多级泵站系统能耗的计算方法

董加新; 王智; 王玉川; 陈晓俊; 杨建国; Jia-xin DONG; Zhi WANG; Yu-chuan WANG; Xiao-jun CHEN; Jian-guo YANG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (5) : 43-48.

农田水利

多级泵站系统能耗的计算方法

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Calculation Method for Energy Consumption of Multistage Pumping Station System

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摘要

在总结多级泵站系统工作组合方式的基础上，推导了多级泵站系统固有能耗参数和实际能耗参数的计算方法，其中固有能耗参数是指多级泵站系统无分流情况下的能耗参数。以东雷抽黄灌区2019年冬季灌溉新民多级泵站系统的实测数据为例，讨论了固有能耗参数与实际能耗参数之间的关系，分析了水泵机组及泵站系统的运行情况。对于一个固定组成的多级泵站系统，各水泵机组性能稳定情况下固有能耗参数为一定值，其实际能耗参数随工况变化而变化，固有装置效率通常小于实际装置效率。水泵机组及泵站系统的能耗参数可作为运行状态监测、最优运行调度方案和节能改造的标准，同时也可为灌区水价的制定及灌区财政补贴提供依据。

Abstract

On the basis of summarizing the working combination of the multi-stage pumping station system， the calculation methods of the inherent energy consumption parameters and the actual energy consumption parameters of the multi-stage pumping station system are derived， the inherent energy consumption parameters refer to the energy consumption parameters in the case of no diversion in the multi-stage pumping station system. Taking the measured data of the Xinmin system for 2019 winter irrigation in Donglei Yellow River pumping system as an example， the relationship between the inherent energy consumption parameter and the actual energy consumption parameter is discussed， and the operation of the pump unit and pumping station system is analyzed. For a fixed multi-stage pumping station system， the inherent energy consumption parameter is a certain value when the performance of each pump unit is stable， and its actual working efficiency varies with operating conditions. The inherent device efficiency is usually less than the actual device efficiency. The energy consumption parameters of the pump unit and the pumping station system can be used as standards for operating status monitoring， optimal operation scheduling and energy-saving transformation， and can also provide a basis for the formulation of irrigation district water prices and financial subsidies for irrigation districts.

关键词

多级泵站 / 系统能耗 / 能源单耗 / 能耗系数 / 计算方法

Key words

multi-stage pumping station / system energy consumption / energy unit consumption / energy consumption coefficient / calculation method

基金

国家自然科技基金项目(51809218)

陕西省水利科技项目(2018slkj-8)

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董加新 , 王智 , 王玉川 , 陈晓俊 , 杨建国. 多级泵站系统能耗的计算方法[J].中国农村水利水电, 2021(5): 43-48

Jia-xin DONG , Zhi WANG , Yu-chuan WANG , Xiao-jun CHEN , Jian-guo YANG. Calculation Method for Energy Consumption of Multistage Pumping Station System[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(5): 43-48

0 引言

高扬程大型引黄提灌泵站主要分布于黄河中上游的陕西、甘肃、宁夏、山西等省（区），具有扬程高、梯级多、总装机功率大、输水距离远的特点。这些多级泵站是由不同类型、型号和数量的水泵机组构成的复杂多级泵站系统，水泵机组受级间水位、泵站之间的流量匹配的影响而开关不同的机组，同时，级间又存在水量分流情况，因此整个多级泵站系统能耗的准确计算一直是待解决的问题^［1］。泵站实际运行过程中的能耗是灌区水价制定^［2-5］、财政补贴和节能降耗的主要依据，也可作为水泵机组运行状态监测的参数。东雷抽黄灌区管理部门提出，对于多级泵站的运行管理，系统能耗参数具有重要的参考和应用价值，需要简便、准确的多级泵站系统能耗的计算方法。

描述泵站工作能耗常用的3个参数为装置效率、能源单耗和能耗系数，三者既有联系又有区别。装置效率^［6］是指泵站将动力机的机械能转换为液体能量的大小，是水泵、电动机、传动装置、管路（包括闸阀）等各项效率的综合反映^［7，8］，但其不能直观地反映出输送的水量与耗电量之间的关系。能源单耗^［6，9］是指将千吨水提高1 m的耗电量，考虑了能耗与提水高度及输送水量之间的关系，实际上是泵站装置效率的转化形式，用此种评价指标还是不能直观反映出泵站系统的耗能量。能耗系数^［10］是指提升单位体积液体至一定高度的耗能量，与装置效率及提水高度均有关，可以直观反映提水高度与耗能量的关系。

泵站装置效率是有效能量与输入能量之比。有效能量计算实际上应该采用灌区用水终端的流量与扬程参数计算，所以不同的文献考虑不同的损失因素，比如电机效率^［11］、泵段效率^［12］以及输水过程中的各种损失^{［1，13-15］}等，从而提出了不同形式的计算公式。但是，实际运行中终端的相关参数获取比较困难，不利于实际采集和计算。对于实际的泵站运行管理而言，易于测得各台泵电网输入的功率、水泵的流量和扬程，因此本文基于这些参数推导能耗参数计算公式。

能源单耗及能耗系数通常作为能耗高低评价指标。单台水泵的能源单耗或能耗系数易于求得，而多级泵站系统的能耗与各台水泵的性能、组合形式及工作时间有关，目前没有成熟的计算方法。本文推导多级泵站系统的能源单耗和能耗系数的计算方法，旨在为政府对灌区水价进行经济补贴，泵站管理局进行水价制定，校核成本以及泵站节能改造^［16］提供依据。另外，通过计算多级泵站系统的能耗，可以确定能耗最低的组合，为泵站的运行调度提供依据^［17-19］，并监测水泵机组的运行状态。

1 能源单耗和能耗系数的定义

1.1 能源单耗

泵站的能源单耗是指将千吨水提高1 m所耗电量^［6，9］，单位是kWh/（kt·m），其表达式如下：

e = \frac{P}{3.6 Q H} = \frac{γ P}{3.6 γ Q H} \approx \frac{2.72}{η}

（1）

式中：e为能源单耗值，kWh/（kt·m）；Q为某时间段内水泵的平均流量，m³/s；H为某时间段内水泵的平均扬程，m；P为水泵机组的实测平均功率，kW；γ为水的容重，kN/m³；η为泵站的装置效率。

泵站的能源单耗是泵站装置效率的另一种表达形式，两者之间的关系为η=2.72/e，可以看出，泵站的能源单耗越大，效率越低，能源单耗值直观的表示出泵站的整体工作的能耗情况。

1.2 能耗系数

泵站的能耗系数是指输送单位体积（1 m³）液体的能耗量^［9，10］，其具体表达式为：

K_{E} = \frac{E}{Q T} = \frac{P}{3 600 Q} = \frac{e H}{1 000 η} = 2.72 \times 10^{- 3} \frac{H}{η}

（2）

式中：K_E 为能耗系数，kWh/m³；E为某时间内水泵消耗的电能，kWh；Q为单位小时内流过水泵水的体积，m³/h；T为计算时间段，h。

由上式可知，能耗系数表征了能耗与扬程的关系。与能源单耗相比，可以比较当能源单耗或者泵站装置效率相同时泵站能耗量的大小^［8］。

多级泵站系统实际运行过程中，由下面两种情况组成，一是计算一多级泵站系统在一段工作时间内的能耗参数，该多级泵站系统由多级串联（有分流和无分流两种情况），多台水泵并联（分为具有相同扬程和不同扬程两种情况）组成；二是计算一段时间内不同的多级泵站系统工作不同时间的系统能耗，比如某泵站的冬灌或者春灌期间，启动了不同的多级泵站系统，管理部门需要确定该灌溉期的多级泵站系统能耗。

对于一个固定的多级泵站系统，将其系统能耗参数分为两种类型考察，一种是系统的固有能耗参数，指将相同水量从首级提到末级的系统能耗，即无分流情况下的系统能耗；第二种是系统的实际能耗参数，泵站系统实际运行中，各级泵站的提水量不断变化，其实际能耗参数也不断变化，反映了系统的即时能耗特性。对于一段时间内不同的多级泵站系统工作的情况，因为系统能耗参数与各系统的工作时间有关，只计算其实际能耗参数。下面分别推导上述情况系统能耗参数的计算方法。

2 多级泵站系统固有能耗参数计算

多级泵站系统的固有能耗参数是指将相同流量的水从首级提至末级特定高度的能耗参数。实际泵站系统运行中，这种情况一般不存在，需根据已知的测量参数进行推导。

2.1 多级泵站串联系统的能源单耗和能耗系数

以两级串联泵站为例，计算系统的固有能源单耗及能耗系数，如图1所示，已知各单级泵站测得的平均功率为P ₁、P ₂，流量为Q ₁、Q ₂，其中Q ₂≤Q ₁，扬程为H ₁、H ₂，则可由式（1）计算各级泵站的能源单耗e ₁、e ₂，由式（2）计算各级泵站的能耗K_E ₁，K_E ₂。

图1 两级泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图

Fig.1 Schematic diagram of deriving unit energy consumption and energy consumption coefficient of two-stage pumping station

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将两级泵站简化为单级泵站模型，假设单级泵站模型流量为Q ₁，扬程为H ₁+H ₂，则假设的单级模型与实际的两级模型相比，相当于把Q ₁-Q ₂的流量提高了H ₂，消耗的额外功率应为

{P_{2}}^{'} = 3.6 (Q_{1} - Q_{2}) H_{2} e_{2} = \frac{(Q_{1} - Q_{2}) P_{2}}{Q_{2}}

（3）

因此，假设的单级泵站消耗的总功率为P=P ₁+P ₂+P ₂΄，根据公式（1）计算可得两级串联泵站的能源单耗为：

e = \frac{P}{3.6 Q_{1} (H_{1} + H_{2})} = \frac{(P_{1} + P_{2} + {P_{2}}^{'})}{3.6 Q_{1} (H_{1} + H_{2})} = \frac{e_{1} H_{1} + e_{2} H_{2}}{(H_{1} + H_{2})}

（4）

同理可得，三级串联泵站（Q ₃≤Q ₂≤Q ₁）的能源单耗为：

e = \frac{e_{1} H_{1} + e_{2} H_{2} + e_{3} H_{3}}{(H_{1} + H_{2} + H_{3})}

（5）

故n级串联泵站（Q_n ≤…≤Q ₂≤Q ₁）的能源单耗为：

e = \frac{\sum_{i = 1}^{n} e_{i} H_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} H_{i}}

（6）

根据公式（2）、（3）计算可得假设的单级泵站（即两级串联泵站）的能耗系数为：

K_{E} = \frac{P_{1} + P_{2} + {P_{2}}^{'}}{3 600 Q_{1}} = K_{E 1} + K_{E 2}

（7）

同理可得，三级串联泵站（Q ₃≤Q ₂≤Q ₁）的能耗系数为：

K_{E} = \frac{P_{1} + P_{2} + P_{3} + {P_{2}}^{'} + {P_{3}}^{'}}{3 600 Q_{1}} = K_{E 1} + K_{E 2} + K_{E 3}

（8）

故n级串联泵站（Q_n ≤…≤Q ₂≤Q ₁）的能耗系数为：

K_{E} = \sum_{i = 1}^{n} K_{E i}

（9）

2.2 多台泵并联单级泵站系统的能源单耗及能耗系数

以单级泵站不同扬程的两台水泵并联为例，计算系统的能耗系数，如图2所示，已知各单泵的平均功率为P ₁、P ₂，流量为Q ₁、Q ₂，扬程为H ₁、H ₂，其中H ₂≥H ₁，则可由式（1）计算各个水泵的能源单耗e ₁、e ₂，由式（2）计算各级泵站的能耗K_E ₁，K_E ₂。

图2 不同扬程两台水泵并联泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图

Fig.2 Schematic diagram of derivation of unit energy consumption and energy consumption coefficient of two pump stations in parallel with different heads

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将两台不同扬程的并联水泵简化为单台水泵模型，假设的单台水泵模型流量为Q ₁+Q ₂，扬程为H ₂，单台水泵模型与实际的两台水泵模型相比，相当于把Q ₁的流量提高了H ₂-H ₁，消耗的额外功率为：

{P_{1}}^{'} = 3.6 Q_{1} (H_{2} - H_{1}) e_{1} = \frac{(H_{2} - H_{1})}{H_{1}} P_{1}

（10）

因此，假设的单级泵站消耗的总功率为

P = P_{1} + P_{2} + {P_{1}}^{'}

，根据公式（1）计算可得两台不同扬程并联的单级泵站的能源单耗为：

e = \frac{P_{1} + P_{2} + {P_{1}}^{'}}{3.6 (Q_{1} + Q_{2}) H_{2}} = \frac{e_{2} Q_{2} + e_{1} Q_{1}}{Q_{1} + Q_{2}}

（11）

同理可得，不同扬程三台水泵（H ₁≤H ₂≤H ₃）和n台水泵（H ₁≤H ₂≤…≤H_n ）并联的单级泵站的能源单耗计算公式分别为：

e = \frac{e_{1} Q_{1} + e_{2} Q_{2} + e_{3} Q_{3}}{(Q_{1} + Q_{2} + Q_{3})}

（12）

e = \frac{\sum_{i = 1}^{n} e_{i} Q_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} Q_{i}}

（13）

从上式可以看出，并联泵的能源单耗计算公式与水泵扬程无关。

根据公式（2）和式（10）计算可得不同扬程两台水泵（H ₁≤H ₂）并联的单级泵站的能耗系数为：

K_{E} = \frac{P_{1} + P_{2} + {P_{1}}^{'}}{3 600 Q_{1}} = \frac{P_{1} + P_{2} + \frac{P_{1} (H_{2} - H_{1})}{H_{1}}}{3 600 (Q_{1} + Q_{2})} = \frac{Q_{1} \frac{H_{2}}{H_{1}} K_{E 1} + Q_{2} K_{E 2}}{Q_{1} + Q_{2}}

（14）

同理可得，不同扬程3台水泵（H ₁≤H ₂≤H ₃）并联的单级泵站的能耗系数为：

K_{E} = \frac{Q_{1} \frac{H_{3}}{H_{1}} K_{E 1} + Q_{2} \frac{H_{3}}{H_{2}} K_{E 2} + Q_{3} K_{E 3}}{Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}}

（15）

故不同扬程n台水泵（H ₁≤H ₂≤…≤H_n ）并联的单级泵站的能耗系数为：

K_{E} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} K_{E i} Q_{i} \frac{H_{n}}{H_{i}}}{\sum_{i = 1}^{n} Q_{i}}

（16）

当H_i=H_n 时，有：

K_{E} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} K_{E i} Q_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} Q_{i}}

（17）

利用上述公式计算多级泵站系统能耗的原则是，先计算同级的并联，再计算串联。

3 多级泵站系统的实际能耗参数计算

3.1 固定系统的实际能耗参数

根据多级泵站系统中各台水泵机组的工作流量Q_i 、扬程H_i 和输入的平均功率P_i 求得多级泵站系统的实际装置效率，计算公式为：

η_{s} = \frac{γ \sum_{i = 1}^{n} Q_{i} H_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} P_{i}}

（18）

而多级泵站系统实际的能源单耗e_s 可根据式（1）求得，提水至不同高度的能耗系数K_Es 可根据式（2）求得。

3.2 不同系统工作不同时间的能耗参数

以两个系统分别工作时间长度T ₁和T ₂为例，各个系统的实际装置效率由式（18）计算，分别为η_s ₁和η_s ₂。将两个工作不同时长的系统假设为工作时间T ₁+T ₂的系统，根据能量守恒，对于假设的系统有如下公式成立。

γ {(Q H)}_{s T} (T_{1} + T_{2}) = γ {(Q H)}_{s 1} T_{1} + γ {(Q H)}_{s 2} T_{2}

（19）

P_{s T} (T_{1} + T_{2}) = P_{s 1} T_{1} + P_{s 2} T_{2}

（20）

其中：

{(Q H)}_{s 1} = \sum_{i = 1}^{n} Q_{1 i} H_{1 i} = \frac{η_{s 1} \sum_{i = 1}^{n} P_{1 i}}{γ} = \frac{η_{s 1} P_{s 1}}{γ}

（21）

{(Q H)}_{s 2} = \sum_{i = 1}^{n} Q_{2 i} H_{2 i} = \frac{η_{s 2} \sum_{i = 1}^{n} P_{2 i}}{γ} = \frac{η_{s 2} P_{s 2}}{γ}

（22）

则：

{(Q H)}_{s T} = \frac{{(Q H)}_{s 1} T_{1} + {(Q H)}_{s 2} T_{2}}{(T_{1} + T_{2})} = \frac{η_{s 1} P_{s 1} T_{1} + η_{s 2} P_{s 2} T_{2}}{γ (T_{1} + T_{2})}

（23）

P_{s T} = \frac{P_{s 1} T_{1} + P_{s 2} T_{2}}{T_{1} + T_{2}}

（24）

η_{s T} = \frac{γ {(Q H)}_{s T}}{P_{s T}} = \frac{η_{s 1} P_{s 1} T_{1} + η_{s 2} P_{s 2} T_{2}}{P_{s 1} T_{1} + P_{s 2} T_{2}}

（25）

对于有n个不同系统工作不同时段时，有：

η_{s T} = \frac{\sum_{i = 1}^{n} η_{s i} P_{s i} T_{i}}{\sum_{i = 1}^{n} P_{s i} T_{i}}

（26）

根据式（1）可计算确定此种情况的能源单耗，而能耗系数对这种情况无明显的物理意义，可不予以考虑。

4 计算方法应用

4.1 东雷抽黄新民系统概况

东雷抽黄工程采取无坝引水，分区分级的抽水办法，由一级站把黄河水提入总干渠，沿总干渠自北向南构成东雷、新民、乌牛、加西4个塬上灌溉系统，总装机功率达11.86 万kW，是大型引黄泵站系统。新民系统共设6个抽水站，装机27台，功率达23 005 kW，累计最大扬程达290 m以上，整个系统包括新民二级站，东洼三级站，黑池四级站，坡里五级站，申庄六级站以及西王庄七级站。图3为新民系统多级泵站系统图及2019年冬灌T ₁、T ₂时段内系统1、系统2中水泵实际运行图，可以看出各级泵站不同的水泵运行会组成不同的多级泵站系统，其固有能耗参数随系统不同而不同，但对固定的系统，由于首级提水流量一般变化幅度非常小，认为其不变，则其固有能耗参数为一定值。

图3 新民多级泵站系统图及T ₁、T ₂计算时段内系统1、2的水泵实际运行图

注：图中所标参数为各级泵站水泵的额定参数；标记T ₁代表系统1中运行的水泵，标记T ₂代表系统2中运行的水泵，用颜色填充的代表系统1、2中均运行的水泵；T ₁指2019.12.10 8 h-2019.12.11 8 h，总计24h；T ₂指2019.12.12 12 h-2019.12.14 12 h，总计48 h。

Fig.3 Xinmin multi-stage pumping station system diagram and the actual operation diagram of the pumps of systems 1 and 2 during the calculation period of T1 and T2

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表1和表2分别为运用多级泵站系统能耗计算公式对图3所示新民多级泵站系统2019年冬灌T ₂时段（48 h）系统2中各级泵站和系统能耗的计算结果；表3计算了工作时间为T ₁、T ₂系统1、2实际能耗参数及在T ₁+T ₂时段内系统的实际能耗参数。

表1 2019年东雷抽黄工程T ₂时段内新民系统各级泵站实测参数表

Tab.1 Measured parameters of pump stations at all levels of Xinmin system during T ₂ period of Donglei irrigation Project in 2019

名称		实测参数				能耗参数
泵站名称	水泵编号	扬程/m	流量/（m³·s^－1）	功率/ kW	效率/ %	能源单耗/ ［kWh·（kt·m）^-1］	能耗系数/ （kWh·m^-3）	效率/ %
新民二级站	1号	152	3.41	6 209.23	81.81	3.328 7	0.505 8	81.71
东洼三级站	3号	36	0.72	390.46	65.06	4.157 8	0.149 6	65.42
	4号	36	0.70	311.38	79.31	3.428 6	0.123 4	79.33
	5号	36	0.59	291.38	71.44	3.830 7	0.137 8	71.01
	8号	36	0.56	277.23	71.27	3.795 9	0.136 6	71.66
黑池四级站	1号	26	0.67	295.62	57.75	4.730 7	0.123 0	57.50
	3号	26	0.70	285.23	62.53	4.338 6	0.112 8	62.69
	5号	26	0.59	198.15	75.87	3.599 9	0.093 6	75.56
坡里五级站	2号	27	0.68	279.42	64.39	4.248 3	0.114 7	64.03
坡里五级站	4号	27	0.66	288.67	60.50	4.483 9	0.121 0	60.66
申庄六级站	1号	22.3	0.58	190.75	66.45	4.096 7	0.091 3	66.40
西王庄七级站	2号	32.5	0.22	102.86	68.15	3.996 1	0.129 8	68.07
西王庄七级站	3号	18.5	0.21	93.62	40.68	6.693 8	0.123 8	40.63

注：实测参数中的效率用效率公式η=γQH/P计算，能耗指标中的效率用能源单耗计算η=2.72/e。

表2 T ₂时段内各级泵站子系统及多级泵站系统实测数据和能耗计算结果表

Tab.2 Table of measured data and energy consumption calculation results of various pump station subsystems and multi-stage pump station systems during the T ₂ period

泵站名称	实测参数				固有能耗参数
泵站名称	扬程/ m	流量/ （m³·s^-1）	功率/ kW	效率/ %	能源单耗/ ［kWh·（kt·m）^-1］	能耗系数/ （kWh·m^-3）	效率/ %
新民二级站	152	3.41	6 209.23	81.81	3.328 7	0.505 8	81.71
东洼三级站	36	2.57	1 270.45	71.37	3.805 7	0.137 0	71.47
黑池四级站	26	1.96	779.00	64.11	4.250 4	0.110 5	63.99
坡里五级站	27	1.34	568.09	62.41	4.364 8	0.117 8	62.32
申庄六级站	22.3	0.58	190.75	66.45	4.096 7	0.091 3	66.40
西王庄七级站	32.5	0.22	196.48	55.04	5.313 6	0.172 6	51.19
西王庄七级站	18.5	0.21	196.48	55.04	5.313 6	0.172 6	51.19
新民系统	295.8	‒	9 214.00	76.79	3.838 3	1.134 9	70.86

表3 T ₁、T ₂时段内系统1、2实测数据和T ₁+T ₂内新民系统实际能耗计算结果表

Tab.3 Table of actual measurement data of systems 1 and 2 during T ₁ and T ₂ and actual energy consumption calculation results of Xinmin system in T ₁+T ₂

名称

T ₁时段实测数据

T ₂时段实测数据

T ₁+T ₂时段

总功率/

效率/

能源单耗/

［kWh·（kt·m）^-1］

能耗系数/

（kWh·m^-3）

总功率/

效率/

能源单耗/

［kWh·（kt·m）^-1］

能耗系数/

（kWh·m^-3）

效率/

能源单耗/

［kWh·（kt·m）^-1］

实际能耗参数

9 437.90

77.89

3.492 0

1.032 9

9 214

76.79

3.542 3

1.047 8

77.16

3.525 1

4.2 计算结果分析

由表1可以看出，多级泵站系统中各单台水泵机组的能耗参数与实际能耗参数相同；表2显示，相同扬程并联的水泵机组按照本文推导的能耗参数计算方法与实际能耗参数计算结果一致，说明此时系统的固有能耗参数与实际能耗参数相同。但是，对于不同扬程并联的西王庄七级站和整个新民系统，实际能耗参数与第2节中推导的固有能耗参数结果不一致，系统固有能耗参数小于实际能耗参数。这是因为本文推导的多级泵站系统固有能耗将首级泵站的流量从下游输送到上游的能量利用率，而实际工作的泵站在每一级都有分流，高一级泵站提升的水量小于首级泵站提水量。通常泵站的规模随着级数的提高，规模也逐渐减小，其泵站的装置效率逐渐降低，也就意味着实际工作中装置效率高的泵站提水量大，装置效率低的泵站提水量小，因此会出现新民多级泵站系统的实际装置效率高于固有装置效率。

经推导分析，固有能耗参数与实际能耗参数有如下关系，对串联系统而言，Q_n <…<Q ₂<Q ₁，通常有η_i <η ₁，固有装置效率为系统的最小装置效率。反之，如果出现η_i >η ₁，则实际工作装置效率有可能小于固有装置效率。对H ₁≤H ₂≤…≤H_n 的并联机组而言，如果η_i <η_n，推导的固有装置效率为最小的装置效率；反之，如果出现η_i >η_n，就有可能出现实际工作装置效率小于固有装置效率。对于不同系统工作不同时间的情况，其能耗参数与各系统的工作时间有关，因此，只计算实际能耗参数即可。

调查发现，泵站在实际运行管理中有时采用系统的实测总功率（总耗电量）、首级泵站的流量和多级泵站系统总扬程计算系统能耗，计算的值偏小，装置效率偏高。新民系统若采用这种方法计算，得出的装置效率为105.3%，与物理规律不符，这种计算方法有误，不能作为应用参考依据。

水泵机组或多级泵站系统的能耗参数可以作为水泵运行状态监测指标，进行实时监测，对于参数异常的水泵机组要及时检修和查找原因，确保多级泵站系统的稳定高效运行。比如，新民系统中的东洼三级站，额定参数相同的三台水泵机组（3号、4号、5号）同时运行时，能源单耗差异明显，说明能源单耗高的水泵存在一定的问题，要及时检修查找原因。黑池四级站也存在同样的问题。西王庄七级站已运行20多年，尚未改造，机组运行效率低，能源单耗远大于《泵站技术改造规程》^［20］中规定的5 kWh/（kt·m），因此要及时进行节能技术改造。另外，可以利用计算的多级泵站系统固有能耗的最小值或者装置效率的最大值作为确定多级泵站系统最高效运行的水泵组合方式的方法。

本文根据运行中测得水泵的平均输入电功率、流量和扬程计算的单级和多级泵站系统的装置效率没有考虑输水过程中的流量和水头损失，因此得到的系统装置效率偏高。事实上，多级泵站系统真实的总效率应为用水终端得到的水量和提水高度作为有效功率的计算参数，但是，输水过程中的流量和水头损失难于实时测量，因此灌区管理部门可根据经验或者实际测量参数对文中计算的装置效率做适当修正后，再作为水价制定、政府补贴和节能改造的依据。

5 结语

（1）在充分考虑多级泵站系统中的所有工作组合方式后，推导了多级泵站系统能耗的计算方法，包括系统的固有能耗参数和实际能耗参数。对于一个固定的多级泵站系统来说，系统的固有装置效率为一定值，通常小于实际装置效率。

（2）能耗参数可以作为水泵机组或者多级泵站系统运行状态监测和节能改造的依据。泵站管理者可根据固有能源单耗最小的原则，对泵站系统中运行的不同水泵组合进行计算，确定最优的提水调度方案。

（3）推导的多级泵站系统的能耗参数的计算公式，是以水泵机组的工作参数计算的，主要用于分析水泵机组系统的能耗情况，没有考虑系统中输水过程的损失，计算的效率偏高，能耗偏低，若需要整个灌区抽水系统的实际效率应根据实际情况加以修正。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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20	武汉水利电力大学. 泵站技术改造规程：SL 254-2000 ［S］.北京：中国水利水电出版社，2010. 本文引用 [1]

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摘要
Abstract
关键词
Key words
基金
引用本文
0 引言
1 能源单耗和能耗系数的定义
1.1 能源单耗
1.2 能耗系数
2 多级泵站系统固有能耗参数计算
2.1 多级泵站串联系统的能源单耗和能耗系数
图1 两级泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图
2.2 多台泵并联单级泵站系统的能源单耗及能耗系数
图2 不同扬程两台水泵并联泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图
3 多级泵站系统的实际能耗参数计算
3.1 固定系统的实际能耗参数
3.2 不同系统工作不同时间的能耗参数
4 计算方法应用
4.1 东雷抽黄新民系统概况
图3 新民多级泵站系统图及T 1、T 2计算时段内系统1、2的水泵实际运行图
表1 2019年东雷抽黄工程T 2时段内新民系统各级泵站实测参数表
表2 T 2时段内各级泵站子系统及多级泵站系统实测数据和能耗计算结果表
表3 T 1、T 2时段内系统1、2实测数据和T 1+T 2内新民系统实际能耗计算结果表
4.2 计算结果分析
5 结语
参考文献

收稿日期	出版日期
2020-07-30	2021-05-15
发布日期
2021-05-31

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基金

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1 能源单耗和能耗系数的定义

1.1 能源单耗

1.2 能耗系数

2 多级泵站系统固有能耗参数计算

2.1 多级泵站串联系统的能源单耗和能耗系数

图1 两级泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图

2.2 多台泵并联单级泵站系统的能源单耗及能耗系数

图2 不同扬程两台水泵并联泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图

3 多级泵站系统的实际能耗参数计算

3.1 固定系统的实际能耗参数

3.2 不同系统工作不同时间的能耗参数

4 计算方法应用

4.1 东雷抽黄新民系统概况

图3 新民多级泵站系统图及T ₁、T ₂计算时段内系统1、2的水泵实际运行图

表1 2019年东雷抽黄工程T ₂时段内新民系统各级泵站实测参数表

表2 T ₂时段内各级泵站子系统及多级泵站系统实测数据和能耗计算结果表

表3 T ₁、T ₂时段内系统1、2实测数据和T ₁+T ₂内新民系统实际能耗计算结果表

4.2 计算结果分析

5 结语

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基金

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1 能源单耗和能耗系数的定义

1.1 能源单耗

1.2 能耗系数

2 多级泵站系统固有能耗参数计算

2.1 多级泵站串联系统的能源单耗和能耗系数

图1 两级泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图

2.2 多台泵并联单级泵站系统的能源单耗及能耗系数

图2 不同扬程两台水泵并联泵站的能源单耗及能耗系数推导示意图

3 多级泵站系统的实际能耗参数计算

3.1 固定系统的实际能耗参数

3.2 不同系统工作不同时间的能耗参数

4 计算方法应用

4.1 东雷抽黄新民系统概况

图3 新民多级泵站系统图及T 1、T 2计算时段内系统1、2的水泵实际运行图

表1 2019年东雷抽黄工程T 2时段内新民系统各级泵站实测参数表

表2 T 2时段内各级泵站子系统及多级泵站系统实测数据和能耗计算结果表

表3 T 1、T 2时段内系统1、2实测数据和T 1+T 2内新民系统实际能耗计算结果表

4.2 计算结果分析

5 结 语

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图3 新民多级泵站系统图及T ₁、T ₂计算时段内系统1、2的水泵实际运行图

表1 2019年东雷抽黄工程T ₂时段内新民系统各级泵站实测参数表

表2 T ₂时段内各级泵站子系统及多级泵站系统实测数据和能耗计算结果表

表3 T ₁、T ₂时段内系统1、2实测数据和T ₁+T ₂内新民系统实际能耗计算结果表

5 结语