节能技术在水利工程设计中的应用

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摘要:本文通过工程功能、供电方案、设备选择等方面, 叙述了水利工程设计中应用节能技术的经验和运行费用的重要措施。以最大的可能利用其自排功能来满足排涝和调水的要求。

关键词: 工程设计; 节能; 节电; 排水

中图分类号：TB21文献标识码： A

一、前言

近年来,城市发展较快, 城市规模提高了不少, 同时城市的发展, 要求水利工程建设从单纯的农田水利向现代化城市要求的防洪排涝、合理使用水资源和改善水环境等综合方向发展,如何在水利工程中达到节能的要求, 是水利工程设计者迫切需要解决的工程课题。

二、工程功能的节能

水利工程的主要是在汛期迅速排除河道的积水, 满足防汛的要求, 平时调水以改善河道水质。要达到这个目的一般采用自排和强排二种方式, 自排是利用工程前后形成的水位差自流排水, 不需要任何动力, 如果无法利用这个水位差, 就只能采用强排的方法, 启动水泵强行将水抽出, 强排需要大量的动力和能源消耗。建设水利工程后, 能在内外河道形成水位差, 尽量利用这个水位差进行自排是节约能源和运行费用的重要措施。在进行水利工程设计中, 以最大的可能利用其自排功能来满足排涝和调水的要求, 主要从以下几方面来实施。

1、最大限度提高水利工程的自排能力

水利工程的自排能力主要取决于水系的布置和水闸、河道的结构特征, 惠州市的水利工程, 经过多年建设已形成一个较完善的防洪排涝体系, 水系经过优化布置, 再进行综合技术经济比较, 选择合理的水闸的孔宽和河道断面, 就可以只建水闸少建泵站, 利用闸前后的水位差, 通过启闭闸门, 用自排来达到排涝和调水的要求。

2、泵闸结合的布置

当单纯靠自排无法满足排涝的要求必须修建泵站时, 在设计中大都采用泵闸结合的布置, 在泵站附近或在泵站下部修建水闸, 以水闸自排为主, 只有在水位差较大或灾害性天气时, 才进行强排, 这样可大幅度的降低强排时间, 节约大量的能源。

3、合理规划,综合考虑区域排水模式

在设计区域排水水系时, 排水系统一般都分一级排水和二级排水, 先将整个区域分成几块, 每一块需要排出的水集中到一级泵站, 启动一级泵站的水泵将水排至二级排水河道里, 再由二级排水河道里的出口泵闸将水排到区域外。在排水系统设计时,优化水系的布置和合理选择二级排水水位, 利用地面和河道水位的高差, 使一级排水就近直接排入二级排水河道, 可取消或减少一级排水泵站, 这种排水模式会使二级排水泵站动力和运行时间有所增加, 由于二级排水的河道有蓄水的功能, 因此二级排水泵站增加的动力远小于区域内一级排水泵站动力总和, 节能效果显著。

4、利用景观绿化和人工水面, 增加河道蓄洪能力

以往在设计水利工程中的防汛墙时, 为了减少占地面积, 一般都采用直立式结构所示。随着时代的进步, 人们对环境的要求越来越高, 河道的修建和改造, 都要求在河道的两侧布置一定宽度的绿化带。这样布置既增加了河道的蓄洪能力, 减少强排时间, 又满足了生态景观的要求, 据初步计算这种布置方式约可减少能源消耗16%。

5、应用信息技术, 进行合理科学地调度

经过多年不懈建设, 惠州市区水系内已经建成了大量水利工程, 如何根据气象和地理条件对这些水利工程进行高效调度,提高综合防汛和调水能力, 减少强排时间, 以达到节能的目的,是一个非常复杂的系统工程问题, 依靠传统人工调度的方式是无法解决这个难题的, 只有应用现代化的信息技术才能满足上述要求。以现代集散控制和网

络技术实现全部水利设施的实时控制、统一调度、集中管理, 达到优化运行结构、提高反应速度、降低运行成本的目的, 更重要的是提高了区域防洪、排涝及抗灾能力, 实现了水利工程的低能耗、高效益。

三、供电方案的节能

水利工程的能源消耗主要是电能, 因此选择合理的供电方案是节能的又一个重要的措施。针对水利工程的特点, 在供电方案的设计中采取下列节能措施。

1、优先选用10kV主水泵电动机直接联网运行的供电方案水利泵站的主水泵电动机容量都比较大, 从经济和技术综合考虑, 设计手册建议容量大于250kW 电动机应选用高压电动机。以前这类电动机一直选用电压等级为6kV 电动机, 我国供电电网的电压是10kV, 所以必须设置10~6kV 降压变压器,为满足大型电动机启动时的压降的要求, 降压变压器的容量都大于电动机的容量之和。

近年来随着我国电机制造水平的提高, 10kV电动机逐渐被推广使用。由于10kV 电动机直接联网运行时, 电机启动对电力系统的冲击比较大, 供电部门对10kV 电动机直接联网运行持非常慎重的态度。随着地区电网容量的不断增大, 这种影响越来越小, 只要配置合理, 经计算启动时对电网的冲击可以控制在供电部门允许的范围内。在取得

了供电部门的支持后, 在泵站设计中, 对350~630kW 电动机,优先选用10kV电动机直接联网运行的供电方案, 既节约了供电贴费、降压变压器、高压配电设备等大量工程费用, 又简化了运行管理, 避免了降压变压器的能源损耗。

2、合理配置站用变压器

在设计的泵闸工程中, 如电机容量在250kW 以下时, 为了节省工程投资和今后运行管理的方便, 都选用380V电动机。由于泵闸电动机用电量较大, 必须设置专用的10~0.4kV 降压变压器给电动机供电, 通常泵站的站用电也由该变压器供给。水利工程的排水泵站, 除在灾害性天气时启动水泵排水外, 年运行小时数相对较少, 通常在250h 以下, 而站用电每天都要供电。如用主变压器来给站用电供电显然是不合理的, 所以在设计这类泵站的供电方案时另配站用变压器, 平时主变压器不投入运行, 由站用变压器给站用电供电。虽然工程投资有所增加,但避免大电机启动和停止运行时的冲击, 提高了供电的可靠

性, 还可节约大量的能源。

四、用电设备的节能

在水利工程设计中, 除严格按有关规定的要求选用节能电气产品外, 在选择用电设备时从以下几个方面体现节能的要求:

1、选择合理的水泵参数, 使水泵工作在高效区

新建水利泵站所选用的水泵多数为大中型轴流水泵, 这类产品已形成系列, 有多种泵型、不同的叶片安放角和多种口径供用户选择, 以适应各种不同的工况条件。在泵站设计中, 严格按设计规范的要求, 对设计工况下的水泵参数如水泵泵型、叶片安放角、口径和比转速等进行比较选择。优选水泵参数使水泵在设计工况下能在高效区工作。

2、水泵和电动机的连接优先采用直连方式

水泵和电动机的连接有齿连和直连两种方式。直连是指水泵和电动机直接连接成水泵电动机组, 这就要求电动机的转速与水泵的转速一致, 大中型轴流水泵的转速都比较低, 与其配套的电动机必须是低速电动机, 其体积大, 效率略低。齿连是指水泵和电动机通过齿轮变速箱连接成水泵电动机组, 采用齿连方式电动机可用高速电动机,其体积小, 效率略高, 但齿轮变速箱能耗较大, 整个水泵电动机组的效率反而比直连约低2%～3%。噪声也较大, 还增加了日常维护保养的工作量。考虑节能、噪声及工作可靠性等因素, 在泵站设计中水泵和电动机的连接优先采用直连方式。

3、提高泵站的装置效率

泵站的装置效率是指从泵站进水口到出水口整个泵站装置的效率, 它不但与水泵电动机组的效率有关, 还与进水流道、出水流道和闸门等水工构筑物的水力损耗有关。在选择了高效的水泵电动机组后, 要提高泵站的装置效率就主要是减少水工构筑物的水力损耗, 选择合理的流道布置是减少流道水力损耗的重要措施。

五、结语

最大限度提高自排能力，以水闸自排为主, 减少水泵强排, 合理规划排水模式, 充分利用景观绿化和人工水面, 增加河道蓄洪能力, 科学调度, 使城市和灌区排水功能所用电耗降到最低。选用10kV 主水泵电动机直联网运行, 实现功率因数就地补偿, 合理配置电力变压器, 减少电能损耗。选择参数合适的节能设备, 节约电能。