，清污机经常处于运行状态。清污能耗与污物量、清污模式等因素有关[6,7]。

1.2油系统

油系统主要设置有润滑油系统、压力油系统和油处理系统。

在油系统中，仅有压力油系统与机组运行有关。水泵叶片液压调节机构、液压减载装置、液压顶车装置、以及快速闸门液压启闭系统等都是为了保证主机组开停机安全可靠服务的。

1.3气系统

气系统主要包括中压空气系统、低压空气系统、抽真空系统、电机通风系统和站房通风系统。

中压空气系统主要用于向叶片调节系统油压装置的压力油罐补气。低压空气系统主要作用：（1）停机时向制动闸供气；（2）停机时向虹吸式出水流道真空破坏阀供气。计算时，空压机能耗可平均分配到机组运行期内。

大型泵站电机一般采用风机强迫通风方式，主泵机组运行期间，电机通风机一直处于运行状态。

1.4其他耗能设备

大型泵站其他耗能辅助设备主要包括站用变压器、泵站照明系统、机械式叶片调节装置等。

站用变压器[8,9]在为泵站其他辅助设备服务的同时，本身也消耗掉一部分电能，此项能耗在机组运行期和非运行期一直存在。泵站夜晚的照明功率大于白天的照明功率。

2机组运行期间主要辅助设备能耗

2.1供水系统能耗

（1）电动机空气冷却器

热空气温度一般升高至60℃，经过空气冷却器后降至35℃。而冷却水的进、出口温差一般为2~4℃。根据热平衡条件，每台电机空气冷却器的用水流量为

（1）

其中

（2）

上二式中Qk为空气冷却器用水量，m3/h；△Ne为空气冷却器所需散发出的电机功率损耗（不包括轴承损耗），即电磁损耗功率，kW；N0为电动机额定功率，kW；ηe为电动机电磁效率；c为冷却水热熔，J/（kg•K）；ρ为冷却水的密度，T/m3；△t为空气冷却器进、出水温差，一般为2~4℃。

（2）电动机轴承油冷却器的冷却用水

油冷却器冷却用水量可按轴承摩擦所损耗的功率进行计算。

对于推力轴承

（3）

（4）

式中QT为推力轴承油冷却器用水量，m3/h；

△Nft为推力轴承损耗功率，kW；P为推力轴承荷

重，由轴向水推力和机组转动部分重量组成，N；V为推力轴瓦上2/3直径处的圆周速度，m/s；F为推力轴承镜钣与轴瓦间摩擦系数，其数值大小与液体摩擦条件有关，一般为0.01~0.001，在计算中，建议取f=0.003~0.004。

电动机上下导轴承油冷却器用水量各位推力轴承的10%~20%

（3）水泵橡胶导轴承的润滑用水

在水泵导轴承采用橡胶轴承且橡胶轴承采用清水润滑时，橡胶轴瓦在正常转速下所需的润滑水量可由下式计算

（5）

式中Qsh为橡胶轴瓦润滑水量，m3/s；Dp为橡胶轴承内径，cm；B为系数，与主轴的圆周速度有关；u为主轴圆周速度，m/s；△t为润滑水升温，△t=（3~5）℃，决定于散热条件；ρ为水的密度，kg/L；l为轴瓦高度，cm；c为水的比热容，其值同（1）

（4）机组运行期间供水系统能耗

（6）

2.2清污系统能耗确定

实际工作情况下，清污能耗量与泵站流量有关，其表达式为

（7）

式中Pqw为泵站在实际工作情况下清污能耗量，kW；Qzd为水泵最大流量，m3/s；Q为单台水泵在实际工况下的流量，m3/s；nz为泵站机组总台数；ny为机组运行台数；Pqwj为清污机功率，kW；Ppdssj为皮带输送机功率，kW。

2.3电系统能耗

2.3.1站用变压器损失

变压器损耗包括空载损耗和负载损耗[]。变压器综合功率损耗是指变压器运行中的有功功率损耗和因其消耗无功功率使电网增加的有功功率损耗之和[8~13]。其表达式为：

（8）

式中Poz为空载综合损耗，kW，Poz=PO+KQO；Pkz为额定负载综合损耗，kW，Pkz=PK+KQK；S为变压器负载容量，kVA；SN为变压器的额定容量，kVA；PO为空载有功损耗，kW；PK为负载损耗，kW；QO为空载无功损耗，kvar，QO=IO%SN×10-2；QK—短路无功损耗，kvar，QK=UK%SK×10-2；IO为空载电流，常用百分比IO%表示；UK为短路阻抗，常用百分比UK%表示；K为无功经济当量,kW/kvar,通常取0.01kW/kvar。

站变损耗功率计算

空载功率损耗：

（9）

短路无功损耗：

（10）

空载综合损耗：

（11）

额定负载综合损耗：

（12）

如果站变负荷容量为Szr，则

变压器综合功率损耗为：

（13）

2.3.2泵站照明能耗量在机组运行期间是确定的，现已建成的泵站照明功率设计大约在20~70kW之间，白天，站上只有部分照明设备处启用状态，夜间，照明设备全部开启。因此估算，平均照明功率为设计值的3/4左右。

3机组开、停机辅助设备能耗

用于机组开、停机的辅助设备有：用于真空破坏阀断流和机组制动的低压空压机和用于叶片调节的压力油泵和中压空压机等设备。

3.1空压机能耗

（1）真空破坏阀耗气量

机组停机一次，真空破坏阀开启一次，每只真空破坏阀打开一次的耗气量为[14,15]

（14）

式中Vv为真空破坏阀活塞行程容积。Vv=πDv2hv/4,m3；Vg为电磁阀以下管道容积，m3；Pv为真空破坏阀工作压力，MPa，通常取为0.65Mpa；Pa为大气压力，取为0.1MPa；k为漏气系数，取为1.4。

因管道内原已有大气，所以在计算其充气容积时，要将原有大气体积扣除在外，故式中Vg要乘以系数0.83

（2）制动闸耗气量

应用直管式出水流道的水泵机组每停机一次，制动闸工作一次，每台机组制动一次的耗气量为

(15)

式中Vz为制动闸活塞行程容积，Vz=πDz2hz/4,m3；Vg为电磁阀以下管道容积，m3；Pz为制动气压，MPa，通常取为0.65Mpa；Pa为大气压力，取为0.1MPa；k为漏气系数，取为1.4。

（3）空压机能耗

低压储气罐的压力下限为真空破坏阀工作压力，即为0.65MPa，设压力上限为1.0MPa，泵站低压贮气罐容积为V0m3。向储气罐充气，自压力下限充气到压力上限，所耗标准状态下的空气的体积为

（16）

空压机对储气罐充气的过程为多变过程，则空压机理论上对空气所作功为[10~11]

（17）

式中n为多变指数，1<n<1.41，取为1.3；V为压力为pMPa的空气的体积，m3；V1为标准状态下空气的体积，m3；p1为标准状态下空气的压力，0.1MPa；p2为储气罐的上限压力，1.0MPa。

空压机的实际工作情况，由于存在着气缸余隙容积及进气和排气阀门的阻力影响，它实际所耗功量应大于理论耗功量，假设空压机效率为ηk，并设电机效率为ηd，则空压机实际所耗功量为

（18）

机组停机一次，真空破坏阀打开一次，制动闸工作一次，因此空压机充气一次可供两设备工作次数m为

（19）

每台机组停机一次所耗功为：

（20）

假设泵站每半个月开、停机一次，则将低压空气系统所耗功分配在机组半个月运行时间内的功率为：

（21）

3.2高压油泵能耗

机组开机一次，液压调节机构从正常运行角度到最小角度往返各工作一次，水泵叶轮接力器用油量可按下式计算

（22）

式中dp为叶轮接力器直径，m；sp为接力器活塞行程，m。

受油器的充油量约为叶轮接力器充油量的20%。

我国生产的油压装置的额定油压主要是P=25×105Pa,且因油是液体，其体积基本不随压力的变化而变化，假设油泵及其配套电机的效率为ηjb=50%，则液压调节机构往返工作一次，所耗功为

（23）

假设泵站没半个月开机一次，则将液压调节机构所耗功分配在机组半个月运行时间内的功率为

（24）

4典型泵站辅助设备能耗计算分析

选择江苏省内四座典型泵站：宝应泵站，江都第二抽水站，江都第四抽水站，大套第三抽水站，四座泵站具体情况如表1所示。以这四座大小不同，形式不同的泵站为例，分别说明各自辅助设备的设置情况，并对其能耗情况做了计算分析。（泵站说明，辅助设备说明，辅助设备能耗计算）

表1四座典型泵站对比

4.1典型泵站辅助设备设置与运行情况

4.1.1大套三站辅助设备设置

大套三站辅助设备设置的具体情况为：（1）技术供水系统为独立闭式循环系统，即每台主机泵设有各自独立的供水设备，技术供水对象为电机轴承油冷却器冷却用水、水冷式空压机及水环式真空泵冷却用水。其中水冷式空压机和水环式真空泵冷却用水量很小，可忽略不计。（2）排水系统设置两台潜水泵，置于排水廊道中，用电磁阀根据排水廊道中水位情况自动控制其启闭。运行期排水任务仅为水泵填料函密封和站房渗漏水，此排水量很小，因此排水泵在机组运行期间几乎不开启，计算能耗时可忽略不计。（3）泵站清污设置有4台回转式清污机及皮带输送机。（4）电机通风采用环形风道风机拔风强迫通风方式，每台电机风道独立，单独设置通风机，通风机在机组运行期间处于运行状态。（5）设置低压空压机，压缩空气主要用于：①机组停机时。供气给制动闸②出水流道断流时，供气给真空破坏阀；③供给泵站内风动工具及卫生吹扫用气．上述①、②项用于机组开、停机。（6）设置润滑油系统，主要供给主电机推力轴承和导轴承润滑用。（7）设置泵站照明设备和站用变压器。

4.1.2宝应泵站辅助设备设置

该泵站辅助设备包括供排水系统、油系统和气系统。（1）供水系统从站下游进水侧取水，采用直接供水方式，供给电机轴承冷却、水泵密封润滑用水等。（2）因冷却系统回水不回到排水廊道，所以机组运行期间排水系统主要排任务仅为水泵填料函密封和站房渗漏水，排水泵运行时间很短，计算能耗时可忽略不计。（3）泵站清污设置有4台回转式清污机及皮带输送机，排涝时，24小时连续运行；向北送水时，间断开机。（4）每台水泵配2台通风机；主变配2台通风机，GIS配2台通风机；励磁配2台通风机。夏天24小时开机，正常至少开12小时。（5）低压空气系统除供给真空破坏阀用气外，还供给泵站内风动工具及吹扫设备用气，低压空压机每24小时运行2~3小时，补充漏气。（6）泵站采用液压中置式全调节机构，1＃油压装置（日立）配2台油泵，其中一台油泵备用，给1、2号水泵供油。1只油泵24小时连续运行。2＃油压装置（国产）配2台油泵，其中一台油泵备用，给3、4号水泵供油。1只油泵开20分钟，停10~15分钟。设置润滑油系统，主要供给主电机推力轴承和导轴承润滑用。（7）设置泵站照明设备和站用变压器。

4.1.3江都二站辅助设备设置

江都二站辅助设备包括油系统，供、排水系统和气系统。（1）供水系统采用直接供水方式，技术供水包括供给机组冷却用水、润滑用水、主泵内加水、排水泵加水及空压机冷却水等。（2）排水系统主要排除站房内的各种工作用水、渗漏水、清扫水及检修时排除主泵内积水等，机组运行期间排水系统主要排任务仅为水泵填料函密封和站房渗漏水，排水泵运行时间很短，计算能耗时可忽略不计。（3）清污系统为江都四个站公用，共设有清污机12台套，皮带输送机一台套，机组运行期间全部运行。

（4）泵站设置沾边风机，水泵层风机，站变风机开机时连续运行，水泵层通风机很少使用。（5）低压空气系统主要用于真空破坏阀断流，空压机很少开机使用。（6）泵站采用液压中置式全调节机构，齿轮油泵在开停机前后使用一小段时间，设置润滑油系统，主要供给主电机推力轴承和导轴承润滑用。（7）设置泵站照明设备和站用变压器。

4.1.4江都四站辅助设备设置

江都四站辅助设备具体设置情况：（1）技术供水系统采用间接供水与直接供水结合的方式，技术供水包括供给机组冷却用水、润滑用水、主泵内加水、排水泵加水及空压机冷却水等。简介供水采用供排结合系统，必要时供水泵可接入排水运行。（2）排水系统在机组运行期间的排水任务为水泵填料函密封和站房渗漏水，排水系统设置三台排水泵，机组运行期间开一台，每天开机2.5次，每次排水时间为57min。（3）清污如二站所述（4）电机通风采用环形风道风机拔风强迫通风方式，每台电机设置两台通风机，通风机在机组运行期间处于全部开启状态。（5）设置中压和低压空气系统，低压空气系统主要用于真空破坏阀断流，中压空气系统主要为压力油系统提供压缩空气。（6）设置润滑油系统和压力油系统，润滑油系统主要供给电机推力轴承、上下导轴承润滑和主水泵导轴承的润滑。压力油系统为叶片调节机构提供动力，另外为主电机顶车及制动系统提供动力。（7）设置泵站照明设备和站用变压器。机组运行期间辅助设备工作情况如表2

表2机组运行期间辅助设备工作情况

4.3辅助设备能耗计算

以下是大套三站和江都四站机组全部运行时，在设计工况下的辅助设备能耗情况：

大套三站辅助设备各项能耗计算：

（1）单台机供排水耗能：

五台全部运行总功率为：

Pgps=0.656×5=3.28kW

（2）清污耗能：

（3）站变损耗功率：

（4）电机通风功率确定，大小为每台机5kW，舞台全开为25kW。泵站照明功率确定，大小为20kW。低压空气能耗量很小，可不计。

（5）机组开、停机能耗：

Py+Pd=0.46×10-3+0.94×10-3=1.4×10-3kW

由计算结果可知，机组开、停机能耗很小，故忽略不计。

利用同样方法可以计算出设计工况下下江都四站、江都二站和宝应泵站机组运行期间辅助设备能耗情况。

各泵站辅助设备能耗计算结果如表3所列。

表3泵站运行期辅助设备能耗及辅助设备各项能耗占辅助设备总能耗百分比

4.4泵站辅助设备能耗分析

辅助设备各项能耗占辅助设备总能耗的百分比如表3所列。

如表所示，清污能耗占各泵站辅助设备总能耗比例都较大；照明能耗在各泵站中所占比例也比较大；如电机通风采用环形风道风机拔风强迫通风方式，通风道阻力较大时，则通风能耗所占比例比较大。因此，在辅助设备节能方面，通过选择合理的清污方式并制定经济清污模式和减少电机通风道损失对节能会有比较明显的效果，另外供水系统采用闭式循环直接供水方式可能应比其他供水方式节能。

5结论

（1）大中型泵站耗能的辅助设备主要有供、排水泵、清污机及皮带输送机、通风机、泵站照明设施和站用变压器。

（2）辅助设备耗能占泵站所耗功率的1%-3%左右，辅助设备能耗中清污能耗、电机通风能耗、站变损耗功率所占比例较大。

（3）大中型泵站可通过选择配套合理的辅助设备，制定正确的运行方案，达到辅助设备节能的目的。

参考文献（References）

[1]程千,周龙才,冯卫民,许建中.基于背包模型的泵站优化运行[J]．武汉大学学报(工学版)，2016，49（2）：168－172

[2]方国华,曹蓉,刘芹,陈策.改进遗传算法及其在泵站优化

运行中的应用[J]南水北调与水利科技.2016,14（2）:142-147

[3]李娜.大型轴流泵站辅助设备的选择[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2017,17（2）:22-25

[4]潘咸昂.泵站辅助设备及自动化[M].北京：水利电力出版社,1989:4-109

[5]江苏省水利工程管理处.江都排灌站[M].第二版,北京：水利水电出版社,1979:256-298

作者简介：杨兴丽，女，1985年1月生，内蒙古赤峰市人，现供职于江苏省江都水利工程管理处，工程师，从事大中型泵站系统效率、大中型泵站拦污清污等方面的研究工作。