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中鐵城際為您解讀：水利工程設計中節能技術的綜合及應用
近年來，水利工程行業的不斷發展，使得水利工程設計中的節能技術問題引起了人們的普遍關注。節能技術設計直接影響水利工程的質量。我國在水利工程設計的節能技術上，采取了很多的措施，并取得了一定的成績。
1 節能技術在水利工程中應用的意義
節能減排是我國新時期建設的首要任務，在我國“十二五”規劃中提出了推進節能減排改造的要求，綠色環保節能工程已經成為今后發展的重點。而且長期的高負荷用電還會導致風險事故的發生，例如用電超負荷引發火災，將嚴重危害人民的生命財產安全。這些都是水利工程節能發展的需求所在。新型電氣技術的應用可以從多方面改進以往水利工程中存在的能耗和風險過高問題，減少供電傳輸中在線路和網絡中損耗的能源，同時將節能設備及材料應用到工程之中，將用電過程中能源損耗降低。無論是對原有工程的改造還是新建工程的建設，都應當結合水利工程引入相關的電氣節能技術，提高能效。
2 水利工程設計中的節能分析
2.1 強化水利工程的自排能力
通常情況下，河道、水閘的結構特征和水系安排決定了水利工程的自排能力。目前，水利工程已經依據自身的實際情況創建了健全的防洪防澇措施，水系安排也得到了進一步的優化。在比較節能技術的實用性、經濟性以及安全性之后，合理地選擇適當的水閘孔寬度和河道斷面。這樣不僅可以減少泵站的建設量，還可以充分利用閘后和閘前之間存在的水位差距來開關閘門，然后經過水利工程的自排來滿足調水和排澇防洪需要。
2.2 合理的布設泵閘
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水需求的，而要想達到這一效果，就需要設置和水利工程自排能力相符合的泵站。在進行泵站的設計時，一般會把泵和閘結合起來進行合理的布設，就是說在泵站的下方或泵站周邊設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，倘若出現惡劣天氣和較大的水位差，就要馬上采用強排措施，因為這樣做不僅可以在很大程度上縮短排水時間，還可以避免不必要的浪費。
2.3 采用綠化帶來增強河道的防洪能力
在對傳統的防汛墻進行設計時，通常是設計成治理結構，因為采用這種結構能夠最大限度地減少河道的占地面積。但是，隨著人們對自然環境保護和生態建設逐漸加強重視。如今，在建設河道時都需要在河道兩側布置綠化帶，以便通過增添綠化帶來高效地縮減排水時間，并增強河道的防洪能力。同時，也可以在一定程度上滿足生態建設的需要，而最為重要的是可以節約很多能源。
2.4 采用信息技術來進行科學、合理的調度
目前，隨著我國經濟的發展，為滿足社會發展的需要，我國已經建立了許多水利工程。倘若能夠及時地依據天氣情況而對水利工程進行合理、科學的調度，就能夠在很大程度上提升水利工程的防洪和調水能力，從而達到縮減排水時間和節能的目的。但是，這一工程是非常復雜的，倘若僅僅是依賴人工調節是很難實現的。因此，就需要借助信息技術，即通過建立防洪和水資源監控系統，采用集散控制的方式，應用計算機網絡技術來進行統一的調度并給予及時的控制，從而提高水利工程的反應速度，并達到優化工程運行結構、縮減經營成本的目的。
3 關于用能品種及用能總量
根據工程設計方案及施工組織設計，對工程施工期和運行期的用能品種、數量進行計算。在此基礎上，將各個用能品種的用量換算為標準煤數量，以此可以分別計算出工程施工期和運行期折合為標準煤的用能總量。
4 節能技術方案
4.1 供電方案的節能
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能的又一個重要的措施。針對水利工程的特點，在供電方案的設計中采取下列節能措施。
（1）優先選用10kV主水泵電動機直接聯網運行的供電方案
水利泵站的主水泵電動機容量都比較大，從經濟和技術綜合考慮，設計手冊建議容量大于250kW電動機應選用高壓電動機。以前這類電動機一直選用電壓等級為6kV電動機，我國供電電網的電壓是10kV，所以必須設置10～6kV降壓變壓器，為滿足大型電動機啟動時的壓降的要求，降壓變壓器的容量都大于電動機的容量之和。
（2）合理配置站用變壓器
在設計的泵閘工程中，如電機容量在250kW以下時，為了節省工程投資和今后運行管理的方便，都選用380V電動機。由于泵閘電動機用電量較大，必須設置專用的10～0.4kV降壓變壓器給電動機供電，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，除在災害性天氣時啟動水泵排水外，年運行小時數相對較少，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，所以在設計這類泵站的供電方案時另配站用變壓器，平時主變壓器不投入運行，由站用變壓器給站用電供電。雖然工程投資有所增加，但避免大電機啟動和停止運行時的沖擊，提高了供電的可靠性，還可節約大量的能源。
4.2 用電設備的節能
在水利工程設計中，除嚴格按有關規定的要求選用節能電氣產品外，在選擇用電設備時從以下幾個方面體現節能的要求：
（1）選擇合理的水泵參數，使水泵工作在高效區
新建水利泵站所選用的水泵多數為大中型軸流水泵，這類產品已形成系列，有多種泵型、不同的葉片安放角和多種口徑供用戶選擇，以適應各種不同的工況條件。在泵站設計中，嚴格按設計規范的要求，對設計工況下的水泵參數如水泵泵型、葉片安放角、口徑和比轉速等進行比較選擇。優選水泵參數使水泵在設計工況下能在高效區工作。
（2）水泵和電動機的連接優先采用直連方式
水泵和電動機的連接有齒連和直連兩種方式。直連是指水泵和電動機直接連接成水泵電動機組，這就要求電動機的轉速與水泵的轉速一致，大中型軸流水泵的轉速都比較低，與其配套的電動機必須是低速電動機，其體積大，效率略低。齒連是指水泵和電動機通過齒輪變速箱連接成水泵電動機組，采用齒連方式電動機可用高速電動機，其體積小，效率略高，但齒輪變速箱能耗較大，整個水泵電動機組的效率反而比直連約低2%～3%。噪聲也較大，還增加了日常維護保養的工作量。考慮節能、噪聲及工作可靠性等因素，在泵站設計中水泵和電動機的連接優先采用直連方式。
（3）提高泵站的裝置效率
泵站的裝置效率是指從泵站進水口到出水口整個泵站裝置的效率，它不但與水泵電動機組的效率有關，還與進水流道、出水流道和閘門等水工構筑物的水力損耗有關。在選擇了高效的水泵電動機組后，要提高泵站的裝置效率就主要是減少水工構筑物的水力損耗，選擇合理的流道布置是減少流道水力損耗的重要措施。在設計某低揚程泵站凈揚程為1.96m時初選立式流道布置，經計算流道損失可達1.5m。在對各種流道方案進行反復比較后，建議選用貫流式流道布置方案，經計算流道損失僅0.6m，電動機功率由360kW降為220kW，節能達38.9%，還大幅度降低了工程造價。
5 結束語
綜上所述，節能技術是水利工程設計的核心工作。因此，我們要根據實際情況制定出合理的節能技術設計方案，確保水利工程的發展。
1 節能技術在水利工程中應用的意義
節能減排是我國新時期建設的首要任務，在我國“十二五”規劃中提出了推進節能減排改造的要求，綠色環保節能工程已經成為今后發展的重點。而且長期的高負荷用電還會導致風險事故的發生，例如用電超負荷引發火災，將嚴重危害人民的生命財產安全。這些都是水利工程節能發展的需求所在。新型電氣技術的應用可以從多方面改進以往水利工程中存在的能耗和風險過高問題，減少供電傳輸中在線路和網絡中損耗的能源，同時將節能設備及材料應用到工程之中，將用電過程中能源損耗降低。無論是對原有工程的改造還是新建工程的建設，都應當結合水利工程引入相關的電氣節能技術，提高能效。
2 水利工程設計中的節能分析
2.1 強化水利工程的自排能力
通常情況下，河道、水閘的結構特征和水系安排決定了水利工程的自排能力。目前，水利工程已經依據自身的實際情況創建了健全的防洪防澇措施，水系安排也得到了進一步的優化。在比較節能技術的實用性、經濟性以及安全性之后，合理地選擇適當的水閘孔寬度和河道斷面。這樣不僅可以減少泵站的建設量，還可以充分利用閘后和閘前之間存在的水位差距來開關閘門，然后經過水利工程的自排來滿足調水和排澇防洪需要。
2.2 合理的布設泵閘
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水需求的，而要想達到這一效果，就需要設置和水利工程自排能力相符合的泵站。在進行泵站的設計時，一般會把泵和閘結合起來進行合理的布設，就是說在泵站的下方或泵站周邊設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，倘若出現惡劣天氣和較大的水位差，就要馬上采用強排措施，因為這樣做不僅可以在很大程度上縮短排水時間，還可以避免不必要的浪費。
2.3 采用綠化帶來增強河道的防洪能力
在對傳統的防汛墻進行設計時，通常是設計成治理結構，因為采用這種結構能夠最大限度地減少河道的占地面積。但是，隨著人們對自然環境保護和生態建設逐漸加強重視。如今，在建設河道時都需要在河道兩側布置綠化帶，以便通過增添綠化帶來高效地縮減排水時間，并增強河道的防洪能力。同時，也可以在一定程度上滿足生態建設的需要，而最為重要的是可以節約很多能源。
2.4 采用信息技術來進行科學、合理的調度
目前，隨著我國經濟的發展，為滿足社會發展的需要，我國已經建立了許多水利工程。倘若能夠及時地依據天氣情況而對水利工程進行合理、科學的調度，就能夠在很大程度上提升水利工程的防洪和調水能力，從而達到縮減排水時間和節能的目的。但是，這一工程是非常復雜的，倘若僅僅是依賴人工調節是很難實現的。因此，就需要借助信息技術，即通過建立防洪和水資源監控系統，采用集散控制的方式，應用計算機網絡技術來進行統一的調度并給予及時的控制，從而提高水利工程的反應速度，并達到優化工程運行結構、縮減經營成本的目的。
3 關于用能品種及用能總量
根據工程設計方案及施工組織設計，對工程施工期和運行期的用能品種、數量進行計算。在此基礎上，將各個用能品種的用量換算為標準煤數量，以此可以分別計算出工程施工期和運行期折合為標準煤的用能總量。
4 節能技術方案
4.1 供電方案的節能
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能的又一個重要的措施。針對水利工程的特點，在供電方案的設計中采取下列節能措施。
（1）優先選用10kV主水泵電動機直接聯網運行的供電方案
水利泵站的主水泵電動機容量都比較大，從經濟和技術綜合考慮，設計手冊建議容量大于250kW電動機應選用高壓電動機。以前這類電動機一直選用電壓等級為6kV電動機，我國供電電網的電壓是10kV，所以必須設置10～6kV降壓變壓器，為滿足大型電動機啟動時的壓降的要求，降壓變壓器的容量都大于電動機的容量之和。
（2）合理配置站用變壓器
在設計的泵閘工程中，如電機容量在250kW以下時，為了節省工程投資和今后運行管理的方便，都選用380V電動機。由于泵閘電動機用電量較大，必須設置專用的10～0.4kV降壓變壓器給電動機供電，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，除在災害性天氣時啟動水泵排水外，年運行小時數相對較少，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，所以在設計這類泵站的供電方案時另配站用變壓器，平時主變壓器不投入運行，由站用變壓器給站用電供電。雖然工程投資有所增加，但避免大電機啟動和停止運行時的沖擊，提高了供電的可靠性，還可節約大量的能源。
4.2 用電設備的節能
在水利工程設計中，除嚴格按有關規定的要求選用節能電氣產品外，在選擇用電設備時從以下幾個方面體現節能的要求：
（1）選擇合理的水泵參數，使水泵工作在高效區
新建水利泵站所選用的水泵多數為大中型軸流水泵，這類產品已形成系列，有多種泵型、不同的葉片安放角和多種口徑供用戶選擇，以適應各種不同的工況條件。在泵站設計中，嚴格按設計規范的要求，對設計工況下的水泵參數如水泵泵型、葉片安放角、口徑和比轉速等進行比較選擇。優選水泵參數使水泵在設計工況下能在高效區工作。
（2）水泵和電動機的連接優先采用直連方式
水泵和電動機的連接有齒連和直連兩種方式。直連是指水泵和電動機直接連接成水泵電動機組，這就要求電動機的轉速與水泵的轉速一致，大中型軸流水泵的轉速都比較低，與其配套的電動機必須是低速電動機，其體積大，效率略低。齒連是指水泵和電動機通過齒輪變速箱連接成水泵電動機組，采用齒連方式電動機可用高速電動機，其體積小，效率略高，但齒輪變速箱能耗較大，整個水泵電動機組的效率反而比直連約低2%～3%。噪聲也較大，還增加了日常維護保養的工作量。考慮節能、噪聲及工作可靠性等因素，在泵站設計中水泵和電動機的連接優先采用直連方式。
（3）提高泵站的裝置效率
泵站的裝置效率是指從泵站進水口到出水口整個泵站裝置的效率，它不但與水泵電動機組的效率有關，還與進水流道、出水流道和閘門等水工構筑物的水力損耗有關。在選擇了高效的水泵電動機組后，要提高泵站的裝置效率就主要是減少水工構筑物的水力損耗，選擇合理的流道布置是減少流道水力損耗的重要措施。在設計某低揚程泵站凈揚程為1.96m時初選立式流道布置，經計算流道損失可達1.5m。在對各種流道方案進行反復比較后，建議選用貫流式流道布置方案，經計算流道損失僅0.6m，電動機功率由360kW降為220kW，節能達38.9%，還大幅度降低了工程造價。
5 結束語
綜上所述，節能技術是水利工程設計的核心工作。因此，我們要根據實際情況制定出合理的節能技術設計方案，確保水利工程的發展。
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