張文鋼

(寶鋼股份備件資材采購(gòu)部 上海200941)

1 泵站現(xiàn)狀及其分析

泵站在鋼鐵企業(yè)及核能發(fā)電廠的循環(huán)供水、城鎮(zhèn)給排水等流體輸送工程中，已被廣泛應(yīng)用。這些泵站在長(zhǎng)期運(yùn)行中，給各個(gè)部門(mén)乃至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了不可低估的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但也是以大量的投資和能源消耗為代價(jià)換取的。有關(guān)資料表明，全國(guó)大部分泵站都處于低效運(yùn)行，效率低于50%的泵站占全國(guó)泵站總數(shù)的一半以上，也就是說(shuō)泵站所消耗的能源一半以上做了無(wú)用功［1］。當(dāng)然泵站效率低、能源消耗大的原因是多方面的，而規(guī)劃設(shè)計(jì)、設(shè)備制造和運(yùn)行管理對(duì)其影響較大。為此，泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)備選型、配置尤為重要，而水泵作為系統(tǒng)中的主要耗能設(shè)備，其選型和運(yùn)行模式對(duì)能耗的影響最大。

當(dāng)前，全世界的泵制造商致力于在設(shè)計(jì)上提高泵效率，在運(yùn)行中降低泵功率損失的研究開(kāi)發(fā)。高效、環(huán)保、節(jié)能是國(guó)內(nèi)一項(xiàng)重要的基本國(guó)策，國(guó)家積極投資鼓勵(lì)開(kāi)展這方面的研究。當(dāng)前，傳統(tǒng)的節(jié)能概念是不合理的，而正確的節(jié)能概念是減少泵產(chǎn)品總壽命期內(nèi)的消耗成本，不僅僅是傳統(tǒng)觀念的效率指標(biāo)，而是包括與產(chǎn)品有關(guān)的方方面面所需要的成本，需要積極開(kāi)展泵產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、管理等方面的節(jié)能措施研究［2］。

泵站的主要設(shè)備是水泵，泵站的優(yōu)化配置其核心是水泵的優(yōu)化配置，也就是正確的選擇水泵的型號(hào)、規(guī)格及數(shù)量，并根據(jù)工藝系統(tǒng)的需求羅列所有可能的方案，然后從投資和運(yùn)行成本等方面的考量選擇其中最佳的方案，這是進(jìn)行泵站優(yōu)化設(shè)計(jì)和配置的一種方法，而相似理論是這種方法的理論基礎(chǔ)之一。泵站優(yōu)化的重要內(nèi)容是泵站組合及能耗的計(jì)算，最后把能耗、投資、備件、維修、保養(yǎng)等各種因素都考慮在內(nèi)進(jìn)行綜合評(píng)估，選擇最佳的配置方案。

2 水泵的相似律

在水泵的設(shè)計(jì)、改造、運(yùn)行計(jì)算等工作中都要用到相似理論及其公式，其常用的三個(gè)公式:

第一相似律及其表達(dá)式

第二相似律及其表達(dá)式

第三相似律及其表達(dá)式

而對(duì)于同一臺(tái)泵，由于結(jié)構(gòu)相同，

DP=DM，ρP=ρM

式中DP—原有機(jī)泵有效直徑;

DM—優(yōu)化的水泵有效直徑;

ρP—原有水泵中水密度;

ρM—優(yōu)化后水泵中水密度。

其在不同的工況下它們間的關(guān)系可用比例律表示:

式中Q1、H1、P1—轉(zhuǎn)速為n1時(shí)的流量、揚(yáng)程和軸功率;

Q2、H2、P2—轉(zhuǎn)速為n2時(shí)的流量、揚(yáng)程和軸功率。

比例律非常實(shí)用，它可以反映轉(zhuǎn)速改變時(shí)水泵性能變化的規(guī)律，也可用來(lái)進(jìn)行變速調(diào)節(jié)計(jì)算。

3 泵站配置策略

對(duì)于工況變化大而頻繁的泵站來(lái)說(shuō)，要考慮采用調(diào)速泵和定速泵的并聯(lián)運(yùn)行問(wèn)題。不同型號(hào)和數(shù)量的定速泵組合雖然能夠適應(yīng)多種流量變化，但還不是連續(xù)變化，仍然有能量損失。而調(diào)速泵和定速泵并聯(lián)運(yùn)行，則可實(shí)現(xiàn)流量的連續(xù)變化，把能量損失降低到最低。調(diào)速泵的數(shù)量及其調(diào)速范圍對(duì)泵站的配置尤為重要。

3.1 調(diào)速泵臺(tái)數(shù)的確定

首先通過(guò)需要的最大流量來(lái)確定泵站所需要的水泵數(shù)量ntotal，即

式中Qtotal—管網(wǎng)所需的最大流量;

Qone—恒速泵的額定流量。而調(diào)速泵的最少臺(tái)數(shù)泵nmin為

式中ΔQ—調(diào)速泵的最佳范圍，ΔQ=Qmax-Qmin;Qmax—調(diào)速泵高效區(qū)的最大可調(diào)流量;Qmin—調(diào)速泵高效區(qū)的最小可調(diào)流量。

3.2 調(diào)速泵最佳調(diào)速范圍的確定

水泵最佳調(diào)流范圍是指水泵在調(diào)速前后均在高效段內(nèi)工作時(shí)所允許的流量最大變化范圍。因?yàn)樾杷渴遣粩嘧兓?，所以，確定水泵的調(diào)流范圍有重大意義。

圖1 水泵調(diào)流最佳范圍確定圖

在圖1中，hA=kAq2，hB=kBq2分別表示水泵等效率高效段的左端和右端部分。A1B1是定速泵特性曲線(xiàn)的高效段，其額定轉(zhuǎn)速為n1。當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1調(diào)降到n2時(shí)，水泵特性曲線(xiàn)的高效段也相應(yīng)下降到A2B2，此時(shí)工況點(diǎn)也由B1沿管道特性曲線(xiàn)下降到B2。為了確保抽水揚(yáng)程而防止抽不上水，調(diào)速后特性曲線(xiàn)上的揚(yáng)程HA2應(yīng)超過(guò)定速泵工作時(shí)的最小揚(yáng)程HB1，即要滿(mǎn)足HA2＞HB1。又因?yàn)樗玫倪x取是按照最大設(shè)計(jì)流量設(shè)計(jì)，所以qB1是水泵調(diào)節(jié)流量的最大值，水泵調(diào)節(jié)流量的最小值也即調(diào)速泵的啟動(dòng)流量qA2。

由于A1、A2在同一等效曲線(xiàn)上，則由比例律式(4)可知

因?yàn)橛蠬A2≥HB1，所以;由此可得水流調(diào)節(jié)的最佳范圍為

3.3 案例分析

以寶鋼熱軋廠能源1880軋輥冷卻水C系統(tǒng)要求供水揚(yáng)程在174～155m，其流量范圍在6000～9300m3/h。

以泵組中英國(guó)WEIR公司提供的水泵特性曲線(xiàn)為例，求取其最佳調(diào)速范圍。該水泵的最高效率是79%，額定流量是1400m3/h，揚(yáng)程是171m，這是額定工況點(diǎn)。運(yùn)用比例律(4)作出轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速97%、94%、90%、85%時(shí)的四條Q-H特性曲線(xiàn)。以78%效率作為高效區(qū)兩側(cè)，以155m相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為92%及定速泵特性曲線(xiàn)構(gòu)成了其最佳調(diào)速運(yùn)行區(qū)域。英國(guó)的WEIR最佳調(diào)速范圍是92%～97%，兩側(cè)的等效率曲線(xiàn)是78%，這四條曲線(xiàn)所圍的區(qū)域就是WEIR泵在寶鋼C系統(tǒng)的最佳調(diào)速運(yùn)行區(qū)域 ，如圖2所示。

圖2 英國(guó)WEIR公司水泵的特性曲線(xiàn)

圖3 德國(guó)KSB公司水泵的特性曲線(xiàn)

根據(jù)泵站的最大流量以及單臺(tái)恒速泵的額定流量，根據(jù)公式(5)可以計(jì)算出該泵站的并聯(lián)水泵數(shù)為:9300/1400=6.64，取其整數(shù)為7臺(tái)。

78%等效率曲線(xiàn)與恒速泵的特性曲線(xiàn)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量分別為1200m3/h及1600m3/h。由于液力偶合器調(diào)速存在3%的滑差，則其最大可調(diào)流量為1552m3/h。而78%等效率曲線(xiàn)與調(diào)速下限交點(diǎn)處的流量為1118.2m3/h。

根據(jù)公式(6)可得出調(diào)速泵最少數(shù)量為:1552/(1552-1118.2)=3.6。

根據(jù)寶鋼在使用的另外一進(jìn)口廠家德國(guó)KSB公司的水泵特性曲線(xiàn)(額定流量1300m3/h，揚(yáng)程為175m，效率為83%)，繪制出其最佳調(diào)速范圍如圖3所示。

圖3中，KSB泵的最佳變速調(diào)流區(qū)域由水泵的固有特性線(xiàn)(轉(zhuǎn)速100%)和轉(zhuǎn)速為90%的特性線(xiàn)以及兩側(cè)81.5%的等效率曲線(xiàn)所圍。

按照同樣的方法，其泵組數(shù)量為9300/1300=7.15，最少調(diào)速泵數(shù)為1445/(1445-1002.8)=3.3。

以上數(shù)據(jù)如何取舍，參看表1。

4 泵站全成本模型

泵站運(yùn)行成本一般包括運(yùn)行費(fèi)用(以電費(fèi)為主)，檢修、折舊等費(fèi)用以及其他與泵站運(yùn)行有關(guān)的費(fèi)用。

4.1 泵站能耗計(jì)算公式

泵站在運(yùn)行期間由于工況得變化其負(fù)荷也是變化的，假定其最大日用水量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 最大日用水量變化曲線(xiàn)

泵站由多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，則其中某一臺(tái)恒速水泵i的功率消耗為:

式中Qi—水泵供水量(m3/s);

Hi—水泵i供水揚(yáng)程(m);

γ—水的容重(N/m3);

ηdi—電機(jī)i的效率;

ηci—定速泵電動(dòng)機(jī)后面與水泵間的聯(lián)軸器i傳動(dòng)效率;

ηbi—水泵i的效率。

如果一個(gè)周期內(nèi)可以劃分為T(mén)個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行是穩(wěn)定的，各個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的水泵都有各自的流量和揚(yáng)程。則在某一時(shí)段Δtj內(nèi)所有并聯(lián)運(yùn)行的水泵所消耗的電能為

所以，在整個(gè)周期內(nèi)所消耗的全部電能為根據(jù)公式(4)、(7)，在整個(gè)周期內(nèi)泵站所消耗的全部電能為

式中Q0—定速泵初始流量;

H0—定速泵揚(yáng)程;

n0和n＇—在該時(shí)段內(nèi)投入運(yùn)行的定速泵和調(diào)速泵的臺(tái)數(shù);

ηc—定速泵的傳動(dòng)效率，因?yàn)槭侵苯觽鲃?dòng)，可以當(dāng)作100%。

電機(jī)的效率ηd和水泵的效率ηb可以當(dāng)作恒定的，調(diào)速泵的傳動(dòng)效率是隨轉(zhuǎn)速變化的，該效率與該時(shí)段的轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。Q＇、H＇、η＇c分別為調(diào)速泵流量與揚(yáng)程和效率。

4.2 全成本模型

泵站的全成本F為一段時(shí)間T內(nèi)的總費(fèi)用，包括水泵的能耗費(fèi)用W×P，其所占比例最大而且是連續(xù)的量;一次性設(shè)備投資費(fèi)用S;檢修費(fèi)用及其他費(fèi)用K［4］。

式中P—電價(jià)。

將公式(10)代入后，

以泵產(chǎn)品總壽命期(或則折舊年限)作為時(shí)間T的話(huà)，轉(zhuǎn)化為年度平均費(fèi)用，用C表示為:

上式中，第一項(xiàng)用Ψ1表示，主要影響因素為水泵的效率及運(yùn)行模式;第二項(xiàng)用Ψ2表示，主要因素為設(shè)備配置，諸如調(diào)速裝置數(shù)量及調(diào)速型式等;第三項(xiàng)用Ψ3表示，主要因素為設(shè)備的性能。即C=Ψ1+Ψ2+Ψ3。

5 泵站經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

根據(jù)公式(13)描述的泵站年度平均成本C，得知泵站的成本是可具體準(zhǔn)確計(jì)算的。因此在對(duì)整個(gè)泵站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估時(shí)，采用年度成本最小準(zhǔn)則具有現(xiàn)實(shí)意義，具體如下:

式中Ci—第i種泵站方案的年度成本。

再以寶鋼熱軋1880 C系統(tǒng)冷卻泵站為例，對(duì)英國(guó)WEIR和德國(guó)KSB公司兩種方案進(jìn)行評(píng)估。如表1所示。

表1 兩種方案評(píng)估

而最終寶鋼熱軋1880C系統(tǒng)泵站選用了英國(guó)WEIR的水泵，泵站配置為9臺(tái)水泵，其中恒速泵5臺(tái)而調(diào)速泵為4臺(tái)，這其中主要是考慮到能源車(chē)間沒(méi)有故障時(shí)間而特別增加的備用水泵的問(wèn)題。在此方案比較中，效率的稍微偏差不及價(jià)格偏差更有影響。

6 總結(jié)

泵站的泵組的設(shè)計(jì)和選型配置，需要根據(jù)系統(tǒng)需要的工藝參數(shù)決定，同時(shí)需要根據(jù)水泵的總壽命期內(nèi)的消耗成本，或單位時(shí)間的泵站的平均費(fèi)用，以運(yùn)行成本最小為準(zhǔn)則，對(duì)泵站的多種組合進(jìn)行評(píng)估，選出最佳的組合方案，該方法具有較好的操作性和可行性。

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