青草沙水庫長興泵站運行模式探討

奚培榮 李國俊

摘 要：本文介紹單級臥式雙吸離心泵效率的計算方法，闡述影響離心泵效率的因素。結合青草沙水庫長興泵站在不同運行模式下的實際工況，參照國標，根據機泵運行數據，計算水泵及變頻器運行效率，核算水泵選配電機功率。比較長興泵站在不同運行模式下，機泵運行的效率、泵口壓力及流速。繼而判斷水泵是否運行在高效區內，選擇合適的運行模式，兼顧安全與節能，從而達到節能降耗的目的。通過不同運行模式的比較，將其他運行模式作為技術儲備，科學合理地安排長興泵站的運行管理。

關鍵詞：離心泵 水泵效率 比轉速 軸功率 運行模式

中圖分類號：TU991 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

上海市科學技術委員會科研計劃項目中課題編號為14231200401項目內論文

0 前言

泵站擔負著城市生產和生活供水的重要任務，在運行過程中消耗了大量電能。提高泵站的運行效率，可以節省日常運行的能耗。但在泵站運行中，供水量并不是一成不變的，泵站不可能始終處于最優的運行狀態。通過運行方式的改變，使水泵盡量運行在高效區。

1 離心泵軸功率與電機功率

離心泵在實際運轉過程中由于存在容積損失（泄露損失）、水力損失（水流在水泵內的摩阻、沖擊損失）和機械損失（轉動的葉輪和泵軸同固定泵殼等軸承的摩擦損失），造成了水泵效率的降低。

1.1 水泵效率

水泵效率是指泵的有效功率和軸功率之比。即。泵的功率通常指輸入功率，即原動機傳到泵軸上的功率，故又稱軸功率，用P表示。

（1）

有效功率即泵的揚程和質量流量及重力加速度的乘積，用Pe表示。

（4）

ρ—泵輸送液體的密度（kg/m3）

g—重力加速度（m/s2）

H—提升液體高度（m）

Q—流量（m？/h）

1.2配套的電機功率

（2）

式中：N電機—配套電機功率（kw）

K—備用系數

N軸—水泵軸功率（kw）

備用系數也稱富裕系數，它考慮了電機的機械效率等因素，其值隨軸功率而異，一般可查表獲得，見表1。

表1 K值的取值

N軸（kw）

<1

1～2

2～5

5～10

10～25

25～60

60～100

>100

K

1.7

1.7～1.5

1.5～1.3

1.3～1.25

1.25～1.15

1.15～1.1

1.1～1.08

1.08～1.05

2 離心泵的效率

2.1離心泵的效率標準

國家標準《離心泵效率》GB/T13007-2011規定了離心泵的效率標準，見表2。需要說明的是表2中A欄數值為水泵效率最高點，B欄數值為高效區臨界點效率，超出臨界點，水泵效率下降很快。表中的效率值是比轉速在ns=120～210的數值。

表2 單級離心泵效率

Q，m？/h

1000

1500

2000

3000

4000

5000

6000

7000

η

A

85.7

86.6

87.2

88

88.6

89

89.2

89.5

B

78.7

76.6

77.2

78

78.6

78.9

79.2

79.4

2.2 比轉速

水泵的比轉速是體現水泵性能的重要參數，它與流量Q、揚程H、轉速n有關，對于離心泵而言，比轉速在120～210之間時，水泵效率最高。

比轉速ns計算公式：

（3）

式中：Q—流量（m？/s）

H—揚程（m）

n—轉速（r/min）

從公式（3）可知，比轉速隨揚程H增大而減小，隨流量增大而增大，說明低比轉速時，水泵揚程高、流量??；而高比轉速時，水泵流量大、揚程低。

3 水泵效率計算

3.1 配套電機的選取

實例 青草沙水庫長興泵站采用臥式中開雙吸離心泵，轉速為740轉/分，流量為3418m？/h，水泵設計效率88.2%，揚程為15.8m，求其水泵效率、軸功率和電機功率。

（1）求比轉速ns

（2） 查《離心泵效率》中修正值ns=332，=3%（查GBT 13007-2011，因比轉速ns取值范圍為20～300，我們取比轉速ns=300的對應修正值3%）

則

（3） 因此軸功率

查配套電機功率

長興泵站水泵配套電機功率為200kw，與我們的計算值較為接近。

3.2 不同運行模式的比較

運行模式1（單泵單管） 青草沙水庫長興泵站某時采用單泵單管運行，調頻30hz，流量2380m？/h，揚程4.8m，求此工況時水泵效率、軸功率。

（1）

（2）查得此工況下，變頻器輸出功率為37.6kw。

（3） 則此工況下水泵效率

（4） 查得此工況下，斷路器輸出功率為44kw，則變頻器效率為

（5）從電源輸入→變頻器→電動機→水泵→出水，整個供水工藝的總效率為，計算結果見表3

表3 單泵單管運行模式效率計算值

有效功率Pe 變頻器功率 P變頻器 水泵效率η 變頻器效率η 總效率η

31.1kw 37.6kw 82.7% 85.5% 70.7%

運行模式2（雙泵單管） 青草沙水庫長興泵站某時采用雙泵單管運行，兩臺機泵調頻均為23hz，流量2170m？/h，揚程4.2m，此工況時水泵效率、軸功率。

根據上述計算方法，計算結果見表4

表4 雙泵單管運行模式效率計算值

有效功率Pe 變頻器功率 P變頻器 水泵效率η 變頻器效率η 總效率η

24.8kw 16.4*2 75.6% 78.1% 59.1%

運行模式3（雙泵雙管） 青草沙水庫長興泵站某時采用雙泵雙管運行，兩臺機泵調頻分別為21hz、22hz，流量2344m？/h，揚程分別為3.36m、3.57m，此工況時水泵效率、軸功率。

根據上述計算方法，計算結果見表5

表5 雙泵雙管運行模式效率計算值

有效功率Pe 變頻器功率 P變頻器 水泵效率η 變頻器效率η 總效率η

22.1kw 27kw 81.8% 83.1% 68%

目前長興水廠需水量穩定在48000m？/d，與設計供水規模相差較大。三種不同運行模式下，流量、流速、壓力計算值，見表6

表6不同運行模式下流量、流速、壓力計算值

流量（m？/h） 流速（m/s） 壓力（m）

單泵單管 2380 0.58 4.8

雙泵單管 2170 0.53 4.2

雙泵雙管 2344 0.29 3.36

DN1200×2原水輸水管能夠滿足各種工況的原水供應要求，各工況下的流速基本在合理范圍內。但長興支線2根DN1200原水管線若同時運行，則流速太小，原水管線內容易產生淤積。

3.3 運行模式的比較

通過對上述三種不同運行模式下，水泵效率、變頻器效率、流速等的計算。水泵高效區范圍大致在水泵最高效率的90%，按照目前供水水量，只有單泵單管運行模式下達到水泵高效區；由于長興泵站配套變頻器為260kw，目前因供水量較小，機泵負載較輕，整流損耗、逆變損耗占比較多，造成了變頻器效率較低（一般效率為90%～95%）。三種運行模式優缺點見表7

表7 方案比較表

運行模式

比較

運行模式1

（單泵單管）

運行模式2

（雙泵單管）

運行模式3

（雙泵雙管）

優點

1、水泵效率高

2、較為節能

供水可靠性高

1、供水可靠性高

2、水泵及變頻器

效率相對較高

缺點

突發跳電故障，

將導致短時斷水，安全可靠性低。

1、水泵及變頻器

效率較低

2、為防止形成管道內死水，需隔天換泵換管運行。

管道內流速太低（0.28m/s），容易造成管道淤積。

綜上，隨著今后水量增加，水泵負載增大，變頻器效率也將得以提高。作為供水企業，供水安全性、可靠性應擺在首位。

通過比較，認為運行模式3（雙泵雙管）較為合適。

參考文獻

[1] 《離心泵效率》GB/T 13007-2011

[2] 馬信國，選泵中效率計算問題—選泵的節能技術

[3] 上海城投原水有限公司原水調度中心，《長興支線調試方案》