水泵装置效率与以电折水系数关系变化规律分析研究

时间：2024-07-28

陈卫国

（天津市水利科学研究院，天津 300061）

1 以电折水系数测算工作背景

为全面贯彻落实党的十九大精神、推进资源全面节约和循环利用、推动形成绿色发展方式和生活方式，依据《国务院办公厅关于推进农业水价综合改革的意见》（国办发〔2016〕2 号）及国家发展改革委等四部委印发的《关于加快推进农业水价综合改革的通知》（发改价格〔2019〕855 号）要求，2020 年天津市全面完成农业水价综合改革工作的任务目标。结合本市实际情况，各区在全部改革区域内充分利用现有的灌溉计量设施，通过采用直接读取、以电折水、断面测流等多种形式，推动农田水利工程全面进行灌溉供水计量，达到农业水价改革实现农业供水计量的目的。

在该项工作研究过程中，对以电折水系数的变化规律进行了重点探索研究，对节约能源、提高效率具有重要的意义。

2 水泵装置效率

水泵站的装置效率是综合反映整个水泵站电机和水泵整体工作效能的一项综合指标，其可以通过水泵装置工作期间的平均净扬程做功与电机输入功率比值计算得到。

水泵设计中采用的样本一般考虑水泵效率，而电机效率并没有一起考虑。所以，若想装置效率的计算更接近于实际，需要明确出泵站装置效率，以便达到节约能源、提高效率的目的。

综上，采用以电折水系数概念来评价水泵站的装置效率，可以更直观反映能源节约程度。

3 以电折水系数相关概念及影响因素

3.1 以电折水系数的定义

以电折水系数是指水泵等电力提水设施在运行过程中，消耗每度电将水提高到一定扬程时能得到的平均出水量。因此，通过以电折水系数可以由一段时段内的用电量推算出其灌溉用水量。其计算公式为，水泵出水量=用电量×以电折水系数。

从定义中可以看出，对于某一扬程的水泵，若水泵效率高，省电，出水量大，则以电折水系数大；反之，水泵效率低，费电，出水量小，以电折水系数小。因此，水泵实际以电折水系数与水泵效率成正比。

3.2 以电折水系数变化范围的复杂性及影响因素

以电折水系数数值的影响因素很多，主要包括：①水泵自身特性的影响；②水泵功率匹配的影响；③机井地下动水位变化的影响；④不同灌溉方式导致的水头损失的影响。

根据分析影响因素，可以找到多种因素影响以电折水系数的大小。但是，经过分析可以知道，这些因素之间存在一定的规律性，在满足一定精度的前提下，可以通过规律分析出实际以电折水系数，并作为水价改革计量出水量的依据。

3.3 与以电折水系数变化规律有关的3个概念及其关系

根据以电折水系数定义，可以引出以下3 个概念，以便分析实际以电折水系数变化规律。

理论以电折水系数是指无任何能量损失的情况下，根据能量守恒定律，消耗1 kW·h 电能得到的提水量。

额定以电折水系数是指按照水泵铭牌标注的额定出水量和额定功率，推算出来的1 kW·h 电应该得到的出水量。

实际以电折水系数是指由于各种能量损耗的情况下，水泵每消耗1 kW·h 电实际得到的出水量。

通过分析计算，得到实际以电折水系数＜额定以电折水系数＜理论以电折水系数。根据3 个系数之间的关系可以看出，额定以电折水系数与理论以电折水系数之间的效率折减是系统客观存在的，在使用过程中是不能消除的。实际以电折水系数与额定以电折水系数之间的效率折减是在水泵运行过程中，由于使用条件的变化，包括折旧、地下水位变化幅度较大等导致的效率折减。

以上范围值为估算范围，若得到准确范围需要大量数据分析统计，但是也可以作为评判以电折水系数是否脱离实际的依据。

4 以电折水系数关系变化规律分析

4.1 实际以电折水系数与理论以电折水系数之间的变化规律

4.1.1 机泵能源单耗计算

理论以电折水系数是指在没有能量损失的理想状态下，1 kW·h 电将水提高到对应扬程的提水量。该系数通过能源单耗可以推导出来。推导过程如下：机井抽水装置由水泵、动力机、管路系统及传动系统等组成。衡量机井抽水装置配套合理与效率高低的一个重要技术经济指标是机井装置效率，它是机井抽水装置的综合效率，以η0表示。

机井装置效率是机井抽水装置输出功率与输入功率的比值，其计算公式为：

式中：P1和P2分别为抽水装置的输出功率和输入功率（kW）。

由于机井装置效率为各项装置包括水泵、动力机、管路系统及传动系统的效率的乘积，所以在实际配套机井运行情况下难以实现分项测量。为了方便计算，一般利用理论能源单耗与实际能源单耗的比值来计算η0。

能源单耗是衡量机井配套合理、效率高低的另一项重要的技术经济指标，是指从机井中提水1 kt·m所消耗的能源数量。其计算公式为：

式中：ΣE 为某一时段内所消耗的电能（kW·h）；ΣV为同一时段内提水总量（m3）；H0为净扬程（m）。经计算，每kt·m功的能源单耗为2.72 kW·h。

4.1.2 通过能源单耗计算理论以电折水系数

由机泵能源单耗可以得出，在无任何能源损失的理想状态下，1 kt·m 功的能源单耗为2.72 kW·h，由此相反可以推导出来，1kW·h 电1 m 扬程提水量为367.647 m3。相应扬程理论以电折水系数成果，详见表1。

表1 相应扬程理论以电折水系数成果

该成果是在没有任何能量损失的理想情况下计算得到的水泵装置对应扬程的最大以电折水系数，该系数就是对应扬程的每度电提水量的最大值即理论以电折水系数。从表1可以看出，扬程越大，理论以电折水系数越小。

4.1.3 通过理论以电折水系数计算实际以电折水系数

机井装置效率是机井抽水装置输出功率与输入功率的比值，其计算公式为：

由式（3）可以看出，输出功率越多，则每度电提到相同扬程的水量应该也越多，二者成正比关系。因此，装置效率η装=P1/P2=实际以电折水系数/理论以电折水系数，从而可以推出实际以电折水系数=η装×理论以电折水系数。

装置效率的大小与泵型有关。据统计，其变化范围在0.3～0.7。但是，《机井技术规范》规定，电动机配套的机井装置效率不应低于45%。据此，可以确定机井装置效率η装变化范围为0.45～0.70。

《泵站技术管理规程》（GB/T 30948-2014）和《泵站更新改造技术规程》（GB/T50510-2009）中泵站装置效率规定值最小值均为0.55，因此理想泵站装置效率η装变化范围为0.55～0.70。结合实际，经综合分析，泵站装置效率η装变化范围可以确定为0.45～0.77。

4.2 额定以电折水系数与理论以电折水系数之间的变化规律

4.2.1 额定以电折水系数

额定以电折水系数是指按照水泵铭牌标注的额定出水量和额定功率，推算出来的1 kW·h电应该得到的出水量。从定义可以看出，额定以电折水系数是水泵厂家生产时在正常使用状态下、水泵达到的正常工作状态。

在扬程一定的情况下，要达到一定的出水量就需要相应的水泵功率，因此需要选配电动机的功率与水泵配套。一般电动机的功率一定大于水泵所需要的功率，但是又不能过大。从节能方面考虑，这样做就避免了“大马拉小车”。为此，在选配的过程就必须做到机泵配合。

4.2.2 通过额定以电折水系数计算额定效率

一般而言，根据水泵铭牌就可以知道对应机井的出水量和功率，二者相除即可得到额定以电折水系数。选定水泵的额定出水量和配套电机额定功率是为了满足实际所需扬程的要求，因此该水泵的额定以电折水系数与理论以电折水系数的比值反映了水泵装置的效率。该效率内已经包括了水泵、电机、管路和传动系统的能量损耗。对于正常使用的机泵而言，通过水泵装置效率统计发现，其额定以电折水系数与理论以电折水系数的比值为0.52～0.73。该额定效率η1=额定以电折水系数/理论以电折水系数。

选定200QJ32 系列水泵样本计算额定系数得到如下成果，详见表2。从表2 可以看出，水泵效率变化范围为0.50～0.62，从而得到η1变化范围为0.50～0.70。

表2 200QJ32系列水泵样本额定以电折水系数及效率计算成果

4.3 实际以电折水系数与额定以电折水系数之间的变化规律

从测试成果看出，实际以电折水系数大小与额定以电折水系数直接相关。实测以电折水系数平均值与额定以电折水系数几乎相同。但是，考虑到在机井运行过程中，随着地下动水位的变化，井实际扬程与水泵额定扬程之间的匹配程度和水泵出水量相应变化。动水位升高，则实际扬程变小，水泵出水量则会增加；相反，动水位下降，实际扬程增大，对应原型号的水泵出水量就会减小。实际的以电折水系数与额定的以电折水系数的比值与地下水动水位密切相关。考虑到区域地下水变化，根据典型机井实际测试的以电折水系数明显趋近于某一个范围，该范围值围绕额定以电折水系数正负波动值为0.1。