浅谈水利工程节能设计中的几个问题
中图分类号：TV21 文章编号：1009-2374（2016）17-0114-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.055
随着我国社会经济的快速发展，我国的能源紧缺问题变得越来越突出，因此依托先进的科学技术降低各项生产的能耗，是社会实现可持续发展的重要要求之一。水利工程作为促进我国国民经济发展的重要组成部分，无论是建设规模还是建设数量都得到了很大的提升，因此水利工程设计体现“节能”宗旨是十分必要的。总体而言，水利工程节能设计不仅需要结合当前的法律规章制度进行编制，同时还需要结合工程的实际情况对工程能耗进行分析，并结合建设要求进行合理的选址。此外，还应对供电方案进行节能设计，包括供电的方式的设计以及供电设备的选择等。为了使水利工程节能设计更加直观化，本文结合实际的工程案例进行分析。
1 工程概况
某水库的主要任务是用来灌溉以及为该地区提供饮水。该水库设计灌溉的面积为40500亩，需要解决43000人以及1万多头牲畜饮水需求。本工程水库设计等级为三级，设计库容量约1350万m2。
此外，该工程设计概况为：建坝型碾压砼重力坝1座，大坝底高程为1138m，坝顶的高程为1187m，最大坝高为49m，坝顶宽度为6m，坝顶长度为142.85m。此外，坝顶溢流，其进口净宽为30m，堰顶高程为1182m，该水库末端设挑流鼻坎，使水流向下游挑射，提水泵站2座，其装机容量为847kW，灌溉渠道为22.34km，灌溉管道为65.85km。
2 能耗分析
本工程主要能耗程序是水泵从渠道内提水至高位水池这一工序，其中主要涉及电能与势能之间的转换，因此该工程的主要能耗是电力。
因此，结合相关理论公式，对该项目的综合能源消耗计算如下：
工程年综合能耗=（机电设备能耗+线损）+汽油能耗+柴油消耗=电力消耗+汽油消耗+柴油消耗=528.61+2.914+3.237=534.76tce
该水库单位电耗=年电耗量/产品年总产量=430.12/1407=0.306kW?h/m3
综上，本水库工程的单位综合能耗计算为：
年综合能耗/产品年总产量=447070kgce÷1407万m3=0.038kgce/m3
该项目线损率=线损总量/电能消耗总量×100%=3.247÷430.12=0.75%
3 工程机电设备的配置
结合能耗分析，该水利工程的机电设备型号与配置见表1所示。
该水利工程主要耗能为电能、汽油、柴油，其中年耗电量为1697160kW?h，主要用能为提水水泵（1460000kW?h）、坝区闸门（600kW?h）、辅助机电设备（25920kW?h）、照明（28800kW?h）、线损（181850kW?h）；年消耗汽油量2t以及柴油量2.2t，主要是用来维持柴油设备的正常运作。在该工程规划中，一级、二级、三级提灌站水泵的型号分别为300JC-10.5×9、DFSS80-270B、CDL32-50；装机分别为5×90kW（1备4用）、5×75kW（1备4用）、装机为2×11kW（1备1用）；设计流量分别为210m3/h、192m3/h、32m3/h；设计扬程分别为94.5m、85m、67m；电动机功率分别为90kW、75kW、11kW；电动机效率分别为76.5%、75.2%、82%。水库房屋建设包括3座泵房、2座闸室和1座管理房，总面积约1378m2。
4 工程选址设计优化
在制定水库方案时，选址是至关重要的环节，因此在不考虑地质因素的情况下，主要需要考虑如下三点：其一，工程区域内应有地形为口袋型的可以用来处理储水的洼地或是盆地。因为腹地宽阔，库容量就比较大；其二，水库大坝应建于峡谷较窄处或者等高线趋于闭合的地段，可以大大减少大坝建设投资，降低成本，以及确保大坝的安全；其三，水库应建在较高位置，以减少闸门数量的同时，提高排水系统修建的效率。
5 水利工程的节能措施
通过上文分析，该工程的主要能源消耗为电能，因此本文主要对电能方案进行优化。
5.1 供电方案的节能设计
由于本工程的主要能耗为电能，因此要实现水利工程的节能宗旨以及高效应用。本文建议可以从以下三点方面进行设计优化：
5.1.1 选择直网供电。一般情况下，水泵电动机都拥有较大的功率。所以，在设计中，若水库容量>250kW，建议设计采用高压电动机。根据资料表明，大多工程使用电压等级为6kV的电动机，但是我国电网的电压普遍为10kV。因此，在水利工程水泵的选用中，通常设置了降压变压器，不仅增加了工程建设的成本，而且在紧急情况下会导致排水系统排水量不足。鉴于这一问题，可以优选10kV等级的水泵电动机，进行直接联网运行。这一方案不仅能够降低工程建设的成本，还简化了水利工程管理的内容，此外还大大降低了强排过程中的能耗。
5.1.2 合理配置变压器。根据以往大量的水利工程实例表明，采用的电动机都会消耗大量的电能，因此需要通过降压变压器维护正常运作。一般情况下，只有在比较紧急的条件下，才会启动排水泵站，换而言之，排水泵站使用的频率虽然较少，而水利工程站每天都需要消耗电能。因此，为水利工程设计供电方案的时候，建议增设站用变压器，这一举措虽然会增加工程建设投资，但对于保障供电的稳定有积极的作用，而且在一定程度上可以节省电能消耗，是一项长远的发展措施。 5.1.3 采用就地补偿。其实很多地理条件以及环境因素都会使水利工程受到不同程度的影响，所以可以选择大型异步电动机进行作业。虽然难以满足供电公司的要求。但是在这种情况下，往往可以采用“集中补偿”进行功率补偿。调查表明，在水利工程中，需要予以功率补偿的电动机大约有85%以上。所以，本文建议在设计中采取就地补偿技术，使电动机就地并联补偿电容柜，然后选择防爆型电容器，并串联电抗器以限制电流冲击。
5.2 用电设备节能设计
5.2.1 合理选择水泵。在当前的水利工程建设中，以大型轴流样式水泵应用最多。这一类型的水泵有多种系列，能够适应多种工况。而在设计中，应该注重的是选择合理的水泵，结合实际需求，对水泵的各项参数进行分析，包括水泵的泵型、转速等，最好选择具有高效作业能力的水泵。
5.2.2 采用直连方式。通常，水泵与电动机的连接方式有两种，即直连方式和齿连方式。齿连方式也就是通过齿轮变速箱将水泵与电动机相连接，因此可以选择高速电动机。而直连方式则是水泵、电动机之间直接相连，两者转速一致，一般情况下，大中型轴流水泵转速要相对较低，因此与之配套的电动机也应保持低度。总体来说，出于日常维护与成本控制，直连方式更加经济划算。
6 节能优化设计后的应用效果
本水利工程分别在电气设备选择、水利机械选择、生活消防、建筑选材等诸多方面应用了节能措施。采取统计算法可以得知，该工程每年可节约40万kW?h电量，以0.9元/kW?h的标准收费，每年可以节约36万元。通过分类计算，本工程在管理上以及才能措施上投入的成本均比较低，所以经济投入较小，而且产生的经济效益要远远大于技能投入的成本。
7 结语
节能设计作为水利工程建设中一个全新的论题，在现有的国家规章制度下，受到了越来越广泛的重视。在实际的水利工程技能设计中，应当结合水利工程的实际情况与特征，针对性地提出节能措施，不仅是水利工程设计更加科学化的前提，同时也是水利工程真正体现节能效果的重要要求。本文结合实际的工程案例，对该水利工程的水库能耗进行了分析，并就水库的选址进行了优化设计，最后提出了几点针对性的节能措施。总体而言，能源作为国家经济建设的重要保障，加大水利工程环节的节能控制，无论是对于水利工程的发展，还是社会的可持续发展都有非常积极的意义。
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