某水廠二級泵房泵組運行問題分析及配置方案優(yōu)化

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)計一般優(yōu)先滿足最不利點供水要求，這往往使得二泵站內(nèi)泵組無法靈活應(yīng)對供水量的大幅變化，甚至造成供水流量升高時的高負荷供水和供水流量下降時的電能耗費[1］。變頻調(diào)速泵的使用可有效解決上述問題，在一定程度節(jié)省了能耗[2］。

目前國內(nèi)水廠供水泵房調(diào)節(jié)工況的措施有：（1）變頻調(diào)速，通過改變電動機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水泵流量、揚程、功率等參數(shù)。水廠多設(shè)置用1-2 臺變頻離心泵，通過變頻泵工況調(diào)節(jié)，影響調(diào)節(jié)并聯(lián)工況[3-5］。（2）配置參數(shù)不一的多臺水泵，通過不同水泵進行組合。（3）水廠調(diào)度，通過供水管網(wǎng)的操作，分配各個水廠的出水量和揚程。然而國內(nèi)泵組的運行管理上主要還是依靠經(jīng)驗調(diào)度，缺乏客觀性和精確性[6，7］。

因此，本研究以某水廠實際運行的泵站為研究對象，對某水廠二級泵站應(yīng)對不同供水流量時，不同水泵調(diào)配組合所面臨的流量不足及高能耗問題進行分析，并評估葉輪切削和葉輪更換等方式的優(yōu)化改進效果。

1 背景介紹

B 水廠單獨負責W 市主城區(qū)的供水， 設(shè)計日供水能力30 萬m3， 其配水泵房設(shè)置4 臺臥式離心泵，見表1，4 臺水泵額定流量均為5400 m3／h，揚程43 m，其中1#和4#為工頻泵，2#和3#為變頻泵，通過變頻調(diào)速調(diào)節(jié)工況。

表1 B 水廠水泵參數(shù)

B 水廠實際平均日供水量24 萬m3，時供水量0.45 萬m3／h～1.75 萬m3／h，時 變 化 系 數(shù)Kh高 達1.6，表2 為2019 年1 月～2020 年12 月B 水廠送水泵房出水數(shù)據(jù)統(tǒng)計。圖1 和圖2分別為送水泵房在不同供水量情況下24 小時內(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 水廠二級泵房出水數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖1 二級泵房24 時內(nèi)出水總流量統(tǒng)計

圖2 24 h 內(nèi)二級泵房出水總管壓統(tǒng)計

B 水廠水泵組工況的調(diào)整主要通過變頻調(diào)節(jié)方式，在供水量較低時，優(yōu)先開啟2#和3#變頻水泵，當兩臺變頻水泵不能滿足管網(wǎng)用水需求時，再進一步開啟1#和4#工頻泵組合運行，并聯(lián)供水。表3 為不同流量情況下各水泵相互組合運行的統(tǒng)計結(jié)果。

表3 二級泵房水泵運行統(tǒng)計

表4 二級泵房不同水泵臺時運行統(tǒng)計

2 存在問題及優(yōu)化方案

2.1 存在問題淺析

當供水量增加到一定數(shù)值，二級泵房需要增加1 臺泵運行，下文簡稱臨界流量。當總管流量達到6500 m3／h～7000 m3／h屬于第一類臨界流量，此時僅開啟一臺泵時，頻率達到48 Hz以上，瞬時功率在800 kW 以上；當開啟兩臺變頻泵時，兩臺泵頻率均在40 Hz， 單臺瞬時功率達到380 kW， 總功率達到760 kW。相較1 臺變頻泵，雙泵運行的耗電量更小，泵組振動和噪聲也更平緩。故水廠根據(jù)運行經(jīng)驗和節(jié)能考慮，在6500 m3／h～7000 m3／h 的第一類臨界流量下采用兩臺變頻泵同時運行的工作模式。當總管流量在12000 m3／h～13000 m3／h 屬于第二類臨界流量，當開啟兩臺泵時，泵頻率達到48 Hz 以上，單臺泵瞬時功率在810 kW 以上；進一步開啟3 臺泵后，兩臺變頻泵頻率均在40 Hz，功率均達到420 kW 左右，第三臺工頻泵功率達到900 kW，3 臺泵總功率達到1740 kW。相較兩臺變頻泵運行，3 臺泵同時工作的耗電量增加，其中變頻泵運行振動和噪聲較輕，但工頻泵存在較大振動。此時無論是否加泵，均會出現(xiàn)振動和過載現(xiàn)象，但為了避免變頻泵過載，只能選擇降頻加泵的工作模式。

在第一類情況下，開啟一臺泵時，變頻泵接近滿負荷運行。由于水泵設(shè)計選型揚程偏高，通常在運行時管網(wǎng)壓力只要達到0.28 MPa 以上即可，但泵的實際工況發(fā)生嚴重偏移，流量超出額定值，水泵功率較大發(fā)生過載現(xiàn)象，導(dǎo)致振動加劇。該類情況下泵房操作人員會采取兩臺變頻泵低頻并聯(lián)運行，且能有效降低能耗。在第二類情況下， 以2#、3#和4#并聯(lián)運行為例，總管壓力在0.33 MPa 左右，為精準控制壓力，2#、3#泵組頻率先降到40 Hz 運行，泵出口壓力下降至0.28 MPa，開啟4#泵后，泵出口壓力又升至0.32 MPa，而工頻泵標準工況為0.43 MPa，組合并聯(lián)后，4#工頻泵揚程較額定值降低0.1 MPa，流量達到6500 m3／h 以上，軸功率達到810 kW以上， 實測電動機瞬時功率達到1000 kW， 汽蝕余量達到7 m 以上， 與圖3 所示4# 泵特性曲線相吻合。但此時會引起水泵電機過載運行， 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載和汽蝕的風險，在不增加變頻泵的情況下，可通過對工頻泵葉輪進行切割或更換，以降低其額定揚程。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，效率會降低3%～5%，此水泵所配電機功率為900 kW，全年運行臺時32%左右。按照能耗增加3%計算，每年內(nèi)能耗增加約為900 kW×3%×24 h×365 d×32%=7.56 萬kW，按每度電費0.8 元計算可得，切削葉輪法會使得每年運行成本增加6 萬元，不宜選擇。

一般來說，更換葉輪的同時，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行測試，改造后水泵特性曲線見圖4。經(jīng)運行測試，水泵運行參數(shù)見表6，在臨界情況下，采用2#～4#并聯(lián)運行，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1600 kW。在1.30 萬m3／h～1.65 萬m3／h 的流量區(qū)間，4#泵工況在額定點附近（-500 m3／h，300 m3／h）變化，汽蝕余量低于5 m， 效率處于88%～90%，運行振動與噪聲明顯降低。

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，能直接反映泵組運行效率，計算公式如下，

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

當采用2#、3#和4#泵并聯(lián)的方式，4#泵改造前后運行泵組運行能耗如下，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)間水泵運行參數(shù)

表8 4#泵改造前后和2 臺變頻泵并聯(lián)運行能效

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

表9 改造后4#泵與1 臺變頻泵并聯(lián)運行能效

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

表10 優(yōu)化后泵組運行方案

3 結(jié)論

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

（1）對供水泵房而言，只要是包含了工頻泵組合，都可能存在當供水量處于臨界流量區(qū)段時，工頻泵均會出現(xiàn)振動、揚程降低、汽蝕余量增加和過載現(xiàn)象。

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