曹莊泵站水泵機組節(jié)能措施研究

朱士權(quán)，楊俊寶，朱家昌

(1.天津市水務(wù)局，天津 300074；2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204)

水泵系統(tǒng)消耗的電能約占全世界發(fā)電量的20%,節(jié)能潛力巨大，但由于普遍存在對節(jié)能問題認(rèn)識不足的問題，在節(jié)能措施的選擇方面單純強調(diào)變頻調(diào)速的萬能性，對供水系統(tǒng)的特點不清楚；運行管理上沿用老一套的運行模式；經(jīng)濟運行的概念不清，導(dǎo)致目前泵站運行效率普遍不高，電能浪費嚴(yán)重。我國從十一五規(guī)劃的實施至今投入巨資加大節(jié)能減排的力度，工程節(jié)能措施從設(shè)計到運行管理須針對工程節(jié)能降耗的關(guān)鍵問題進(jìn)行科學(xué)的分析研究并提出對策，保證資金的合理使用，切實達(dá)到理想的節(jié)能效果。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，長距離輸水管道系統(tǒng)在我國工農(nóng)業(yè)供水、城鄉(xiāng)給排水、跨流域調(diào)水等部門得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于大型調(diào)水工程的興建，水泵機組趨于大型化，機組配套功率大，年運行臺時長，節(jié)能問題突出。天津市南水北調(diào)中線濱海新區(qū)供水工程為長距離輸水管道輸水工程，本文通過對曹莊泵站水泵機組節(jié)能措施進(jìn)行分析研究，可以從中找出長距離輸水管道泵站水泵機組的節(jié)能相關(guān)經(jīng)驗，為擬建的相似工程提供借鑒。

1 工程概況

天津市南水北調(diào)中線濱海新區(qū)供水工程起自天津干線末端本工程的曹莊泵站，終點為北塘水庫和大港區(qū)水廠。本工程線路總長約100.4 km，其中曹莊泵站至津濱分水口段管線長34.715 km，管道采用2根直徑2 600 mm PCCP管；津濱水廠支線1.48 km，管道采用單根直徑2 200 mm PCCP管；津濱分水口至北塘水庫段管線長37.73 km，管道采用2根直徑2 600 mm PCCP管，大港支線長28.4 km(緩建)。本工程近期設(shè)計流量為12.7 m3/s，曹莊泵站一級加壓供水，將引江水輸送至津濱水廠和北塘水庫；遠(yuǎn)期設(shè)計流量22.3 m3/s，采用二級加壓的供水方式，于海河北增設(shè)向北塘水庫輸水二級加壓泵站-城上村泵站(緩建)，于海河南增設(shè)向大港水廠輸水加壓泵站-柴辛莊泵站(緩建)。濱海新區(qū)供水工程線路示意圖見圖1。

泵站供水系統(tǒng)主要特點有：①本工程為平原地區(qū)長距離輸水，泵站輸水流量變化幅度大,幾何揚程小，水泵揚程主要取決于管線的輸水水力損失,揚程隨流量變化大。 ②初、遠(yuǎn)期水泵揚程差異較大，初期水泵機組為大流量低揚程(Hr=28.80 m)，遠(yuǎn)期期水泵機組為大流量低揚程(Hr=48.36 m)。③泵站前池全部為人工開挖形成，占地面積較大，但由于設(shè)計流量較大，調(diào)蓄能力有限。

曹莊泵站上承天津市南水北調(diào)干線工程，下啟濱海新區(qū)供水工程，須具有協(xié)調(diào)流量平衡的能力。根據(jù)泵站的特點選定水泵采用變頻調(diào)速的運行方式，水泵機組配置大功率變頻裝置，為保證機組高效運行需結(jié)合機組配置進(jìn)行分析研究。

2 水泵機組配置方案及流量調(diào)節(jié)分析

曹莊泵站建設(shè)采取土建工程一次到位，機電設(shè)備工程分期實施的方式，機電設(shè)備按照遠(yuǎn)期布置要求預(yù)留出空間，因此曹莊泵站的泵位數(shù)由遠(yuǎn)期規(guī)模確定，通過對機組不同臺數(shù)方案技術(shù)經(jīng)濟分析比選，最終確定遠(yuǎn)期配置8臺水平中開臥式雙吸離心泵(6用2備)方案，即采用8臺大泵(暫定型號為1200S50),水泵參數(shù)為單泵設(shè)計流量3.72 m3/s，設(shè)計揚程48.36 m，配套電機單機容量2 250 kW。初期與遠(yuǎn)期揚程相差較大,水泵機組配置方案涉及和遠(yuǎn)期的結(jié)合和與管道系統(tǒng)運行匹配的問題，其機組配置方案尤為關(guān)鍵，有一定的優(yōu)化空間，須進(jìn)行配置方案優(yōu)化分析，以保證運行可靠、節(jié)能。其解決思路為：方案1為初、遠(yuǎn)期同泵型方案，分期增設(shè)大泵；方案2為分期換泵型方案。初期裝小泵(水泵參數(shù)為單泵設(shè)計流量3.18 m3/s，設(shè)計揚程28.80 m，n=590 r/min,配套電機單機容量1 250 kW)，遠(yuǎn)期換大泵。以下就2個方案結(jié)合機組調(diào)速運行特性進(jìn)行利弊分析。

圖1 工程線路示意圖

(1)調(diào)速運行特性分析及比選結(jié)論。

①流量調(diào)節(jié)方式的選擇。本工程水泵揚程主要取決于管線的輸水水力損失,揚程變化幅度大，如采用定速泵以不同的開泵臺數(shù)的調(diào)節(jié)方法，勢必引起水泵長期偏離設(shè)計工況運行，不但運行效率低增加能耗，還將引起嚴(yán)重氣蝕，甚至由于振動而無法運行。為此，通過對運行工況初步分析，采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過降低水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，合理匹配水泵的調(diào)速運行組合。

②水泵調(diào)速運行原則。水泵在各種工況下調(diào)速運行時，保證在高效區(qū)范圍；水泵及電機在各種工況下調(diào)速運行均能安全穩(wěn)定運行。

③調(diào)速特性分析。

方案1：初期配置6臺大泵(1200S50)，4用2備，采用變頻調(diào)速的運行方式；其水泵并聯(lián)運轉(zhuǎn)特性曲線(管道損失特性以設(shè)計揚程作為特征分析)見圖2和圖3。通過圖2分析，2泵并聯(lián)運行(單管)，調(diào)速范圍在60%～100%，系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)范圍為4.64 m3/s(η=86.5%)～8.09 m3/s(η=86.0%)。則4泵并聯(lián)運行(雙管)系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)范圍為9.28～16.18 m3/s。通過圖3分析，3泵并聯(lián)運行(雙管)水泵與管道系統(tǒng)不能運行匹配，水泵效率急劇下降，氣蝕性能惡化。

圖2 1200S-50型泵2合并聯(lián)調(diào)速運行運轉(zhuǎn)特性曲線(單級加壓、單管)

圖3 1200S-50型泵3合并調(diào)速運行運轉(zhuǎn)特性曲線(單級加壓、雙管)

方案2：初期安裝6臺小泵(1100S29)， 4用2備。其水泵并聯(lián)運轉(zhuǎn)特性曲線見圖4和圖5。通過圖4分析，2泵并聯(lián)運行(單管)，調(diào)速范圍在60%～100%，系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)范圍為3.60 m3/s(η=86.5%)～6.35 m3/s(η=89.0%)。則4泵并聯(lián)運行(雙管)流量調(diào)節(jié)范圍為7.20～12.70 m3/s。通過圖5分析，3泵并聯(lián)運行(雙管)水泵與管道系統(tǒng)可以運行匹配，系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)范圍為6.21 m3/s(η=88.0%)～11.03 m3/s(η=85.0%)。

當(dāng)6.21～7.20 m3/s區(qū)間采用3泵并聯(lián)運行(雙管)方式可以達(dá)到顯著的節(jié)能效果，以6.21 m3/s流量為例：采用2泵并聯(lián)運行(單管)運行能量損耗為1 895 kW。采用3泵并聯(lián)運行(雙管)運行能量損耗僅為634 kW，日節(jié)電約達(dá)3萬kWh，3泵并聯(lián)運行(雙管)運行在特定的運行區(qū)間節(jié)能效果顯著。

圖4 1100S-29型2合并聯(lián)調(diào)速運行運轉(zhuǎn)特性曲線(單級加壓、單管)

圖5 1100S-29型泵3合并聯(lián)調(diào)速運行運轉(zhuǎn)特性曲線(單級加壓、雙管)

④機組配置方案比選結(jié)論。

方案1：初期配置6臺大泵(1200S50)，4用2備，采用變頻調(diào)速的運行方式；遠(yuǎn)期在初期基礎(chǔ)上，增設(shè)2臺大泵，6用2備。其優(yōu)點是分期增設(shè)機組不存在機電設(shè)備二次改造的問題。供水能力高于方案2(流量可達(dá)16.18 m3/s超過初期設(shè)計流量12.70 m3/s)，但存在大馬拉小車的問題，且小流量死區(qū)較大。方案2初期安裝6臺小泵(1100S29)， 4用2備。遠(yuǎn)期將原6臺小泵拆除，增設(shè)8臺大泵(1200S50)， 6用2備，滿足遠(yuǎn)期供水需求。其缺點是遠(yuǎn)期時須進(jìn)行機電設(shè)備改造，將原有設(shè)備拆除更換，會造成設(shè)備投資的損失。但方案2中3泵并聯(lián)運行(雙管)水泵與管道系統(tǒng)可以運行匹配性能優(yōu)于方案1，系統(tǒng)運行匹配性能優(yōu)于方案1，運行更為靈活、節(jié)能；考慮分期時間較長，并兼顧以上因素初期水泵機組配置采用6臺小泵(4用2備)方案。

(2)定、調(diào)速機組臺數(shù)的確定。為簡要起見，本文僅通過對初期水泵定速、調(diào)速并聯(lián)運行與全調(diào)速泵并聯(lián)運行性能比較，說明定、調(diào)速臺數(shù)的確定的問題。定速、調(diào)速水泵并聯(lián)運轉(zhuǎn)特性曲線見圖6。通過圖4分析，2泵定速、調(diào)速并聯(lián)運行(單管)，調(diào)速范圍在60%～100%，系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)范圍為4.66～6.35 m3/s。則4泵定速、調(diào)速并聯(lián)運行(雙管)流量調(diào)節(jié)范圍為9.32～12.70 m3/s。當(dāng)調(diào)速水泵調(diào)至90%，單管流量僅下降0.12 m3/s, 調(diào)速水泵對流量調(diào)節(jié)的作用很小，無法滿足工程對流量調(diào)節(jié)的需求；當(dāng)調(diào)速水泵調(diào)至80%，定速泵運行效率急劇下降僅達(dá)38%，且允許氣蝕余量陡然上升，氣蝕性能惡化。為此采用定速、調(diào)速并聯(lián)運行是不可取的，水泵機組須全部采用調(diào)速運行的方式，方可可達(dá)到運行可靠、節(jié)能的目標(biāo)。

圖6 1100S-29型泵1合調(diào)速運行1合定速運轉(zhuǎn)特性曲線(單級加壓、單管)

3 結(jié) 語

本文結(jié)合曹莊泵站工程的長距離管道輸水的特點，通過調(diào)速運行匹配分析對初、遠(yuǎn)期機組合理配置進(jìn)行了分析研究，對經(jīng)濟運行有一定的指導(dǎo)意義。結(jié)果表明，如果機組配置不合理，即使采用變頻調(diào)速的運行方式，也難以達(dá)到預(yù)期的節(jié)能效果。水泵節(jié)能是一個系統(tǒng)工程，節(jié)能手段很多，需要設(shè)計、制造、運行管理各方的協(xié)調(diào)，各個環(huán)節(jié)都能最大限度地做到節(jié)能要求，才能保證泵站工程運行可靠、經(jīng)濟。

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