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摘要：在我国现代农业发展过程中，多项农业水利灌溉工程投入使用，极大地提升了农业生产效率和质量。在农业水利灌溉工程建设中，高扬程农业提水灌溉设施建设具有重要意义，但是由于扬程较高，泵站在运行过程中需要消耗的电力能源较多。为了做好农业提水泵站的节能优化工作，达到节能减排的目标，笔者对农业水利提水泵站节能降耗方法进行了深入研究与分析，并提出了一些合理的意见和措施，旨在进一步提高农业水利提水泵站节能降耗技术水平。
关键词：农业灌溉；高扬程提水泵站；灌区；节能降耗
我国西北等农业灌溉水源较为缺乏的区域，一般为高扬程提水灌区，当地提水泵站装置利用效率普遍较低，能源消耗较高问题较为严重，不仅造成资源浪费，同时不利于提高农业种植人员的收入。因为水资源较为缺乏，生态环境承载力较弱，必须加强农业灌溉工程建设。当前部分高扬程灌区的基础设备老化问题较为严重，外加技术水平不够先进，导致农业提水泵站能耗处于较高状态，为了落实节能减排目标，则必须加强对节能降耗技术的应用与优化。
1高扬程提水泵站节能降耗的重要意义
高扬程提水灌区在我国西北、西南等农业区域中广泛存在，尤其是在气候干旱、常年降雨量较少的区域，其生态环境较为恶劣，只能通过高扬程提水泵站进行灌溉。但是随着高扬程提水工程使用年限增长，许多提水泵站出现能耗较高的问题，需要采用科学的优化方法，降低高扬程提水泵站的能耗，其重要意义主要体现在以下几个方面：1）提高农民收入水平。在农业发展过程中，通过开展节水、节能以及降耗工作，结合农作物生长的具体情况，采用相应的灌溉措施，在满足农作物生长水资源的基础上，能够减少农业种植成本，从而提高农民经济收入，对于乡村振兴战略的全面落实具有重要意义。2）提高农业生产力。采用科学的节能降耗技术，将其应用在农业水利工程高扬程提水灌区泵站改造中，能够节省更多的渠道占地，从而增加可用耕地面积，最大程度减少农田中的沟渠等基础设施，扩大农作物种植区域，从而能够有效提高农业生产力。与此同时，采用喷灌、滴灌等灌溉方式，不需要提前对种植区域进行土地平整处理，从而减少种植工作量，能够有效降低农业种植成本。3）促进农业可持续发展。在现代化农业建设过程中，节能、降耗以及环保，一直以来都是农业发展追求的目标，为了实现农业可持续发展，则需要对高扬程提水灌区进行节能降耗升级[1]。
2高扬程提水灌区泵站能耗较大的主要原因
本文以某高扬程提水工程为例进行分析。该工程位于河西走廊东部区域，是一项扬程较高、流量较大且存在多梯级的高扬程提水灌溉工程。该工程始建于 1970 年，在 1973 年正式投入使用，设计灌溉面积为 31 000 亩，实际灌溉面积为 24 150 亩；设计提水流量为 1.4 m3/s，实际提水流量为 1.0 m3/s，总装机容量为 11 180kW，总扬程为 610 m 左右。到目前为止，已经建成的农业灌溉提水泵站为 12 座，主要负责当地果园以及 12 个自然村，超过 17 000 亩的农田，超过 5 900 亩绿化林木的灌溉任务。该高扬程提水工程的建设，使得当地农业、畜牧业以及林业的发展水平得到很大提升，有效改善了当地农业生产条件。但是在经过多年的使用后，该高扬程提水泵站出现了严重的设备老化问题，使得事故隐患逐渐增加。当前泵站受到建设时的客观条件影响，出现了耗能较高、工程效益不断下降的问题。在对高扬程提水泵站进行节能降耗改造前，必须明确耗能高问题产生的主要原因。笔者根据对该高扬程提水泵站的分析，总结如下几项因素。
2.1水泵规定扬程高于实际
该高扬程提水灌区大部分泵站建设时间较早，受到当时客观条件以及技术水平的影响，存在水泵型号和种类不全等问题，导致没有合适的水泵型号可以选择；没有根据平均扬程选择合适的水泵，而是为了提高灌溉效率采用最大扬程，还有部分水泵按照超大扬程进行选择，比如某支杆泵站水泵型号为200D43*6，该水泵额定扬程为 260m，但是水泵却常年在120m~150 m的扬程范围内使用，水泵额定扬程远远超过实际所用扬程，而较大扬程的水泵运行能耗高于较小扬程水泵，从而导致水泵整体能耗较高[2]。
2.2配套设施不够完善
受到该高扬程提水泵站建设时的条件影响，难以选择合适的水泵机型，从而采用功率较高的动力机，且许多泵站设备为临时拼装，缺乏完善的配套设施。同时，该泵站没有按照所需要的实际功率采用相应的动力机，而是采用较为保守的备用系数，动力机功率较大，水泵的配套功率较小，从而使得动力机运行所产生的能源消耗无法转换为实际所需，动力机的运行功率较高，是引起能耗较高的主要原因之一。
2.3机组流量不匹配
该高扬程提水灌区的泵站中，现有机组选型是按照当时灌区的实际情况确定的，当时农作物主要是粮食，以小麦为主。小麦作物生长的需水量较大，且具有明显的季节性特点，灌溉次数较少，单次灌溉水量较大，因此采用较大的流量机组。而经过多年的发展，该灌区的农作物结构发生很大变化，经济作物逐渐增多，现有泵站大部分流量机组已经不符合农作物灌溉需求实际情况。例如某水泵机组的配套设施为 2 台 14 sh-9 A 水泵，流量为 1 180m3/h；1 台 20 sh-9水泵，流量为 2 015 m3/h。在需要对农作物进行灌溉时，其他主干水泵经过改造后都能够采用较小流量的机组，而主干二机组依然为大流量机组，所种植的经济作物单次需水量较少，需要采用少量多次的灌溉方式，而主干二泵每次灌溉因为流量较大，从而导致消耗的能量较大，且会引起灌溉水超出所需的问题，对农作物生长会产生很大不利影响。高扬程提水泵站与实际所需灌溉流量不匹配的问题，是引起高扬程提水灌区能耗较高的主要因素，所以在对其进行优化时，需要充分考虑到高扬程提水泵站与实际所需灌溉水量之间的关系。
2.4泵站管路运行效率较低
因为该高扬程提水灌区泵站管道使用年限较长，所以存在运行效率较低的问题，且已经发生过多次管道爆裂事故。该灌区的泵站压力管道为 800mm 铸管，质量已经难以达到要求，锈蚀问题较为严重，导致管道断裂问题频繁发生；部分钢管的管壁已经从原有 80 mm 厚度，变为 40 mm 左右厚度；且管道整体长度较长，具有多处弯头，在较大的供水压力下，导致高扬程提水泵站运行能耗无法降低，整体能耗偏高。该问题较为突出，且尚未制定科学有效的解决方法。
3高扬程提水灌区泵站节能降耗有效方法的分析
通过上文的分析可以看出，当前该高扬程提水灌区泵站存在能耗较高的问题，且受到的影响因素较多。为了促进当地农业经济发展，提高农民收入水平，同时促进当地农业现代化建设，需要对该老旧高扬程提水泵站进行改造。因为高扬程提水泵站的装置效率由水泵、机组、管道以及进水池和传动效率的乘积决定，所以在对其进行节能降耗改造前，需要分别计算出动力装置、管道以及进水池的运行效率。运行效率的计算公式为 η站=η动*η泵*η管*η池，η站越高则说明高扬程提水泵站节能降耗效果越好，其中任何一个环节的功率变化，都可能引起其他环节的运行效率变化，因此改造措施需要结合该高扬程提水泵站的实际情况。依据该高扬程提水灌区的实际情况，结合相关实践经验，笔者总结如下几项有效的节能降耗优化改造措施。
3.1提升动力机运行效率
高扬程提水灌区电力工程中，动力机的主要形式为电动机站，通过提高电动机的运行效率能够有效提升节能降耗实际效果。在优化过程中，除了从设计制造方面加以优化，同时采用如下几项有效的改造措施：1）机组配套优化。机组配套功率的备用系数不能过大，由于在电动机负荷较低的情况下，其运行效率较低，电动机的运行功率也会因此降低，将导致输电线路和变压器损耗增加，所以需要避免大功率设备带动小流量机组的问题发生。但是配套功率的配用系数不能过小，不然会导致电动机运行负荷较大，从而缩短电动机使用寿命。通常情况下，电动机的效率曲线需要保持在 1.0~1.7 范围内。从节能降耗的角度来看，效率系数为 0.8 时最佳，所以需要将该高扬程提水泵站的电动机运行效率调整为 0.8 左右。2）优化电动机转速。在不降低电动机的传动效率的基础上，为了保证高扬程提水泵站运行效率更高，则需要采用优化电动机绕组接线的方法，将“△”接线方法改变为“Y”接线方法，同时选择最为先进的产品，确保所选择产品的质量，同时辅以日常检修工作，能够有效提高电动机自然功率因数，从而降低高扬程提水泵站运行能耗[3]。
3.2提高水泵运行效率
为了有效保障高扬程提水泵站节能降耗改造效果，需要对水泵的运行效率与水泵设计制造水平进行优化，主要方法包括：1）在对水泵的优化设计方面，需要使得叶片流道断面发生突变的问题减少，从而减少脱壁漩流与二次回流问题；需要对叶片和导叶，叶轮和进水室、出水室，叶轮与隔舌等构件的相互配合进行优化，减少不稳定流动的问题发生；提升过流区域的加工精度，从而减少叶轮、导叶等区域的摩擦阻力损失。通过对水泵的优化设计，能够有效减少水力损失，使其功率效果能够最大化发挥，从而降低功耗。2）在水泵的选型方面，需要按照水泵性能曲线与配套管道系统的曲线，明确水泵运行的平均扬程、最大扬程时的功率参数，保证水泵大部分时间都处于最大扬程的高效运行区域中，从而能够有效提高水泵运行电力消耗利用率。同时，水泵在平均扬程范围内运行时以及在高效区域运行时，确保水泵能够保持平稳运行，避免出现较大的运行波动；针对当前扬程与功率不匹配的水泵，需要对其进行调节和优化改造；若水泵工作性能参数与实际需求不符合，则水泵将会长期处于低效率区域运行，针对该问题可以应用改变水泵性能缺陷的方式，将工作重点进行转移，从而能够有效改变水泵性能曲线，降低能耗[4]。3）在运行管理方面，需要保证高扬程提水水泵依据最优的方案运行，防止出现水利损失过大的问题。同时，因为汽蚀或泥沙磨损等，会导致水泵叶轮出现变形，当发现该问题时，需要立即对其进行维修、更换；水泵变速、变角以及变径等调整都需要保证在允许范围内，若水泵工作点性能与实际需求相差较大，或叶轮等构件出现损坏，需要更换新的零部件保证水泵运行正常，从而能够提高水泵能耗利用率[5-6]。4）需要加强对水泵的日常维修和保养工作，因为水泵在经过一段时间的运行后，叶轮等必然会出现磨损，使得能量损失问题加剧。所以为了提高水泵运行效率，需要加强日常养护工作，定期更换磨损严重的内部构件，其中容易发生磨损的构件为叶轮以及轴承等。
3.3提高高扬程提水水泵管路运行效率
提高管路运行效率，是降低高扬程提水水泵运行能耗的有效方式，所以在本次对高扬程提水灌区的水泵节能降耗优化过程中，采用如下几项方法：1）确定合适的管径。管道作为高扬程提水水泵的重要组成部分，对于高程投资和节能效果具有很大影响。在管径增加的情况下，管道阻力则会减少，耗电量以及年运行成本将会降低，但是一次性投资会增加；相反，管道直径如果减小，管道内阻力会增加，水力损耗会随之而提升，年运行成本提高，但是一次性投资总量会有所降低。因此，在对高扬程提水水泵管径进行优化时，需要结合实际投资情况，按照节能降耗的设计方案确定最佳的管径，依据高扬程提水泵站运行费用和管路投资情况，确定最优的设计方案。在选择管路时，需要采用良好的方案，对流速进行有效控制，通常情况下需要控制在 1.5m/s~3.0m/s，同时可以采用玻璃夹纱管等降低管道损耗；钢管具有韧性较好、耐压性较好的特点，但是容易受到腐蚀，所以需要做好防腐处理。2）合理规划管道长度。通常情况下，管道长度越长，管道运行效率越低，产生的能耗则越高，所以需要尽量缩短管道长度，从而减少整体投资，同时节约电力能源；进水管道和出水管道长度需要尽量缩短，并减少弯头的使用[7-8]。
3.4提高进出水池运行效率
1）需要对当前高扬程提水水泵中不合理的进出水池进行改造，主要是对尺寸以及形状进行优化，减少池内出现旋涡、回流以及脱壁等问题，从而提高进出水池运行效率，提高电力能源使用率，减少不必要的电力能源浪费问题发生。2）需要做好进出水池的维护管理工作，定期清除进出水池内部杂物，防止杂草、漂浮物等影响进出水池运行效率。在没有杂物的情况下，高扬程提水水泵整体运行效率则能够提升，减少电力能源消耗[9-10]。3）需要保证水泵具有一定的研磨深度，因为水源条件的变化会使得进出水池的水泵吸入管口最小淹没深度降低，导致旋涡问题出现，所以需要保证具有充足的淹没深度，避免该问题发生，从而能够有效提升高扬程提水水泵运行效率，这是节能降耗的有效优化方法。
4结束语
综上所述，本文全面阐述了农业水利工程中高扬程提水水泵节能降耗的重要意义，并结合某高扬程提水工程的具体情况，对其能耗较大的原因进行分析，最后提出多项有效的节能降耗优化方法，希望能够对高扬程提水灌区泵站改造工程起到一定的借鉴和帮助作用，不断提高节能降耗水平。
作者：韩晓娟 单位：甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心
