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中鐵城際為您解讀：水利工程設(shè)計(jì)中節(jié)能技術(shù)的綜合及應(yīng)用
近年來，水利工程行業(yè)的不斷發(fā)展，使得水利工程設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)問題引起了人們的普遍關(guān)注。節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)直接影響水利工程的質(zhì)量。我國在水利工程設(shè)計(jì)的節(jié)能技術(shù)上，采取了很多的措施，并取得了一定的成績。
1 節(jié)能技術(shù)在水利工程中應(yīng)用的意義
節(jié)能減排是我國新時(shí)期建設(shè)的首要任務(wù)，在我國“十二五”規(guī)劃中提出了推進(jìn)節(jié)能減排改造的要求，綠色環(huán)保節(jié)能工程已經(jīng)成為今后發(fā)展的重點(diǎn)。而且長期的高負(fù)荷用電還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，例如用電超負(fù)荷引發(fā)火災(zāi)，將嚴(yán)重危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。這些都是水利工程節(jié)能發(fā)展的需求所在。新型電氣技術(shù)的應(yīng)用可以從多方面改進(jìn)以往水利工程中存在的能耗和風(fēng)險(xiǎn)過高問題，減少供電傳輸中在線路和網(wǎng)絡(luò)中損耗的能源，同時(shí)將節(jié)能設(shè)備及材料應(yīng)用到工程之中，將用電過程中能源損耗降低。無論是對(duì)原有工程的改造還是新建工程的建設(shè)，都應(yīng)當(dāng)結(jié)合水利工程引入相關(guān)的電氣節(jié)能技術(shù)，提高能效。
2 水利工程設(shè)計(jì)中的節(jié)能分析
2.1 強(qiáng)化水利工程的自排能力
通常情況下，河道、水閘的結(jié)構(gòu)特征和水系安排決定了水利工程的自排能力。目前，水利工程已經(jīng)依據(jù)自身的實(shí)際情況創(chuàng)建了健全的防洪防澇措施，水系安排也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。在比較節(jié)能技術(shù)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性之后，合理地選擇適當(dāng)?shù)乃l孔寬度和河道斷面。這樣不僅可以減少泵站的建設(shè)量，還可以充分利用閘后和閘前之間存在的水位差距來開關(guān)閘門，然后經(jīng)過水利工程的自排來滿足調(diào)水和排澇防洪需要。
2.2 合理的布設(shè)泵閘
僅僅是憑借著水利工程的自排能力是不可能滿足水利工程的排澇防洪以及調(diào)水需求的，而要想達(dá)到這一效果，就需要設(shè)置和水利工程自排能力相符合的泵站。在進(jìn)行泵站的設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)把泵和閘結(jié)合起來進(jìn)行合理的布設(shè)，就是說在泵站的下方或泵站周邊設(shè)置和它相符合的水閘，需要注意的是，一定要以水閘的自排作用為核心。此外，倘若出現(xiàn)惡劣天氣和較大的水位差，就要馬上采用強(qiáng)排措施，因?yàn)檫@樣做不僅可以在很大程度上縮短排水時(shí)間，還可以避免不必要的浪費(fèi)。
2.3 采用綠化帶來增強(qiáng)河道的防洪能力
在對(duì)傳統(tǒng)的防汛墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常是設(shè)計(jì)成治理結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴捎眠@種結(jié)構(gòu)能夠最大限度地減少河道的占地面積。但是，隨著人們對(duì)自然環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)逐漸加強(qiáng)重視。如今，在建設(shè)河道時(shí)都需要在河道兩側(cè)布置綠化帶，以便通過增添綠化帶來高效地縮減排水時(shí)間，并增強(qiáng)河道的防洪能力。同時(shí)，也可以在一定程度上滿足生態(tài)建設(shè)的需要，而最為重要的是可以節(jié)約很多能源。
2.4 采用信息技術(shù)來進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)度
目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為滿足社會(huì)發(fā)展的需要，我國已經(jīng)建立了許多水利工程。倘若能夠及時(shí)地依據(jù)天氣情況而對(duì)水利工程進(jìn)行合理、科學(xué)的調(diào)度，就能夠在很大程度上提升水利工程的防洪和調(diào)水能力，從而達(dá)到縮減排水時(shí)間和節(jié)能的目的。但是，這一工程是非常復(fù)雜的，倘若僅僅是依賴人工調(diào)節(jié)是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，就需要借助信息技術(shù)，即通過建立防洪和水資源監(jiān)控系統(tǒng)，采用集散控制的方式，應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度并給予及時(shí)的控制，從而提高水利工程的反應(yīng)速度，并達(dá)到優(yōu)化工程運(yùn)行結(jié)構(gòu)、縮減經(jīng)營成本的目的。
3 關(guān)于用能品種及用能總量
根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案及施工組織設(shè)計(jì)，對(duì)工程施工期和運(yùn)行期的用能品種、數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，將各個(gè)用能品種的用量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)量，以此可以分別計(jì)算出工程施工期和運(yùn)行期折合為標(biāo)準(zhǔn)煤的用能總量。
4 節(jié)能技術(shù)方案
4.1 供電方案的節(jié)能
水利工程的能源消耗主要是電能，因此選擇合理的供電方案是節(jié)能的又一個(gè)重要的措施。針對(duì)水利工程的特點(diǎn)，在供電方案的設(shè)計(jì)中采取下列節(jié)能措施。
?。?）優(yōu)先選用10kV主水泵電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的供電方案
水利泵站的主水泵電動(dòng)機(jī)容量都比較大，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)綜合考慮，設(shè)計(jì)手冊(cè)建議容量大于250kW電動(dòng)機(jī)應(yīng)選用高壓電動(dòng)機(jī)。以前這類電動(dòng)機(jī)一直選用電壓等級(jí)為6kV電動(dòng)機(jī)，我國供電電網(wǎng)的電壓是10kV，所以必須設(shè)置10～6kV降壓變壓器，為滿足大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的壓降的要求，降壓變壓器的容量都大于電動(dòng)機(jī)的容量之和。
?。?）合理配置站用變壓器
在設(shè)計(jì)的泵閘工程中，如電機(jī)容量在250kW以下時(shí)，為了節(jié)省工程投資和今后運(yùn)行管理的方便，都選用380V電動(dòng)機(jī)。由于泵閘電動(dòng)機(jī)用電量較大，必須設(shè)置專用的10～0.4kV降壓變壓器給電動(dòng)機(jī)供電，通常泵站的站用電也由該變壓器供給。水利工程的排水泵站，除在災(zāi)害性天氣時(shí)啟動(dòng)水泵排水外，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)相對(duì)較少，通常在250h以下，而站用電每天都要供電。如用主變壓器來給站用電供電顯然是不合理的，所以在設(shè)計(jì)這類泵站的供電方案時(shí)另配站用變壓器，平時(shí)主變壓器不投入運(yùn)行，由站用變壓器給站用電供電。雖然工程投資有所增加，但避免大電機(jī)啟動(dòng)和停止運(yùn)行時(shí)的沖擊，提高了供電的可靠性，還可節(jié)約大量的能源。
4.2 用電設(shè)備的節(jié)能
在水利工程設(shè)計(jì)中，除嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定的要求選用節(jié)能電氣產(chǎn)品外，在選擇用電設(shè)備時(shí)從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)節(jié)能的要求：
（1）選擇合理的水泵參數(shù)，使水泵工作在高效區(qū)
新建水利泵站所選用的水泵多數(shù)為大中型軸流水泵，這類產(chǎn)品已形成系列，有多種泵型、不同的葉片安放角和多種口徑供用戶選擇，以適應(yīng)各種不同的工況條件。在泵站設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，對(duì)設(shè)計(jì)工況下的水泵參數(shù)如水泵泵型、葉片安放角、口徑和比轉(zhuǎn)速等進(jìn)行比較選擇。優(yōu)選水泵參數(shù)使水泵在設(shè)計(jì)工況下能在高效區(qū)工作。
?。?）水泵和電動(dòng)機(jī)的連接優(yōu)先采用直連方式
水泵和電動(dòng)機(jī)的連接有齒連和直連兩種方式。直連是指水泵和電動(dòng)機(jī)直接連接成水泵電動(dòng)機(jī)組，這就要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泵的轉(zhuǎn)速一致，大中型軸流水泵的轉(zhuǎn)速都比較低，與其配套的電動(dòng)機(jī)必須是低速電動(dòng)機(jī)，其體積大，效率略低。齒連是指水泵和電動(dòng)機(jī)通過齒輪變速箱連接成水泵電動(dòng)機(jī)組，采用齒連方式電動(dòng)機(jī)可用高速電動(dòng)機(jī)，其體積小，效率略高，但齒輪變速箱能耗較大，整個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)組的效率反而比直連約低2%～3%。噪聲也較大，還增加了日常維護(hù)保養(yǎng)的工作量?？紤]節(jié)能、噪聲及工作可靠性等因素，在泵站設(shè)計(jì)中水泵和電動(dòng)機(jī)的連接優(yōu)先采用直連方式。
?。?）提高泵站的裝置效率
泵站的裝置效率是指從泵站進(jìn)水口到出水口整個(gè)泵站裝置的效率，它不但與水泵電動(dòng)機(jī)組的效率有關(guān)，還與進(jìn)水流道、出水流道和閘門等水工構(gòu)筑物的水力損耗有關(guān)。在選擇了高效的水泵電動(dòng)機(jī)組后，要提高泵站的裝置效率就主要是減少水工構(gòu)筑物的水力損耗，選擇合理的流道布置是減少流道水力損耗的重要措施。在設(shè)計(jì)某低揚(yáng)程泵站凈揚(yáng)程為1.96m時(shí)初選立式流道布置，經(jīng)計(jì)算流道損失可達(dá)1.5m。在對(duì)各種流道方案進(jìn)行反復(fù)比較后，建議選用貫流式流道布置方案，經(jīng)計(jì)算流道損失僅0.6m，電動(dòng)機(jī)功率由360kW降為220kW，節(jié)能達(dá)38.9%，還大幅度降低了工程造價(jià)。
5 結(jié)束語
綜上所述，節(jié)能技術(shù)是水利工程設(shè)計(jì)的核心工作。因此，我們要根據(jù)實(shí)際情況制定出合理的節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)方案，確保水利工程的發(fā)展。
1 節(jié)能技術(shù)在水利工程中應(yīng)用的意義
節(jié)能減排是我國新時(shí)期建設(shè)的首要任務(wù)，在我國“十二五”規(guī)劃中提出了推進(jìn)節(jié)能減排改造的要求，綠色環(huán)保節(jié)能工程已經(jīng)成為今后發(fā)展的重點(diǎn)。而且長期的高負(fù)荷用電還會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，例如用電超負(fù)荷引發(fā)火災(zāi)，將嚴(yán)重危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。這些都是水利工程節(jié)能發(fā)展的需求所在。新型電氣技術(shù)的應(yīng)用可以從多方面改進(jìn)以往水利工程中存在的能耗和風(fēng)險(xiǎn)過高問題，減少供電傳輸中在線路和網(wǎng)絡(luò)中損耗的能源，同時(shí)將節(jié)能設(shè)備及材料應(yīng)用到工程之中，將用電過程中能源損耗降低。無論是對(duì)原有工程的改造還是新建工程的建設(shè)，都應(yīng)當(dāng)結(jié)合水利工程引入相關(guān)的電氣節(jié)能技術(shù)，提高能效。
2 水利工程設(shè)計(jì)中的節(jié)能分析
2.1 強(qiáng)化水利工程的自排能力
通常情況下，河道、水閘的結(jié)構(gòu)特征和水系安排決定了水利工程的自排能力。目前，水利工程已經(jīng)依據(jù)自身的實(shí)際情況創(chuàng)建了健全的防洪防澇措施，水系安排也得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。在比較節(jié)能技術(shù)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性之后，合理地選擇適當(dāng)?shù)乃l孔寬度和河道斷面。這樣不僅可以減少泵站的建設(shè)量，還可以充分利用閘后和閘前之間存在的水位差距來開關(guān)閘門，然后經(jīng)過水利工程的自排來滿足調(diào)水和排澇防洪需要。
2.2 合理的布設(shè)泵閘
僅僅是憑借著水利工程的自排能力是不可能滿足水利工程的排澇防洪以及調(diào)水需求的，而要想達(dá)到這一效果，就需要設(shè)置和水利工程自排能力相符合的泵站。在進(jìn)行泵站的設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)把泵和閘結(jié)合起來進(jìn)行合理的布設(shè)，就是說在泵站的下方或泵站周邊設(shè)置和它相符合的水閘，需要注意的是，一定要以水閘的自排作用為核心。此外，倘若出現(xiàn)惡劣天氣和較大的水位差，就要馬上采用強(qiáng)排措施，因?yàn)檫@樣做不僅可以在很大程度上縮短排水時(shí)間，還可以避免不必要的浪費(fèi)。
2.3 采用綠化帶來增強(qiáng)河道的防洪能力
在對(duì)傳統(tǒng)的防汛墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常是設(shè)計(jì)成治理結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴捎眠@種結(jié)構(gòu)能夠最大限度地減少河道的占地面積。但是，隨著人們對(duì)自然環(huán)境保護(hù)和生態(tài)建設(shè)逐漸加強(qiáng)重視。如今，在建設(shè)河道時(shí)都需要在河道兩側(cè)布置綠化帶，以便通過增添綠化帶來高效地縮減排水時(shí)間，并增強(qiáng)河道的防洪能力。同時(shí)，也可以在一定程度上滿足生態(tài)建設(shè)的需要，而最為重要的是可以節(jié)約很多能源。
2.4 采用信息技術(shù)來進(jìn)行科學(xué)、合理的調(diào)度
目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為滿足社會(huì)發(fā)展的需要，我國已經(jīng)建立了許多水利工程。倘若能夠及時(shí)地依據(jù)天氣情況而對(duì)水利工程進(jìn)行合理、科學(xué)的調(diào)度，就能夠在很大程度上提升水利工程的防洪和調(diào)水能力，從而達(dá)到縮減排水時(shí)間和節(jié)能的目的。但是，這一工程是非常復(fù)雜的，倘若僅僅是依賴人工調(diào)節(jié)是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，就需要借助信息技術(shù)，即通過建立防洪和水資源監(jiān)控系統(tǒng)，采用集散控制的方式，應(yīng)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)度并給予及時(shí)的控制，從而提高水利工程的反應(yīng)速度，并達(dá)到優(yōu)化工程運(yùn)行結(jié)構(gòu)、縮減經(jīng)營成本的目的。
3 關(guān)于用能品種及用能總量
根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案及施工組織設(shè)計(jì)，對(duì)工程施工期和運(yùn)行期的用能品種、數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，將各個(gè)用能品種的用量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)量，以此可以分別計(jì)算出工程施工期和運(yùn)行期折合為標(biāo)準(zhǔn)煤的用能總量。
4 節(jié)能技術(shù)方案
4.1 供電方案的節(jié)能
水利工程的能源消耗主要是電能，因此選擇合理的供電方案是節(jié)能的又一個(gè)重要的措施。針對(duì)水利工程的特點(diǎn)，在供電方案的設(shè)計(jì)中采取下列節(jié)能措施。
?。?）優(yōu)先選用10kV主水泵電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的供電方案
水利泵站的主水泵電動(dòng)機(jī)容量都比較大，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)綜合考慮，設(shè)計(jì)手冊(cè)建議容量大于250kW電動(dòng)機(jī)應(yīng)選用高壓電動(dòng)機(jī)。以前這類電動(dòng)機(jī)一直選用電壓等級(jí)為6kV電動(dòng)機(jī)，我國供電電網(wǎng)的電壓是10kV，所以必須設(shè)置10～6kV降壓變壓器，為滿足大型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的壓降的要求，降壓變壓器的容量都大于電動(dòng)機(jī)的容量之和。
?。?）合理配置站用變壓器
在設(shè)計(jì)的泵閘工程中，如電機(jī)容量在250kW以下時(shí)，為了節(jié)省工程投資和今后運(yùn)行管理的方便，都選用380V電動(dòng)機(jī)。由于泵閘電動(dòng)機(jī)用電量較大，必須設(shè)置專用的10～0.4kV降壓變壓器給電動(dòng)機(jī)供電，通常泵站的站用電也由該變壓器供給。水利工程的排水泵站，除在災(zāi)害性天氣時(shí)啟動(dòng)水泵排水外，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)相對(duì)較少，通常在250h以下，而站用電每天都要供電。如用主變壓器來給站用電供電顯然是不合理的，所以在設(shè)計(jì)這類泵站的供電方案時(shí)另配站用變壓器，平時(shí)主變壓器不投入運(yùn)行，由站用變壓器給站用電供電。雖然工程投資有所增加，但避免大電機(jī)啟動(dòng)和停止運(yùn)行時(shí)的沖擊，提高了供電的可靠性，還可節(jié)約大量的能源。
4.2 用電設(shè)備的節(jié)能
在水利工程設(shè)計(jì)中，除嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)定的要求選用節(jié)能電氣產(chǎn)品外，在選擇用電設(shè)備時(shí)從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)節(jié)能的要求：
（1）選擇合理的水泵參數(shù)，使水泵工作在高效區(qū)
新建水利泵站所選用的水泵多數(shù)為大中型軸流水泵，這類產(chǎn)品已形成系列，有多種泵型、不同的葉片安放角和多種口徑供用戶選擇，以適應(yīng)各種不同的工況條件。在泵站設(shè)計(jì)中，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，對(duì)設(shè)計(jì)工況下的水泵參數(shù)如水泵泵型、葉片安放角、口徑和比轉(zhuǎn)速等進(jìn)行比較選擇。優(yōu)選水泵參數(shù)使水泵在設(shè)計(jì)工況下能在高效區(qū)工作。
?。?）水泵和電動(dòng)機(jī)的連接優(yōu)先采用直連方式
水泵和電動(dòng)機(jī)的連接有齒連和直連兩種方式。直連是指水泵和電動(dòng)機(jī)直接連接成水泵電動(dòng)機(jī)組，這就要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泵的轉(zhuǎn)速一致，大中型軸流水泵的轉(zhuǎn)速都比較低，與其配套的電動(dòng)機(jī)必須是低速電動(dòng)機(jī)，其體積大，效率略低。齒連是指水泵和電動(dòng)機(jī)通過齒輪變速箱連接成水泵電動(dòng)機(jī)組，采用齒連方式電動(dòng)機(jī)可用高速電動(dòng)機(jī)，其體積小，效率略高，但齒輪變速箱能耗較大，整個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)組的效率反而比直連約低2%～3%。噪聲也較大，還增加了日常維護(hù)保養(yǎng)的工作量?？紤]節(jié)能、噪聲及工作可靠性等因素，在泵站設(shè)計(jì)中水泵和電動(dòng)機(jī)的連接優(yōu)先采用直連方式。
?。?）提高泵站的裝置效率
泵站的裝置效率是指從泵站進(jìn)水口到出水口整個(gè)泵站裝置的效率，它不但與水泵電動(dòng)機(jī)組的效率有關(guān)，還與進(jìn)水流道、出水流道和閘門等水工構(gòu)筑物的水力損耗有關(guān)。在選擇了高效的水泵電動(dòng)機(jī)組后，要提高泵站的裝置效率就主要是減少水工構(gòu)筑物的水力損耗，選擇合理的流道布置是減少流道水力損耗的重要措施。在設(shè)計(jì)某低揚(yáng)程泵站凈揚(yáng)程為1.96m時(shí)初選立式流道布置，經(jīng)計(jì)算流道損失可達(dá)1.5m。在對(duì)各種流道方案進(jìn)行反復(fù)比較后，建議選用貫流式流道布置方案，經(jīng)計(jì)算流道損失僅0.6m，電動(dòng)機(jī)功率由360kW降為220kW，節(jié)能達(dá)38.9%，還大幅度降低了工程造價(jià)。
5 結(jié)束語
綜上所述，節(jié)能技術(shù)是水利工程設(shè)計(jì)的核心工作。因此，我們要根據(jù)實(shí)際情況制定出合理的節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)方案，確保水利工程的發(fā)展。
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