2008年10月27日

Tom Dorn, UNL扩展教育者

运行泵站的能源成本取决于三个变量:

• 泵输出的功量
• 泵的效率
• 动力装置的效率

表1。内布拉斯加州泵厂性能标准(NPPPC)。
能量来源	引擎 马力小时一个 能量单位	泵站 whp-h公元前 能量单位	能量单位
柴油	16.66	12.5d	每加仑
汽油	11.5	8.6	每加仑
丙烷	9.2	6.89	每加仑
天然气e	82.2	61.7	mcf
电f	1.18	0.885	千瓦时
一个Hp-h(马力小时)是考虑到驱动损失的动力装置所完成的功。这是驱动水泵的马力。 bWhp-h(水马力小时)是抽水机所完成的有用工作。 c基于75%的泵效率。 d柴油的标准在1981年由10.94修订为12.5，以更好地反映水泵计划中发现的柴油动力泵装置的发动机效率。 e假设能量含量为925 BTU/立方英尺。 f假定电机效率为88%。

当抽水装置从井或地表水来源抽水和/或加压水通过分配系统输送时，工作就是由抽水装置完成的。工程师报告水泵装置所做的有用功为水马力小时(Whp-h)，有用功的比率为每小时水马力小时(Whp-h/小时)。

内布拉斯加州泵厂研究

内布拉斯加州大学(University of Nebraska)多年来对农民拥有的抽水厂进行了数百次测试。基于这些发动机效率的现场测试和实验室测试，大学制定了内布拉斯加州泵厂性能标准(NPPPC)。NPPPC给出了两种性能度量。第一个是您应该合理地预期动力装置消耗的每单位能量的马力小时，以输入到泵的功(马力小时，hp-h)来衡量。另一个代表给水做的功，whp-h，你应该合理地预期水泵作为一个整体消耗的单位能量。

内布拉斯加大学多年来进行了几项泵站效率研究。1980- 1981年进行了一项研究，在全州范围内测试了130家农民拥有的泵站。一些泵站被发现非常高效，达到或超过NPPPC(标准)。调查发现，约85%的抽水厂的耗电量超过标准要求。当统计所有被测试水泵装置的性能评级时，研究中发现水泵装置的平均运行效率仅为NPPPC的77%。通俗地说，就消耗的能量而言，他们只完成了77%的有用工作。不同的是，泵站的平均燃料消耗比在NPPPC运行时多30%(1/0.77 = 1.3)。

在分析了最初的泵送设备测试以确定性能不佳的原因后，58%的泵送设备测试结果表明，通过现场技术人员的调整，泵送设备可能会受益。当泵试验表明需要时，技术人员调整泵叶轮。在最初的泵装置测试运行后，技术人员试图改善所有火花点火发动机的空气/燃料混合物设置和点火正时。如果进行了调整，则进行第二次泵站试验。无论是对发动机还是泵进行调整，或者两者都进行调整，能源成本平均降低了14%。

给生产商的泵测试报告的一部分是计算如果进行简单的调整之外的维修，可以节省多少额外的能源，从而使泵站在NPPPC运行。节省下来的潜在能量被用来计算维修的经济可行性。

北达科他州泵厂研究

Hla和Scherer, NDSU，在2000年进行了一项泵站效率研究，总共测试了37个泵站。不像内布拉斯加州的研究，所有被测试的泵站都是深井涡轮泵，大约一半(37台泵中的18台)是深井涡轮泵，将地下水输送到中心枢轴系统。另一半(37台泵中的19台)是离心泵，扬程低，从地表水来源抽水，并在低压下向地表灌溉系统供水。

内布拉斯加州和北达科他州的研究间隔了20年。但在比较深井涡轮泵的计算结果时，两者有较好的一致性。两项研究中，作者所选择的泵站分组的性能范围有所不同，但总体上是相当相似的。这表明，了解单个抽水厂的性能评级，以确定那些较差的抽水厂的重要性。

业绩不佳的原因

泵性能不佳的四个主要原因是:

• 泵的选择与他们目前所做的工作不匹配。
• 泵因抽沙而叶轮磨损或内部密封损坏。
• 水泵调整不当。
• 运行效率不高的动力装置。

例1:改变泵送条件而不改变泵的影响

当他的雨养农田首次转变为灌溉时，Pete希望泵能提供1100加仑/分钟(gpm)，并在泵出口为门控管道分配系统提供10 PSI压力。在1100gpm的测试泵送时，根据泵送水位为160英尺，钻井人员找到了一种适合该条件的泵模型，并选择安装了一台三级Western Land Roller 12BH泵。在1760转/分的转速下，该泵能够输出1100加仑/分，同时生产每级62英尺的水头(总水头186英尺)。这正是将水提升到水面所需的水头，克服泵柱中的少量摩擦损失，并在排放时产生10psi。从公布的扬程-容量曲线来看，在这些条件下，泵的运行效率估计超过79%，接近其最佳效率点。泵由柴油机通过齿轮头提供动力。

几年前，皮特用中心枢轴系统取代了门控管道系统。当枢轴顶部的压力表读数为40psi(泵排出处的压力表读数为45psi)时，该枢轴的设计输出功率为750 gpm。除了泵转速必须从1760转增加到1900转以创造必要的系统压力外，泵装置或柴油发动机没有做任何修改。抽水水位现在是152英尺，因为皮特抽的水比门控管道系统少350加仑/分钟。目前，泵的工作点为750加仑/分钟，扬程256英尺(如果每级扬程为85.3英尺)。

还看到: 降低灌溉抽水成本，Ag年鉴片段(4:30) 通过提高效率降低灌溉抽水厂成本，IANR的新闻稿

这种为门控管道系统设计的泵，确实可以生产出中心枢轴所需的扬程和容量，但它对泵的运行效率有什么影响呢?

利用亲和性定律，我们可以根据1760 rpm的公布曲线，推断出1900 rpm的新泵速曲线。从公布的曲线转移的效率点表明，新工作点的效率为69%。对比两种工况下的相对效率，泵在单位能量消耗下产生的有用功输出(69%/79% = 87.3%)与闸管工况下相同。

如果安装一个叶轮设计更适合泵的条件，并能达到原来79%的效率的新泵，可以节省多少能源?

预期能源消耗以上述效率比(1/0.87 = 1.145)的倒数计算。结论:该泵在69%时比在79%时多使用14.5%的能量。

你怎么知道泵厂是否使用了比它应该使用的更多的能源呢?

生产商很难随意评估一台抽水机与另一台抽水机之间的相对效率，因为两台抽水机之间在扬程、系统压力和每季抽水量方面的差异几乎总是存在差异。即使泵站的能耗比NPPPC所要求的高出30% - 50%，生产商也常常意识不到他们的泵站的能耗超出了应有的水平。

评估水泵装置性能的最佳方法是进行短期的水泵装置试验。使用仪器进行四项测量:流速，加仑/分钟(gpm)。当泵工作时，从井套管内的水位到泵排出(扬程)的距离。系统压力，测量在泵排放(PSI)。以及燃料(能源)消耗率(加仑/小时，千瓦时/小时，每小时天然气立方英尺)。

联系有信誉的司钻，询问他们是否具备进行短期泵送设备测试的能力。由于在整个测试过程中，实际升力和压力都是精确测量的，因此与NPPPC相比，短时间测试为确定泵装置效率和性能评级提供了最佳数据。

短期泵站测试的另一种替代方法是使用长期记录来估计泵站的性能。评估性能所需的信息包括:一段时间内泵出的总水量(亩-英寸)，可以从水表累加器计算，也可以从流速(gpm)和运行小时数计算;典型升力(抽水水位);在水表读数对应的期间内，泵排出的平均压力(psi)和消耗的能量。整个季节压力和升力的巨大变化可能会使结果不那么可靠。在这些情况下，较短的评估期可能更好。

例2。用记录估计内布拉斯加州典型中心枢轴系统的长期性能²

1. 测试期=整个赛季
2. 系统=中心旋转式洒水车，每圈占地125英亩
3. 升力，也就是抽水水位(PWL) = 140英尺(在泵运行时测量)
4. 泵的压力= 40 psi
5. 英亩英寸(Ac-in)的抽水基于水表读数= 1,250 Ac-in
   (这相当于125英亩土地上有10英寸的面积)。要将加仑换算成ac-in，请除以27154。
6. 测试期间使用的总燃料= 3,450加仑柴油。
   计算:
   1. Whp-h =抽水量英亩英寸×总扬程(英尺)/8.75注意:总扬程=升力+ (PSI x 2.31英尺/PSI)
      = 1,250 ac-in x(140英尺+ (40 PSI x 2.31英尺/PSI))/8.75
      = 1,250 x 232.4 /8.75
      = 33,200 whp-h
   2. 性能= whp-h/测试期间使用的能量= 33,200 whp-h/3,450加仑
      = 9.623 whp-h/加仑
   3. 性能等级=性能/NPPPC(12.5柴油从表1) x100% = (9.623/12.5) x100%
      = 77%
   4. 潜在的燃料节省= (100% - %NPPPC)/100% x测试期间的能源消耗= (100% - 77%)/100% x 3,450加仑柴油
      = 0.23 x 3,450加仑
      = 794加仑柴油

¹注:本例中77%的性能评级与内布拉斯加州1980-81年PUMP项目的平均性能相匹配。所施加的升力、压力和英亩-英寸是内布拉斯加州许多中心枢轴灌溉玉米田的典型特征。
²编制了一份Excel工作表，以协助进行长期业绩评估示例2．工作表可以在兰开斯特郡扩展网站的灌溉页面上找到lancaster.unl.edu/ag/crops/irrigate.shtml．按一下Long_Term_Pump.xls．链接在标题为灌溉能源账单能做些什么或直接访问工作表http://lancaster.unl.edu/ag/crops/Long_Term_Pump.xls你可以打开这个免费的工作表，并在大多数流行的网络浏览器中在线运行它，或者你可以将它保存到你的电脑中，并使用Microsoft Excel打开它。工作表包括逐步说明和三个示例。

的2009 UNL扩展作物预算可以在在作物生产高投入成本下生存的网站．这些预算中使用的柴油价格假定为每加仑4美元。用这个价格作为分析的基础，将这个泵站的例子提高到NPPPC的潜在能源成本节省为794加仑x 4.00美元/加仑=每年3176美元。

计算维修或更换的可行性

一旦我们知道了每年可能节省的成本，我们就可以计算维修或安装任何必要的新部件的经济可行性，使泵站达到NPPPC的100%。例如，让我们假设一个7年的回收期，每年支付7%的利息。7年期7%利息的CRF为0.1856 (表4)．我们可以借入$3,176 / 0.1856 = $17,112，并仅使用预期的能源成本节省(假设柴油价格不变为每加仑4.00美元)，预期每年偿还分期贷款的本金和利息。

表4。资本回收系数(CRF)适用于不同的贷款期限和利率。
	年利率
借期	4%	5%	6％	7%	8％	9%	10％
3年	0.3603	0.3672	0.3741	0.3811	0.388	0.3951	0.4021
4年	0.2755	0.282	0.2886	0.2952	0.3019	0.3087	0.3155
5年	0.2246	0.231	0.2374	0.2439	0.2505	0.2571	0.2638
6年	0.1908	0.197	0.2034	0.2098	0.2163	0.2229	0.2296
7年	0.1666	0.1728	0.1791	0.1856	0.1921	0.1987	0.2054
8年	0.1485	0.1547	0.161	0.1675	0.174	0.1807	0.1874
9年	0.1345	0.1407	0.147	0.1535	0.1601	0.1668	0.1736

扣除维修费用后的净利润

灌溉泵的使用寿命通常超过20年，但在我们上面的分析中，我们将期望的能源节约回收期设定为只有7年。在修理或更换的投资获得回报后所节省的能源就是额外的利润。如果我们假设柴油价格在未来20年保持在每加仑4.00美元，那么在支付维修费用后，净回报将是13年× 3176美元/年或41,288美元。

在泵的使用寿命内，每英亩每年的平均净利润

如果将41,288美元的净收益分摊到泵的整个20年预期使用寿命中，那么每英亩(41,288美元/125英亩)的维修成本以上的年净收益为330美元。如果按年细分，20年每英亩每年增加的利润将为16.51美元。

注意:泵和发动机的调整可以节省大量的费用，而不需要大的维修或更换。在进行大修或更换部件之前，应由有资格的技术人员进行探索和调整。