石磊

摘 要：在日常的生產運行中，由于設計考慮了中遠期規(guī)劃及用水需求發(fā)展等問題，實際生產中的供水工況點遠遠小于設計參數(shù)，最終導致供水系統(tǒng)中出現(xiàn)水泵機組長期處于高效區(qū)間外運行，造成了電能的大量浪費。筆者在江邊取水泵房即黃石一泵站供水系統(tǒng)升級改造中，結合新的供水量需求及原有機組設計技術參數(shù)等，深入分析了電能浪費的原因，優(yōu)化了改造方案，提出了分別采用水泵變速調節(jié)和葉輪切削調節(jié)解決電能損耗問題，降低了改造成本，實現(xiàn)了機組能耗的降低。

關鍵詞：節(jié)能技術;水泵變速;葉輪切削;泵站改造

一、泵站改造項目背景

黃石一泵站作為向大冶有色公司、下陸地區(qū)及向大冶自來水公司供水的長江取水泵站，現(xiàn)有4臺20sh-13清水泵（詳見設備明細表），日供水量7.5-8.5萬噸。其中，1#水泵機組作為常用機組，日供水量約4.8萬噸。2#水泵機組因水泵故障，電機已停封近十年。3#水泵機組作為備用機組。4#水泵機組作為常用機組，變頻運行，日供水量2.4-5.5萬噸。

變頻運行，日供水量2.4-5.5萬噸

2018年3月按黃石市市政府要求，王家里水廠長江取水泵房因環(huán)保問題需進行拆除，取水缺口有大冶有色公司協(xié)助解決，公司要求我動力分公司江邊取水泵房即黃石一泵站每日向王家里水廠提供4萬噸長江源水，此項工程為市政府重點民生工程，要求全市各部門各單位權利配合。但我黃石一泵站因2#供水機組本體缺陷，不能長期運行，且各機組運行年限較長，因此泵站供水能力有限，對新增4萬噸供水量的需求較難滿足，即現(xiàn)有運行方式難以將供水量提升至11.5-12.5萬m3/d，故需對黃石一泵站進行供水系統(tǒng)升級改造，全面調整供水運行方式以保證完成市政府的任務要求。

二、泵站改造存在問題

（1）供水可靠性降低。黃石一泵站現(xiàn)采用供水機組兩用兩備的運行模式，新增4萬噸供水量后，需將運行方式調整為供水機組三用一備，供水可靠性降低。

（2）水泵本體磨損嚴重。現(xiàn)有水泵已持續(xù)運行近30年。由于長江水含沙量高，對泵體造成沖刷，且江水水位高差變化極大造成泵體發(fā)生汽蝕，泵體磨損嚴重，分公司已多次對沖刷及汽蝕的氣孔砂眼進行了修補，但缺陷點仍逐年增多，泵內腔體已出現(xiàn)蜂窩狀，部分腔室壁厚已由15mm磨損至4-5mm，易造成出水和進水兩個腔體腔壁破裂貫通。

（3）2#水泵因本體缺陷停封近十年。該水泵因填料函磨損嚴重，密封不嚴，高水位期運行漏水嚴重，維修次數(shù)頻繁，因此封存停用，如需啟用并作為主供水泵，需更新。

（4）出水管道偏小?，F(xiàn)有DN800和DN600兩條出水管道，其中DN600輸水管道管徑偏小，最大供水量6萬m3/d，無法滿足檢修期間單根管道運行時的正常供水要求。

三、節(jié)能技術的分析及應用

（一）節(jié)能工況點分析

（1）水泵運行偏離工況點造成電能損耗。根據(jù)原有水泵機組運行情況發(fā)現(xiàn)，原有供水出水壓力為0.28MPa，水泵的實際運行工況點嚴重偏離了原有額定工況點，導致出現(xiàn)汽蝕嚴重磨損了水泵本體。

（2）水泵工頻運行，調節(jié)閘門造成電能損耗。水泵機組更換完成后，采用兩工頻一變頻的運行方式，即1#、2#機組并聯(lián)工頻運行，向黃石二泵及黃石市自來水供水，另一臺水泵機組（4#機組）單獨變頻運行。黃石市自來水用水管道從1#、2#并聯(lián)管道上接出，由于市自來水用水量隨季節(jié)性變化較大，冬季用水量較小無法發(fā)揮兩臺機組的最大供水能力，因此兩臺水泵機組的1#水泵出水閘門長期需將開度控制在40%，關小閘門供水導致1#機組供水電單耗高。

（二）節(jié)能技術應用

（1）葉輪切削定律應用。經過對水泵機組實際運行工況點及改造升級后的用水需求的綜合分析，采用湘電長沙水泵廠500S35型水泵（Q=2300m3/h，H=30.8m）～（Q=2000m3/h，H=35m）～（Q=1700m3/h，H=38.5m），性能曲線如圖。

由于設計考慮了中遠期規(guī)劃及用水需求發(fā)展等問題，實際生產中的供水工況點為管道壓力為0.28Mpa，導致水泵機組長期處于高效區(qū)間外運行，造成了電能的大量浪費。

按照葉輪切削定律Q/Q1=D/D1;H/H1=（D/D1）2;N/N1=（D/D1）3，Q、H、N、D為未切削前的水泵流量、揚程、功率和葉輪外徑;Q1、H1、N1、D1為切削后的水泵流量、揚程、功率和葉輪外徑。經計算將葉輪切削為外徑510mm，技術參數(shù)為（Q=2400m3/h，H=22.3m）～（Q=2000m3/h，H=28m）～（Q=1600m3/h，H=32.1m），性能曲線如圖。

（2）變頻調速技術應用。由于增加水量后，供水量達到115-12.5萬m3/d，更新水泵后，單臺水泵供水能力為52800m3/d，兩臺工頻的運行方式無法滿足供水需求，而兩臺工頻一臺變頻運行模式下，變頻水泵最低頻率時供水量約19200m3/d，該運行方式最低供水量約為12.48萬m3/d，大于11.5-12.5萬m3/d的供水需求且不便于調節(jié)水量水壓，故為實現(xiàn)水量遠程調控，合理調節(jié)供水運行方式，需增加1套280kW高壓變頻裝置。通過兩套變頻裝置分別調節(jié)1#、4#電機頻率，通過兩條輸水管道單獨及聯(lián)合運行的方式，實現(xiàn)科學合理的調節(jié)供水壓力及供水量平衡。

由于黃石泵站高壓室空間較小，對變頻控制系統(tǒng)外形尺寸（柜體深度）有嚴格要求，原有的利德華福高壓變頻系統(tǒng)長度為5600mm，現(xiàn)有空間無法擺放兩套，同時新購柜體的深度必須小于1500mm，兩套系統(tǒng)總長必須小于7700mm，否則無法保證變頻系統(tǒng)檢修通道，經考察分公司采用的是希望森蘭變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積為3750mm×1400mm×2000mm，體積小，占地面積小，適用于黃石泵站高壓室狹小的空間。

通過安裝高壓變頻裝置，原有機組耗電量為每小時2565kWh，增加變頻控制系統(tǒng)后，調整頻率保證相同供水水量時的電量為每小時127.6kWh，年節(jié)約電費（256.5-127.6）×24h×360d×0.6元/kWh=66.82萬元。

四、供水系統(tǒng)升級改造措施

（1）更換4臺流量2000m3/h，揚程35米的高效中開式離心泵。其中2#、3#水泵進行葉輪切削，葉輪直徑為510mm。

（2）10kV高壓電機維修。由于新電機安裝空間受限，對原10kV高壓電機進行利舊，通過對電機繞組進行絕緣修復，重新固定及修復脫落槽楔等方式，延長電機使用壽命，增強電機運行可靠性。

（3）更換泵站內電動閘門。為實現(xiàn)水量水壓的遠程調控，需更新4臺DN500出水電動蝶閥、1臺DN800連通電動蝶閥，并分別配備控制箱。

（4）更新兩套高壓變頻控制系統(tǒng)。通過兩套變頻裝置分別調節(jié)1#、4#電機頻率，通過兩條輸水管道可實時選擇聯(lián)合、獨立運行方式，實現(xiàn)科學合理的調節(jié)供水壓力及供水量平衡。

（5）新裝2臺套DN900水量電動調節(jié)閥。由于兩條輸水管道在黃石二泵站無水量調節(jié)閥門，新敷設的王家里源水管與我公司兩條輸水管道碰點后，我方將無法通過調節(jié)黃石二泵用水量來保證王家里源水管的供水量，故需安裝水量調節(jié)閥門，合理調控輸送至王家里水廠和黃石二泵站的水量及管網壓力。

（6）增加混合槽超聲波水位計、壓力變送器及監(jiān)控報警裝置，避免王家里水廠調節(jié)水量導致黃石二泵供水量驟增而引發(fā)安全事故。增加混合槽進水管連通管道，設置DN600連通閘門。

五、結語

隨著國家對節(jié)能環(huán)保安全運行要求的提高，水泵站作為供水系統(tǒng)的最基本單元，而水泵機組作為重點耗能設備，各種節(jié)能措施的應用顯得尤為重要，各類措施不僅可以有效降低供水綜合電單耗降低成本，還能通過節(jié)能分析及運行方案比選優(yōu)化供水運行方式。筆者認為在供水泵站的運行管理上，管理技術人員關注的更多的是單臺設備機組的運行能耗，而在綜合用能分析上關注較少，本文就葉輪切削、變頻調速及運行方式調整等方面對節(jié)能技術的應用進行了實例分析，希望提供一些節(jié)能降耗的思路，為供水泵站的生產運行提供一些好的建議。

參考文獻：

[1]余金鳳，張永偉.水泵與水泵站.黃河水利出版社，2009.1.