景泰川电力提灌的工程泵站提水效率评估及分片供水电费成本核算关于建立.docx
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景泰川电力提灌的工程泵站提水效率评估及分片供水电费成本核算关于建立
景泰川电力提灌工程泵站提水效率评估及分片供水电费成本核算报告
甘肃省景泰川电力提灌管理局
2005年度
景泰川电力提灌工程泵站提水效率评估及分片供水电费成本核算
完成人:
万国成
指导：
贾德治局长
严根副局长
周瑾成副局长
参与部门：
机电处、灌溉处、公务处
景泰川电力提灌管理局
2006年2月
第一章前言……………………………………………………………1
1．1工程状况………………………………………………………1
1．2景泰川电力提灌工程所产生的效益…………………………1
1．3问题的提出……………………………………………………4
第二章数学模型研究…………………………………………………7
2．1现有监测计量设备的配置……………………………………7
2．2获取各泵站实际提水量的数学模型…………………………8
2．3各泵站效率的求取…………………………………………10
2．4各灌溉片区供水电费成本估算的数学模型………………11
2．5各灌溉片区供水在干渠上的损失率估算…………………11
2.6工程提水总体能耗评估……………………………………12
第三章基础数据………………………………………………………13
3．1一期工程数据………………………………………………13
3．2二期工程数据………………………………………………15
第四章泵站提水效率评估结果………………………………………20
4．1一期工程各泵站提水效率…………………………………20
4．2二期工程各泵站提水效率…………………………………22
4．3结果分析……………………………………………………25
4．4工程总体效率………………………………………………32
第五章各灌溉片区供水电费成本估算………………………………33
5．1工程各泵站每方水的耗电量………………………………33
5．2一期工程各灌溉片区供水电费成本………………………34
5．3二期工程各灌溉片区供水电费成本………………………35
第六章各灌溉片区供水在干渠上的损失情况估算…………………38
6．1一期工程各灌溉片区供水在干渠上的损失情况…………38
6．2二期工程各灌溉片区供水在干渠上的损失情况…………38
6．3原因分析……………………………………………………39
第七章工程总体提水能耗评估………………………………………41
结语……………………………………………………………………44
附件一景泰川电力提灌工程总体片面图……………………………47
第一章前言
1．1工程状况
景泰川电力提灌工程是我国最大的提灌工程，曾被列入“中华之最”。
该工程始建于1969年，在工程建成上水以前，灌区是一片沙丘与戈壁滩，“遍地是沙丘，黄风不断头，十种九不收，吃粮靠回销”是当年当地的真实写照，当地老百姓经常要骑着毛驴穿越沙漠去内蒙古要饭。
正是为了改变这里一穷二白的局面，改变当地老百姓的生存状况，同时也是为了遏制腾格里沙漠向南继续蔓延，上世纪60年代国家决定兴建景泰川电力提灌工程。
该工程位于腾格里沙漠南缘，沿明长城由东向西横跨景泰、古浪两县，延伸至民勤县，是我国最大的电力提灌工程。
第一期工程于1969年开工，1972年上水，1974年竣工。
第二期工程和向民勤输水工程相继于1984年和1995年开工，至2000年全部建成。
灌区发展灌溉面积98万亩，总装机306台套，总容量达26万千瓦，年上水量约4亿立方米。
自工程上水以来，陆续安置移民30多万人，使昔日戈壁变绿洲，沙漠变良田，灌区老百姓安居乐业，生态环境大为改观。
景泰川电力提灌工程概况图如附图一所示。
1．2景泰川电力提灌工程所产生的效益
我国的电力提灌工程，自建成之日起，大多对促进当地的经济社会发展、改进当地的生存状况、改善当地的自然生态环境做出了突出的贡献。
景泰川电力提灌工程所产生的综合效益在我国电力提灌工程中首屈一指。
（1）经济效益方面
自景泰川电力提灌首期工程投入运行三十多年来，共完成提水62.72亿立方米，生产粮食40.88亿公斤，经济作物16.63亿公斤，产值达40.14亿元；而最近十年来（1995～2005）共完成提水量34.63亿立方米，生产粮食24.03亿公斤，经济作物9.25亿公斤，产值达31.6亿元，分别占灌区累计提水量的55.21％，累计生产粮食的58.78％，经济作物的55.62％，累计产值的78.72％。
表1工程经济效益对比表
时间
提水（亿立方米）
粮食（亿公斤）
经济作物（亿公斤）
产值（亿元）
工程建成至今
62．72
40．88
16．63
40．14
最近十年累计
34．63
24．03
9．25
31．6
图1.1工程效益对比图
（2）社会效益方面
景电灌区安置甘肃、内蒙两省8个县（旗）移民近40万人，基本解决了灌区人民的饮水和温饱问题。
随着灌区的建成，社会公益事业有了很大的发展，灌区内新建成10个乡镇，178所学校和123个乡村卫生院（所）；如今，迁到灌区的景泰县城商业网点密集，贸易活跃，已经成为颇具规模的县政治、经济、文化中心。
当年灌区建成后，从周边地区迁移过来的农民大多数挣扎在饥寒交迫之中，迁到库区来时都是两手空空；但在今天灌区，农民收成稳定，基本解决了温饱问题。
不少农户家里都买了电视机、冰箱、洗衣机，大多数农户家里都有电话或者手机，机动车辆（拖拉机、三轮机车、摩托、货运汽车）拥有率达到了每户2.5辆。
今天的灌区，农业欣欣向荣、百姓安居乐业，当地老百姓称该提灌工程为救命工程、富民工程。
（3）生态效益
景电灌区位于腾格里沙漠南缘，灌区原有土地均为沙漠或戈壁滩，景电灌区的建成，在腾格里沙漠南缘形成了绿色屏障，有效地阻止了腾格里沙漠往南蔓延，保护了生态环境，使兰州市、包兰铁路等免于沙漠的侵扰。
另外灌区的形成，还使灌区小气候得到了明显改善：
据灌区上水前后42年的气象统计对比，年平均降水量增加了16.6毫米，相对湿度由46％增加到48％，平均风速由每秒3.5米降低到2.4米，8级以上大风日数由29天减少为14天，年蒸发量由3390毫米降低到2433毫米。
景电工程还承担着向民勤县调水的功能。
民勤县三面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围，近年来石羊河水量锐减，地下水位逐年下降，水质恶化，灌溉面积减少，沙生植物枯萎，土地沙化，生态环境日益恶化。
景电二期延伸向民勤调水工程的建成和输水，设计年调水6100万立方米，可以部分缓解民勤县水资源危机。
为保住民勤这块沙漠中的绿洲，从根本上解决民勤人民的生存与发展，阻止巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠共同吞噬民勤，景泰川提灌工程正在做出自己的贡献。
1．3问题的提出
景泰川电力提灌工程是我国大型电力提灌的代表工程之一。
工程兴建泵站43座，总装机306台套、容量达26万千瓦，工程最大提水级数为19级，最大提水高度为612.88米；灌区发展灌溉面积98万亩，年上水量约4亿立方米。
自工程上水以来，陆续安置移民近40万人，使昔日戈壁变绿洲，沙漠变良田，灌区老百姓安居乐业，生态环境大为改观。
尽管工程的社会效益、经济效益以及生态效益巨大，但工程用电量连续两年（04、05年）逾7亿度，这无论是对景电管理局还是对电力系统来讲都是一个不小的压力。
长期以来，国家对大型提灌工程在政策与资金等各方面都给予了大力的支持，景泰川电力提灌工程也不例外。
比如投入大量的资金及人力物力进行工程建设及工程改造，在电力提灌方面长期以来以每度0.04元远低于成本价的电价保证提灌工程的用电，正是这一系列的扶助与支持，使得我国诸多大型提灌工程自建成以来，产生了巨大的综合效益，为当地老百姓带来了巨大的实惠，对自然环境的改善做出了巨大的贡献。
但目前，在市场经济环境下，随着灌溉面积的扩大，农业种植规模的增长，提灌用电电费、水费远低于成本的矛盾日益凸现出来。
目前，提灌用电供需矛盾日益加剧，已经严重制约了工程最大效益的发挥。
如何有效地降低能源消耗，对于解决这些矛盾具有非常积极而深远的意义。
这关系到灌区农民的利益，关系到腾格里沙漠南缘生态环境的改善，也关系到水管单位的生存与发展，对于我国和谐社会的构建具有深远的意义。
目前国内的电力提灌工程，大多关注工程建成后所带来的社会效益、经济效益以及生态效益，而对工程的运行成本代价和有效的管护考虑不足。
长期以来，或由于资金方面的因素，或由于观念方面的原因，或由于技术等方面的问题，国内提灌工程对泵站的提水效率均没有进行有效监测手段。
此外，电力消耗只有一个笼统的数据，对每个灌溉片区的供水电力成本无法进行核算；干渠水量损耗也只有一个笼统的数据，对每个灌溉片区的供水在干渠上的损耗也无法进行估算，形成了整个灌区生产用电上的“大锅饭”。
党的十六大及十六届三中、四中全会提出，要全面贯彻落实科学发展观，努力打造节约型社会，“十一五”发展规划里更是明确提出“十一五”时期经济社会发展的主要目标：
“在优化结构、提高效率和降低消耗的基础上，实现二O一O年人均国内生产总值比二OOO年翻一翻；资源利用效率显著提高，单位国内生产总值能源消耗比‘十五’期末降低20％左右，……”。
为了响应中央降低能耗、节约成本的号召，走可持续发展的道路，开展对电力提灌工程泵站提水效率的评估研究，在现有条件下对各泵站的提水效率进行评估并跟踪，将会为各泵站更新改造以及加强管理提供有力的帮助，最终将为提高工程运行效率打下坚实的基础。
在开展电力提灌工程泵站提水效率的评估基础上，对灌区内各灌溉片区供水的电力成本进行核算，将会使提灌管理单位对各灌溉片区的供水成本做到心中有数，从而做到更有效地安排灌溉指标，合理扩展灌溉面积，也为将来水价的市场化打下基础。
对每个灌区供水在干渠上的损失情况做一个全面的评估，也有利于对各灌溉片区供水代价的掌握，为提灌管理单位的经营决策提供支撑。
第二章数学模型研究
要对每个泵站的提水效率进行评估，首先应该得到每个泵站的实际提水量；要对各灌溉片区的用水在电费成本方面进行估算，就必须得到各灌溉片区单位水量的耗电量。
而要获取这些数据，只能是在现有的监测条件下通过一定的数学模型来进行估算。
本章主要介绍获取各泵站实际提水量的数学模型、提水效率的估算公式、获取各灌溉片区单位水量耗电量的数学模型、各灌溉片区供水在干渠上的损失情况估算的数学模型、以及工程提水总体能耗评估方法。
2．1现有监测计量设备的配置
（1）由于资金有限，景泰川电力提灌工程除了建在黄河边上的两个一级水源泵站装有水量监测装置（其中一期装有电磁流量计，二期装有超声波流量计）外，其它的泵站均无提水计量装置。
（2）为了提高渠系利用率，在工程干渠上的所有支渠口以及在干渠上的独斗口都设有量水设施。
（3）大多数泵站的用电量都有单独的电表计量，少数泵站是几个泵站共用一只电表计量。
为了泵站效率评估的结果更准确，最好的办法是在每个泵站的提水出口都加上水量监测装置，但该方案必须投入过千万的资金，在目前全局资金短缺的情况下显然行不通。
而各泵站的提水量除了总一泵有计量装置外，其它各泵站都没有水量计量装置，但每个泵站的总提水量可以利用已有的基础数据通过数学模型进行计算获得近似值。
以下介绍在现有装置的基础上，寻求获得各泵站每年提水量的方法。
2．2获取各泵站实际提水量的数学模型
为了在现有的条件下获得各泵站的提水量，必须获得各段干渠上损耗的水量。
为此作如下假设：
假设各段干渠的工程质量相同，则各段干渠上的水量损耗可以看成与干渠长度和干渠上通过水量的乘积成正比。
理由如下：
如果某段渠道上流过一定量的水量，则该段渠道各单位长度渠道上的水量损失应该近似相同；如果在某段渠道上流过的水量不同，则在该段渠道上损失的水量应该与该段渠道上流过的水量成近似的正比关系。
鉴于目前除了总1泵外各泵站的出水口均没有安装水量计量装置，有了以上假设，各泵站的实际提水量可按下面的方法近似获得。
为了简便起见，这里只介绍主干不带分支泵站的情况（主干带分支的情况与不带分支的情况原理相同），设工程共有m级提水泵站，如下图2.1所示，泵1为一级泵站，泵m为最后一级泵站。
图2.1提水泵站示意图
如果把干渠上的所有独斗渠都看成是支渠，设Vi表示每年第i个泵以后所有支渠口水量之和，Li表示第i个泵至第i+1个泵之间的干渠长度（只考虑明渠长度，如果与第i泵相邻的下级泵有多个，则Li为第i泵相邻的下级泵之间的干渠的总长度），则每段干渠上水量损失为：
（2-1）
式（2-1）中，
为一级提水泵站当年的提水总量，由于在一级泵站一般都装有提水量测装置，该数据是已知的；
为第i段干渠上损失的水量；V1实际上就是当年干渠上所有支渠的水量之和。
设
表示第i个泵站实际的提水容量，如果提灌工程的干渠没有分支，则每个泵站的实际提水量可由以下两个式中的任意一个求取：
（2-2）
（2-3）
（2-2）式表示第i泵站的提水量等于一级站提水量减去本站前面的支口水量之和（
其实就是本站前面支口水量之和，即从一级泵站到第i泵站之间的支口水量之和），再减去本站前面的干渠损耗的水量之和。
（2-3）式表示每个站的提水量等于其后面所有支口水量之和，加上该泵站后面所有干渠损耗的水量之和。
（2-2）、（2-3）两式虽然表现形式不同，但其实只要稍加变换，就可知（2-2）、（2-3）两式的结果是相同的。
如果干渠有分支，则泵站的提水量只能按（2-3）式来求取。
考虑到泵站出水管道、暗渠、以及隧洞的水量损失相比于明渠的水量损失要小得多，本文在进行计算各段水量损失时只考虑明渠的长度，而将泵站出水管道、暗渠、以及隧洞忽略。
2．3泵站效率的求取
2．3．1各泵站效率
有了各泵站的提水量，以及各泵站的实际耗电量，就可以算出各泵站的实际效率。
设泵站i的提水高程为Hi米，该站每年所耗费的电量为Wi度，则该泵站当年的综合效率为：
（2-4）
式（2-4）中，
的单位为立方米。
2．3．2工程总效率
工程的总体效率用工程实际提水做功之和除以工程的实际能耗即可求得，可由下式求取：
（2-5）
（2-5）式中W为工程总耗电量。
2．4各灌溉片区供水电费成本估算的数学模型
这里仍然以图2.1为例，把干渠上的所有独斗渠都看成是支渠，以Vi表示每年第i个泵以后所有支渠口水量之和。
第i个泵站每年所耗费的电量为Wi度，实际提水量为
（单位为m3），但由于在干渠上损耗的水其电费成本需要由实际供到每个支渠或斗渠的水费成本来分担，因此，第i个泵以后各支渠口单位水量（姑且称作有效单位水量）在第i个泵上的电力消耗
应该由下式（2-6）求取：
（2-6）
由于第i个泵站至第i＋1个泵站之间的所有支渠上单位水量的电力消耗
应该是在前面i个泵上有效单位水量所耗费的电量之和，因此，
由下式（2-7）求取：
（2-7）
2．5各灌溉片区供水在干渠上的损失情况估算的数学模型
仍以图2.1来加以说明。
设第i级泵站到第i+1级泵站之间所有支口水量之和为
，由于这些水从第一泵站到该区间总共经历的渠道长度为
（只考虑明渠并把该区间的干渠长度考虑在内），则按照获取公式（2-1）的原理可以求得为输送这些水在干渠上的水量损失
为:
（2-8）
则从总一泵供给到该区间支口上的水量有效率
为：
（2-9）
从总一泵供给到该区间支口上的水量损失率
。
2.6工程总体提水能耗评估
在前面2.2节获得每个泵站每年设计提水总量的基础上，以下给出工程提水总体能耗的评估方法，以每万方水提高10米的能量消耗来表示（或者按规程规定的每千方水提升1米的表示，两者结果相差100倍），其计算公式如下：
（2-10）
设Vi提表示每年第i个泵站实际提水总量，Hi为第i个泵站实际提水高程，W为工程当年总提水耗电量。
第三章基础数据整理
本章给出一、二期工程的网络拓扑图，并对景电一、二期工程的基础数据（如明渠长度、各泵提水高度等），以及2005年度一、二期工程的运行的基础数据进行整理汇总。
3．1一期工程
景电一期工程1969年开工，1974年竣工。
设计提水流量10.6m3/s，加大流量12m3/s，设计年提水量1.48亿m3。
最大提水高度445m，共建泵站11座（不含总二支上两级泵站），干渠总长31.8km（其中明渠总长30.1km），装机容量6.87万kW。
一期工程包括总一至总六泵，总六泵之后接西一泵至西五泵，供11级提水。
总干上共有总一支至总五支、以及北干渠共6条支渠口，西干上共有西一支至西九支共9个支口。
工程拓扑结构如图3.1所示。
图3.1一期工程拓扑结构图
干渠中明渠的长度统计如表3.1所示：
表3.1一期工程干渠明渠长度统计表
区间
明渠长度（m）
总一泵～总二泵
3074.60
总二泵～总三泵
1690.99
总三泵～总四泵
3051.70
总四泵～总五泵
2810.45
总五泵～总六泵
2023.90
总六泵～西一泵
1703.60
西一泵～西二泵
7424.20
西二泵～西三泵
3669.05
西三泵～西四泵
2098.70
西四泵～西五泵
2580.20
一期工程11个泵站提水高程如下表3.2所示：
表3.2一期工程各泵站提水高度统计表
泵站名称
泵站提水高度（m）
总一泵
74.49
总二泵
74.84
总三泵
75.83
总四泵
27.40
总五泵
24.64
总六泵
32.03
西一泵
27.26
西二泵
31.26
西三泵
26.97
西四泵
25.64
西五泵
25.00
2005年一期工程总一泵提水量为134152458m3。
各区间2005年水量统计情况如下表3.3所示：
表3.3一期工程各区间2005年水量统计表
所属区间
支渠（独斗口）名称
2005年水量（m3）
总一泵～总二泵
710353
总二泵～总三泵
0
总三泵～总四泵
0
总四泵～总五泵
总干一支
1842951
总五泵～总六泵
总一斗、总二斗、兰石农口、总二支、总三支
13644703
总六泵～西一泵
总四支、总五支、北干渠、六泵出水池
37859019
西一泵～西二泵
丰收渠、增产渠、西一～四支、西一～四斗、管道口、干渠闸阀、溢流堰
18304522
西二泵～西三泵
西五农、西六农、西五支、西六支
20447413
西三泵～西四泵
西七农、西七支
13177301
西四泵～西五泵
西八农、西九农、西八支
11891324
西五泵
西九支
8906081
11个泵站2005年生产用电情况如表3.4所示：
表3.4一期工程2005年各泵站用电量统计表
泵站名称
2005年用电量（万度）
总一泵
8002．88
总二泵
总三泵
3941．93
总四泵
1667．73
总五泵
1475．79
总六泵
1603．39
西一泵
930．66
西二泵
1734．35
西三泵
西四泵
西五泵
3．2二期工程
二期工程1984年开工，1994年基本建成，1999年竣工验收。
设计提水流量18m3/s，加大流量21m3/s，设计年提水量2.57亿m3。
最大提水高度612.88m，平均提水高度460m。
建泵站30座，干支渠总长340km；总装机容量19.27万kW。
由于二期工程在总干分水闸处分成南干渠、民调渠、北干渠共三条渠，且在总干分水闸处民调、北干渠渠口设有计量装置；南干渠以后又有南一至南五泵、七墩台3级泵站、以及花庄泵；直一泵至直四泵的渠口接于总十三泵至总干分水闸之间，且在渠口有计量装置；为了计算简单起见，将二期工程的南干渠、民调渠、北干渠、以及直一泵的渠口均先作为支渠口处理。
二期工程的网络拓扑结构如图3.2所示（为简单起见，图中只给出各泵站的拓扑结构，将支斗渠略去）：
图3.2二期工程网络拓扑图
表3.5二期工程干渠明渠长度统计表
区间
明干渠长度（m）
总一泵～总二泵
2690
总二泵～总三泵
0
总三泵～总四泵
592
总四泵～总五泵
3097
总五泵～总六泵
2675
总六泵～总七泵
18084
总七泵～总八泵
13416
总八泵～总九泵
4062
总九泵～总十泵
1214
总十泵～总十一泵
2535
总十一泵～总十二泵
3534
总十二泵～总十三泵
1146
总十三泵～总分水闸
22160
南一泵～南五泵
5520
表3.6二期工程各泵站提水高度表
泵站名称
提水高度（m）
总一泵
51.60
总二泵
51.00
总三泵
52.61
总四泵
53.20
总五泵
51.87
总六泵
40.63
总七泵
29.09
总八泵
28.33
总九泵
29.30
总十泵
28.24
总十一泵
28.30
总十二泵
28.81
总十三泵
30.35
南一泵
26.40
南二泵
27.59
南三泵
27.59
南四泵
26.69
南五泵
23.85
七墩台一泵
22.90
七墩台二泵
22.67
七墩台三泵
23.58
花庄泵站
22.31
边外一泵
24.35
边外二泵
24.60
边外三泵
25.10
直滩一泵
25.40
直滩二泵
25.85
直滩三泵
26.05
直滩四泵
26.50
兰化泵站
8.09
表3.7二期工程各区间2005年水量统计表
所属区间
支渠（独斗口）名称
2005年水量（m3）
总一泵～总二泵
零星
12335
总二泵～总三泵
零星
121149
总三泵～总四泵
零星
103402
总四泵～总五泵
零星
81098
总五泵～总六泵
零星
360275
总六泵～总七泵
兰化泵，兰化、梁槽独斗
7400980
总七泵～总八泵
一期倒水、边外支、总干独斗、总一支
21086656
总八泵～总九泵
总干独斗、总二支
20448372
总九泵～总十泵
总干独斗、总三支
20254342
总十泵～总十一泵
总干独斗、总四支
21537098
总十一泵～总十二泵
总干独斗、总五支
7677534
总十二泵～总十三泵
总干独斗、总六支
2647974
总十三泵～总分水闸
直滩所、海子滩所、民勤
84608745
南一泵～南五泵
南干各斗口、南干各支口
63060232
为了计算简化起见，将南一泵至南五泵作为一个区间先进行处理。
表3.8二期工程2005年各泵站用电量统计表
泵站名称
2005年用电量（万度）
总一泵
5737．26
总二泵
5611．98
总三泵
5720．31
总四泵
5611．18
总五泵
5574．56
总六泵
4596．94
总七泵
3112．52
总八泵
2792．61
总九泵
2560．97
总十泵
2199．16
总十一泵
1925．70
总十二泵
1878．47
总十三泵
1879．89
南一泵
826．5
南二泵
655．35
南三泵
495．99
南四泵
423．07
南五泵
七墩台一泵
407．08
七墩台二泵
七墩台三泵
花庄泵站
边外一泵
137．52
边外二泵
边外
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