錦凌水庫供水工程加壓泵站水泵選型設(shè)計(jì)探討

馬世波

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110006)

0 引言

錦凌水庫供水工程是從錦凌水庫取水，經(jīng)泵站加壓后送往凈水廠，經(jīng)凈化處理后自流向錦州市區(qū)供水，泵站位于水庫大壩下游650 m處，將錦凌水庫原水提升至凈水廠內(nèi)穩(wěn)壓配水井。泵站最高日提升水量為25.5萬m3/d，平均日提升水量為20.73萬m3/d。水庫設(shè)計(jì)最低水位為41.00 m，正常蓄水位為60.00 m，多年平均水位56.44 m，凈水廠穩(wěn)壓配水井最低水位為76.5 m，泵站至水庫段管道長度0.65 km，采用2×DN1400鋼管輸水，高日流量時(shí)水力坡降為0.54‰，水頭損失0.35 m；平均日流量時(shí)水力坡降為0.35‰，水頭損失0.23 m；取水泵房至凈水廠穩(wěn)壓配水井管道長度為0.9 km，采用2×DN1200鋼管輸水，高日流量時(shí)水力坡降為1.1‰，水頭損失1.21 m；平均日流量時(shí)水力坡降為0.73‰，水頭損失0.80 m。工程布置示意圖見圖1。

圖1 工程布置示意圖

1 泵站設(shè)計(jì)條件

根據(jù)錦凌水庫運(yùn)行水位特征及水泵管路系統(tǒng)布置，綜合泵站運(yùn)行特點(diǎn)，確定以泵站運(yùn)行常用工況的平均日供水量運(yùn)行工況以及最高日供水量運(yùn)行工況計(jì)算確定泵站設(shè)計(jì)主要邊界條件，經(jīng)水力計(jì)算，該泵站運(yùn)行中最高日及平均日各供水流量下的水泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1和表2。

表1 最高日供水量工況水泵設(shè)計(jì)參數(shù)表

表2 平均日供水量工況水泵設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 水泵選型論證

通過表1以及表2水泵設(shè)計(jì)基本參數(shù)表可得出，該泵站主要特點(diǎn)為流量變化幅度相對(duì)較小，但揚(yáng)程變化幅度相對(duì)較大，并且同一運(yùn)行流量時(shí)，水泵揚(yáng)程差距也較大，揚(yáng)程最大差值約為19 m。根據(jù)該泵站的主要設(shè)計(jì)參數(shù)情況，為滿足泵站運(yùn)行要求，水泵選擇重點(diǎn)分析論證了以下幾種方案。

2.1 水泵臺(tái)數(shù)方案論證

水泵臺(tái)數(shù)的合理確定，對(duì)工程投資以及運(yùn)行安全、靈活具有較大的影響，本泵站水泵臺(tái)數(shù)方案選擇主要原則如下[1]：①優(yōu)先選擇效率值較高，氣蝕余量值較小的泵型；在經(jīng)常運(yùn)行流量區(qū)段時(shí)，水泵應(yīng)在高效區(qū)運(yùn)行；在最大與最小流量時(shí)，水泵應(yīng)能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。水泵特性曲線的高效率范圍應(yīng)盡量大而平緩，以適應(yīng)各種工況的流量和揚(yáng)程要求；②在滿足運(yùn)行可靠的前提下，應(yīng)盡可能選取減少水泵的臺(tái)數(shù)，以降低泵房的土建投資；③充分考慮水泵初期流量運(yùn)行時(shí)的靈活性、安全性；④充分考慮廠區(qū)實(shí)際征地面積以及廠區(qū)布置合理等因素。

本工程限于征地面積較小，重點(diǎn)比較如下兩種水泵臺(tái)數(shù)方案：方案1，3臺(tái)水泵方案，2臺(tái)水泵運(yùn)行，1臺(tái)備用；水泵額定流量為5313 m3/h，額定揚(yáng)程39.16 m，電機(jī)功率800 kW，額定效率89.5%；方案2，4臺(tái)水泵方案，3臺(tái)水泵運(yùn)行，1臺(tái)備用。水泵額定流量為3542 m3/h，額定揚(yáng)程39.16 m，電機(jī)功率560 kW，額定效率87.0%。

(1)技術(shù)比較

方案1水泵的臺(tái)數(shù)少，所需泵房面積較小，運(yùn)行管理方便，并且運(yùn)行總功率較小，水泵效率較高。

(2)經(jīng)濟(jì)比較

按照平均日流量，多年平均水位對(duì)應(yīng)的水泵揚(yáng)程工況對(duì)兩個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，兩方案經(jīng)濟(jì)比較見表3。經(jīng)濟(jì)比較采用總現(xiàn)值法，運(yùn)行年限按照20年計(jì)。

表3 方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析表

從表3可看出，方案1水泵臺(tái)數(shù)少，泵房長度小，土建投資、設(shè)備購置費(fèi)用、年運(yùn)行電費(fèi)均低于方案2。

綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案1為本工程最優(yōu)臺(tái)數(shù)方案。

2.2 變頻調(diào)速方案論證

通過變頻器改變電機(jī)的供電頻率以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況。使水泵在多種運(yùn)行工況下，均在較高的效率范圍內(nèi)運(yùn)行，并能連續(xù)調(diào)節(jié)[2]。變頻調(diào)速方式不僅可減少能量損失和提高水泵效率，而且有利于水泵啟動(dòng)和改善水泵的氣蝕現(xiàn)象，尤其是本工程運(yùn)行工況中平均日流量工況下水泵揚(yáng)程最大差值約19 m，變頻調(diào)速方式的高效、節(jié)能以及靈活性更能得到很大的體現(xiàn)。合理的變頻調(diào)速裝置數(shù)量既要保證運(yùn)行靈活性強(qiáng)，同時(shí)還需兼顧經(jīng)濟(jì)合理。本文以泵站平均日流量(Q=20.73萬m3/d)和多年平均水位揚(yáng)程(H=30.31 m)工況，綜合水泵臺(tái)數(shù)以及廠區(qū)征地條件，重點(diǎn)對(duì)如下三種不同變頻方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較：A，2臺(tái)工頻水泵+泵后閥門調(diào)節(jié)控制方案；B，1臺(tái)工頻水泵+1臺(tái)變頻調(diào)速水泵運(yùn)行方案；C，2臺(tái)變頻調(diào)速水泵運(yùn)行方案。

擬選水泵特性曲線見圖2，三種方案經(jīng)濟(jì)比較見表4。經(jīng)濟(jì)比較采用總現(xiàn)值法，運(yùn)行年限按照20年計(jì)。

圖2 水泵特性曲線

通過圖2和表4可看出：水泵在平均日工況下運(yùn)行時(shí)，方案C由于通過改變運(yùn)行頻率以適應(yīng)運(yùn)行工況要求，水泵運(yùn)行效率較高，盡管設(shè)備費(fèi)用最高，但投資總現(xiàn)值最??；方案A為滿足運(yùn)行流量要求，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)需往曲線左側(cè)方向偏移，導(dǎo)致水泵揚(yáng)程超過需要水頭，因此需要將富余的水泵揚(yáng)程通過泵后閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)消能，以滿足運(yùn)行要求，因此能耗較高，盡管設(shè)備投資最低，但投資總現(xiàn)值依然最高。因此本工程推薦采用方案C，即全變頻調(diào)速方案。

表4 各方案經(jīng)濟(jì)比較表

2.3 多泵型組合方案論證

通過配置不同參數(shù)的多種泵型方案，從理論上分析可使水泵能實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行工況間的靈活分配組合，可實(shí)現(xiàn)泵站在不同工況下高效運(yùn)行。該方案優(yōu)點(diǎn)是通過合理的搭配，可實(shí)現(xiàn)不同工況的高效靈活調(diào)度，各型水泵運(yùn)行效率較高；缺點(diǎn)是由于需要配置的水泵類型較多，使運(yùn)行調(diào)度方案較復(fù)雜，運(yùn)行管理難度較大，廠房平面尺寸較大[3]。由于是本工程泵站占地面積較小，廠區(qū)形狀亦不規(guī)則，需要泵房面積盡可能小，故此本方案不適合本工程。

2.4 配置多型號(hào)葉輪方案

為適應(yīng)不同的供水工況，更換經(jīng)過切削過的不同直徑水泵葉輪，來滿足運(yùn)行要求，但更換葉輪需要停機(jī)拆泵，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，更換葉輪期間，工程需要停水或減產(chǎn)，供水保證率下降，而且本工程為城市供水型取水泵站，對(duì)供水水量的連續(xù)調(diào)節(jié)能力及供水保證率要求均較高，因此該方案不適合本工程[4]。

2.5 泵站配置方案確定

通過以上各配置方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本工程推薦采用3臺(tái)全變頻設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案具有運(yùn)行方式靈活，投資總現(xiàn)值最小，工程綜合性能較好的特點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文結(jié)合錦凌水庫取水泵站，針對(duì)泵站運(yùn)行揚(yáng)程變幅大的特點(diǎn)，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，確定了該泵站最優(yōu)水泵設(shè)計(jì)方案，目前工程已安全運(yùn)行超過3年時(shí)間，工程運(yùn)行狀況良好。