張紹華

（蘇州市吳江區(qū)水務(wù)局，江蘇 蘇州 215200）

城市供水的二泵站設(shè)計(jì)一般優(yōu)先滿足最不利點(diǎn)供水要求，這往往使得二泵站內(nèi)泵組無(wú)法靈活應(yīng)對(duì)供水量的大幅變化，甚至造成供水流量升高時(shí)的高負(fù)荷供水和供水流量下降時(shí)的電能耗費(fèi)[1］。變頻調(diào)速泵的使用可有效解決上述問(wèn)題，在一定程度節(jié)省了能耗[2］。

目前國(guó)內(nèi)水廠供水泵房調(diào)節(jié)工況的措施有：（1）變頻調(diào)速，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵流量、揚(yáng)程、功率等參數(shù)。水廠多設(shè)置用1-2 臺(tái)變頻離心泵，通過(guò)變頻泵工況調(diào)節(jié)，影響調(diào)節(jié)并聯(lián)工況[3-5］。（2）配置參數(shù)不一的多臺(tái)水泵，通過(guò)不同水泵進(jìn)行組合。（3）水廠調(diào)度，通過(guò)供水管網(wǎng)的操作，分配各個(gè)水廠的出水量和揚(yáng)程。然而國(guó)內(nèi)泵組的運(yùn)行管理上主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)調(diào)度，缺乏客觀性和精確性[6，7］。

因此，本研究以某水廠實(shí)際運(yùn)行的泵站為研究對(duì)象，對(duì)某水廠二級(jí)泵站應(yīng)對(duì)不同供水流量時(shí)，不同水泵調(diào)配組合所面臨的流量不足及高能耗問(wèn)題進(jìn)行分析，并評(píng)估葉輪切削和葉輪更換等方式的優(yōu)化改進(jìn)效果。

1 背景介紹

B 水廠單獨(dú)負(fù)責(zé)W 市主城區(qū)的供水， 設(shè)計(jì)日供水能力30 萬(wàn)m3， 其配水泵房設(shè)置4 臺(tái)臥式離心泵，見(jiàn)表1，4 臺(tái)水泵額定流量均為5400 m3／h，揚(yáng)程43 m，其中1#和4#為工頻泵，2#和3#為變頻泵，通過(guò)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)工況。

表1 B 水廠水泵參數(shù)

B 水廠實(shí)際平均日供水量24 萬(wàn)m3，時(shí)供水量0.45 萬(wàn)m3／h～1.75 萬(wàn)m3／h，時(shí) 變 化 系 數(shù)Kh高 達(dá)1.6，表2 為2019 年1 月～2020 年12 月B 水廠送水泵房出水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。圖1 和圖2分別為送水泵房在不同供水量情況下24 小時(shí)內(nèi)出水流量和總管壓力變化規(guī)律。根據(jù)圖1 和2 可知，上午7∶00～12∶00 總管流量和總管水壓較高，夜間0∶00～6∶00 總管流量和總管水壓較低，B 水廠出水流量和總管壓力在24 小時(shí)內(nèi)變化幅度較大，需靈活調(diào)整水泵工況，以節(jié)省電耗。

表2 2019 年～2020 年B 水廠二級(jí)泵房出水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖1 二級(jí)泵房24 時(shí)內(nèi)出水總流量統(tǒng)計(jì)

圖2 24 h 內(nèi)二級(jí)泵房出水總管壓統(tǒng)計(jì)

B 水廠水泵組工況的調(diào)整主要通過(guò)變頻調(diào)節(jié)方式，在供水量較低時(shí)，優(yōu)先開(kāi)啟2#和3#變頻水泵，當(dāng)兩臺(tái)變頻水泵不能滿足管網(wǎng)用水需求時(shí)，再進(jìn)一步開(kāi)啟1#和4#工頻泵組合運(yùn)行，并聯(lián)供水。表3 為不同流量情況下各水泵相互組合運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表3 二級(jí)泵房水泵運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

表4 二級(jí)泵房不同水泵臺(tái)時(shí)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

2 存在問(wèn)題及優(yōu)化方案

2.1 存在問(wèn)題淺析

當(dāng)供水量增加到一定數(shù)值，二級(jí)泵房需要增加1 臺(tái)泵運(yùn)行，下文簡(jiǎn)稱臨界流量。當(dāng)總管流量達(dá)到6500 m3／h～7000 m3／h屬于第一類臨界流量，此時(shí)僅開(kāi)啟一臺(tái)泵時(shí)，頻率達(dá)到48 Hz以上，瞬時(shí)功率在800 kW 以上；當(dāng)開(kāi)啟兩臺(tái)變頻泵時(shí)，兩臺(tái)泵頻率均在40 Hz， 單臺(tái)瞬時(shí)功率達(dá)到380 kW， 總功率達(dá)到760 kW。相較1 臺(tái)變頻泵，雙泵運(yùn)行的耗電量更小，泵組振動(dòng)和噪聲也更平緩。故水廠根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和節(jié)能考慮，在6500 m3／h～7000 m3／h 的第一類臨界流量下采用兩臺(tái)變頻泵同時(shí)運(yùn)行的工作模式。當(dāng)總管流量在12000 m3／h～13000 m3／h 屬于第二類臨界流量，當(dāng)開(kāi)啟兩臺(tái)泵時(shí)，泵頻率達(dá)到48 Hz 以上，單臺(tái)泵瞬時(shí)功率在810 kW 以上；進(jìn)一步開(kāi)啟3 臺(tái)泵后，兩臺(tái)變頻泵頻率均在40 Hz，功率均達(dá)到420 kW 左右，第三臺(tái)工頻泵功率達(dá)到900 kW，3 臺(tái)泵總功率達(dá)到1740 kW。相較兩臺(tái)變頻泵運(yùn)行，3 臺(tái)泵同時(shí)工作的耗電量增加，其中變頻泵運(yùn)行振動(dòng)和噪聲較輕，但工頻泵存在較大振動(dòng)。此時(shí)無(wú)論是否加泵，均會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和過(guò)載現(xiàn)象，但為了避免變頻泵過(guò)載，只能選擇降頻加泵的工作模式。

在第一類情況下，開(kāi)啟一臺(tái)泵時(shí)，變頻泵接近滿負(fù)荷運(yùn)行。由于水泵設(shè)計(jì)選型揚(yáng)程偏高，通常在運(yùn)行時(shí)管網(wǎng)壓力只要達(dá)到0.28 MPa 以上即可，但泵的實(shí)際工況發(fā)生嚴(yán)重偏移，流量超出額定值，水泵功率較大發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象，導(dǎo)致振動(dòng)加劇。該類情況下泵房操作人員會(huì)采取兩臺(tái)變頻泵低頻并聯(lián)運(yùn)行，且能有效降低能耗。在第二類情況下， 以2#、3#和4#并聯(lián)運(yùn)行為例，總管壓力在0.33 MPa 左右，為精準(zhǔn)控制壓力，2#、3#泵組頻率先降到40 Hz 運(yùn)行，泵出口壓力下降至0.28 MPa，開(kāi)啟4#泵后，泵出口壓力又升至0.32 MPa，而工頻泵標(biāo)準(zhǔn)工況為0.43 MPa，組合并聯(lián)后，4#工頻泵揚(yáng)程較額定值降低0.1 MPa，流量達(dá)到6500 m3／h 以上，軸功率達(dá)到810 kW以上， 實(shí)測(cè)電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率達(dá)到1000 kW， 汽蝕余量達(dá)到7 m 以上， 與圖3 所示4# 泵特性曲線相吻合。但此時(shí)會(huì)引起水泵電機(jī)過(guò)載運(yùn)行， 且易發(fā)生汽蝕。只有在流量繼續(xù)升高后， 表5 所示， 變頻泵頻率升高，4# 泵流量降低，情況有所緩解。

表5 12500m3／h～17000m3／h 流量區(qū)間水泵運(yùn)行參數(shù)

圖3 4#泵特性曲線

2.2 優(yōu)化方案

因B 水廠要求壓力精準(zhǔn)控制，不可避免出現(xiàn)第二類臨界情況。為避免該情況下水泵存在過(guò)載和汽蝕的風(fēng)險(xiǎn)，在不增加變頻泵的情況下，可通過(guò)對(duì)工頻泵葉輪進(jìn)行切割或更換，以降低其額定揚(yáng)程。但根據(jù)原常規(guī)改造切割葉輪外徑法，外徑變化量約為10%～20%，水泵的比轉(zhuǎn)速ns=111，根據(jù)葉輪切削限量，效率會(huì)降低3%～5%，此水泵所配電機(jī)功率為900 kW，全年運(yùn)行臺(tái)時(shí)32%左右。按照能耗增加3%計(jì)算，每年內(nèi)能耗增加約為900 kW×3%×24 h×365 d×32%=7.56 萬(wàn)kW，按每度電費(fèi)0.8 元計(jì)算可得，切削葉輪法會(huì)使得每年運(yùn)行成本增加6 萬(wàn)元，不宜選擇。

一般來(lái)說(shuō)，更換葉輪的同時(shí)，需要重新增加泵殼出口寬度，滿足流量的變化要求；減小葉輪直徑，增加葉片數(shù)量以滿足揚(yáng)程的變化要求，匹配泵體流道改造留出空間；泵增加泵體壓出室寬度，修整泵體壓出室的寬度使之與新葉輪的水力尺寸相匹配[8］。更換后4#泵額定參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 改造后4#泵額定參數(shù)

2.3 應(yīng)用效果

將更換葉輪后的水泵組進(jìn)行測(cè)試，改造后水泵特性曲線見(jiàn)圖4。經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，水泵運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表6，在臨界情況下，采用2#～4#并聯(lián)運(yùn)行，2#、3#泵組頻率保持在42 Hz，功率450 kW 左右，工頻泵出口壓力0.33 MPa，泵功率700 kW，功率合計(jì)1600 kW。在1.30 萬(wàn)m3／h～1.65 萬(wàn)m3／h 的流量區(qū)間，4#泵工況在額定點(diǎn)附近（-500 m3／h，300 m3／h）變化，汽蝕余量低于5 m， 效率處于88%～90%，運(yùn)行振動(dòng)與噪聲明顯降低。

圖4 改造后4#泵特性曲線

選擇配水綜合電耗指標(biāo)分析4#泵改造后泵組組合能效，配水綜合電耗是指送水泵房供水壓力1 MPa，供水量1000 m3條件下的耗能指標(biāo)，能直接反映泵組運(yùn)行效率，計(jì)算公式如下，

式中：e 為配水單位綜合電耗，kW?h／（km3?MPa）；W 為某段時(shí)間消耗電量，kW?h；Q 為同一時(shí)段水泵出水量，m3；H 為同一時(shí)段水泵揚(yáng)程，MPa。

當(dāng)采用2#、3#和4#泵并聯(lián)的方式，4#泵改造前后運(yùn)行泵組運(yùn)行能耗如下，根據(jù)表7 可知，改造后4#泵處于高效區(qū)間運(yùn)行，綜合配水電耗相較改造前最高下降4%。

表7 1300m3／h～16500m3／h 流量區(qū)間水泵運(yùn)行參數(shù)

表8 4#泵改造前后和2 臺(tái)變頻泵并聯(lián)運(yùn)行能效

當(dāng)水廠供水量在0.65 萬(wàn) m3?h-1～1.20 萬(wàn) m3?h-1，采用4#泵搭配1 臺(tái)變頻泵運(yùn)行，相較2 臺(tái)變頻泵運(yùn)行時(shí)，配水單位電耗略高，該流量下，優(yōu)先選擇兩臺(tái)泵并聯(lián)，4#泵備用。

表9 改造后4#泵與1 臺(tái)變頻泵并聯(lián)運(yùn)行能效

根據(jù)上述泵組運(yùn)行能效分析，4#泵葉輪更換后，考慮節(jié)能因素，泵房運(yùn)行優(yōu)化如下。

表10 優(yōu)化后泵組運(yùn)行方案

3 結(jié)論

針對(duì)某水廠二級(jí)泵站運(yùn)行過(guò)程中在臨界流量區(qū)段面臨的水量不足及高能耗問(wèn)題，通過(guò)葉輪切削和葉輪更換等方式優(yōu)化改進(jìn)泵組運(yùn)行效果，具體結(jié)論如下：

（1）對(duì)供水泵房而言，只要是包含了工頻泵組合，都可能存在當(dāng)供水量處于臨界流量區(qū)段時(shí)，工頻泵均會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、揚(yáng)程降低、汽蝕余量增加和過(guò)載現(xiàn)象。

（2）針對(duì)具體工程流量特點(diǎn)，可以通過(guò)對(duì)工頻泵進(jìn)行葉輪改造，降低額定揚(yáng)程，形成了大小搭配，靈活兼顧的水泵配置方案，解決了臨界流量時(shí)原有工頻泵工況不利的問(wèn)題，改造后的水泵組運(yùn)行穩(wěn)定，且綜合配水電耗相較改造前最高下降4%。