提高取水泵站離心泵效率的理論與實(shí)踐

吳健（瀘州市興瀘環(huán)保發(fā)展有限公司，四川瀘州646000）

水泵是通用性的機(jī)械，廣泛用于采礦、冶金、電力、石油、化工、市政、農(nóng)林等行業(yè)，而供水企業(yè)中運(yùn)用就更多了。水廠取水泵站有離心泵、真空泵、排污泵等多種形式泵。并且從經(jīng)濟(jì)的角度來看，供水企業(yè)都是用電大戶，而它總用電量的95%～98%是用來維持水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的，僅有2%～5%用于制水過程的輔助設(shè)備，如電動(dòng)閥、機(jī)修、照明等。就一般水廠而言，自來水成本的40%～70%是電費(fèi)［1］。因此研究水泵原理，了解水泵的性能，對我們用好水泵，提高運(yùn)行效率，節(jié)能降耗有相當(dāng)大的作用。以下介紹瀘州市南郊水業(yè)公司取水泵站已實(shí)施的幾個(gè)技改示例，研究離心泵提高效率的實(shí)用型技術(shù)。

1 設(shè)備情況

南郊水廠取水泵站于1987 年建成，為河床式取水構(gòu)筑物，兩根DN600 鋼管伸入長江中心取水，設(shè)計(jì)取水能力5 萬噸/日，配置3套離心式水泵機(jī)組，按2用1備模式運(yùn)行。設(shè)備具體型號參數(shù)見下表1。

表1 取水泵設(shè)備性能參數(shù)

1.1 南郊水廠各位置標(biāo)高情況及性能計(jì)算：

南郊水廠段長江源水水位：223.3～247.95米。取水泵站設(shè)計(jì)常水位：237.49m。南郊水廠取水泵站泵軸標(biāo)高：224 米。南郊水廠制水組配水槽標(biāo)高：261.53 米，南郊水廠二泵站泵軸標(biāo)高：253米；忠山高位水池底標(biāo)高：291米；大官山加壓站水池底標(biāo)高：306米；干魚塘加壓站水池底標(biāo)高：348.1米。

經(jīng)測算，查水泵廠提供的水泵流量曲線3，得取水廠汛期及枯水期理論取水參數(shù)為：

Ⅰ汛期：取水高程247.95m，流量1202m3/h

Ⅱ枯水期：取水高程223.3m，流量1120m3/h

2 水泵機(jī)組技改

2.1 第一階段技改：取水泵站洪期和枯期葉輪更換和調(diào)整

（1）現(xiàn)象描述：在取水泵站運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，由于長江水位在汛期和枯期的變化很大，高達(dá)14.19米（常水位和設(shè)計(jì)最枯水位之差）。汛期水泵電機(jī)能夠接近額定電流運(yùn)行，而枯水期水泵運(yùn)行時(shí)，由于長江水位低，電機(jī)運(yùn)行電流常常只有370～380A，比額定電流399.9 安少20 至30A，電機(jī)在遠(yuǎn)離額定電流的區(qū)域運(yùn)行。從電機(jī)運(yùn)行的效率而言，枯期的效率低。

（2）分析原因：水泵凈揚(yáng)程因長江水位變化而變化，水泵在枯水期運(yùn)行在水泵高效區(qū)以外。經(jīng)計(jì)算長江水位在各水位下水泵吸壓水管路的水頭損失水頭損失并不相等，但相差很小，因此設(shè)各∑h＝5m。結(jié)合分析取水泵站水泵機(jī)組的揚(yáng)程變化情況，可得出以下數(shù)據(jù)，具體圖見圖1。

圖1 取水泵站水泵工況點(diǎn)示意圖

冬季最枯水位時(shí)靜揚(yáng)程Hst1：Hst1＝261.53-223.30+∑h＝38.23+∑h=43.23；

夏季常水位時(shí)靜揚(yáng)程（Hst2）：Hst2＝261.53-237.49+∑h＝24.04+∑h=29.04；

設(shè)計(jì)最高洪水位時(shí)靜揚(yáng)程（Hst3）：Hst3＝261.53-247.95+∑h＝13.58+∑h=18.58；

由以上數(shù)據(jù)看出：Hst1＞Hst2＞Hst3，Hst1－Hst2＝14.19m；

由Hst1、Hst2、Hst3，在性能曲線上查得水泵的流量Q1=220L,Q2=275 L,Q3=308L

枯期和汛期的水量差的百分比達(dá)到：（Q2-Q1）/Q1＝25%。

從以上數(shù)據(jù)知道，枯期長江水位降低，導(dǎo)致水泵的揚(yáng)程增大，流量減少，電機(jī)運(yùn)行電流降低，未達(dá)到額定功率，因此水泵的運(yùn)行是極端浪費(fèi)的。

（3）解決方案：通過反復(fù)的計(jì)算和試驗(yàn)，提出汛期和枯期使用不同直徑葉輪，充分發(fā)揮電機(jī)的效率。由水泵的葉輪相似定律公式可知，Q/Qm=λ3n/nm；λ=D2/D2m＝b2/b2m。

由此公式可以看出：Q＝Qmλ3n/nm，要想增大水泵的出水量，可以增加葉輪的出口寬度或者增大葉輪的直徑。在南郊水廠的生產(chǎn)實(shí)踐中采取汛期D425葉輪，枯期D431葉輪。這樣一來，機(jī)組的運(yùn)行電流達(dá)到390A 以上，接近汛期機(jī)組的運(yùn)行電流，即使是長江最枯水位的月份，機(jī)組的運(yùn)行電流都未低于390A，取水能力在汛期和枯期均能保證達(dá)到1280 m3/h以上。

（4）實(shí)施效果：該技改實(shí)施后，南郊水業(yè)的單位電耗從510度/千噸下降到450 度/千噸左右，每年節(jié)約的電費(fèi)50 多萬元。該項(xiàng)目被瀘州市總工會(huì)評為2007年度“節(jié)能減排金點(diǎn)子獎(jiǎng)”，得到表彰。

2.2 第二階段技改：無填料軸封（無盤根）總成的試驗(yàn)和推廣

GWZ型無填料軸封相比傳統(tǒng)盤根密封優(yōu)點(diǎn)明顯，為多級式機(jī)構(gòu)。工作時(shí)單級實(shí)現(xiàn)密封，其余處于備用狀態(tài)，因此摩擦功小，能降低轉(zhuǎn)動(dòng)部件磨損，延長密封的使用壽命。該軸封密封效果好，能完全實(shí)現(xiàn)零泄漏的理想目標(biāo)，同時(shí)還能使泵的效率提高2.6～3.5%，是取代填料軸封、機(jī)械密封的理想產(chǎn)品，是水泵軸封上的一個(gè)重大進(jìn)步［2］。

（1）現(xiàn)象描述及分析原因：以往石棉盤根為減少滴漏而壓實(shí)，阻力很大，做了很多無用功。對于使用無盤根總成替換石棉盤根，其目的在于減少盤根的更換，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。但在更換過程中發(fā)現(xiàn)無盤根總成的阻力很小，盤車很靈活。新安裝的汛期葉輪，運(yùn)行時(shí)電機(jī)依舊低于預(yù)計(jì)額定電流較多，為進(jìn)一步的節(jié)能降耗提供了空間。

（2）解決方案及效果：立即組織更大的葉輪，從而使汛期葉輪為D436，枯期葉輪為D431，電機(jī)在額定電流范圍運(yùn)行，而出水量明顯增大。這時(shí)汛期的取水能力，經(jīng)檢測達(dá)到1500～1580 m3/h。在電流未增加的情況下，每小時(shí)取水量增加300 立方左右。

按此推算，取水泵站每天水泵工作1.5 臺(tái).天，相當(dāng)于在同等用電量下，每天多取水10800立方，每年多取390余萬立方的水量，其經(jīng)濟(jì)效果是明顯的。按南郊水業(yè)現(xiàn)有單位電耗水平推算，每年節(jié)約電量183萬度電，電費(fèi)115余萬元。

2.3 第三階段技改：定制水泵葉輪

為了發(fā)揮水泵的更大取水能力，將2號電機(jī)由190KW調(diào)整到250KW，同時(shí)增大葉輪直徑到D450，以期取得更大的出水量。但試運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)出水量不升反降，未達(dá)到預(yù)期效果。

（1）分析原因：參看水泵使用說明書2，水泵流量偏小和不出水可能的原因包括：注入泵的水不夠，進(jìn)水管漏氣；底閥沒有全開或淤塞，吸水管阻力太大，吸水高度太高；泵軸旋轉(zhuǎn)方向不對，出水管阻力太大，葉輪淤塞，轉(zhuǎn)速不夠；葉輪或進(jìn)出管阻塞，密封環(huán)或葉輪磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速低于規(guī)定值［3］。

根據(jù)以上原因，對比水泵情況：水泵殼體為新更換，不存在磨損；近期對取水泵站進(jìn)水管進(jìn)行了反沖洗，不存在淤塞和吸水管阻力大；長江原水位超過水泵頂高，不存在吸水高度太高；水泵出口壓力值于1、3號機(jī)組相同，均為0.4Mpa，不存在出水管路堵塞現(xiàn)象；電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定的1450 r/Min，不應(yīng)存在轉(zhuǎn)速過低問題。

可能存在的問題：進(jìn)水管是否存在進(jìn)水量不足；水泵葉輪開口值是否偏低。

（2）解決方案：與水泵生產(chǎn)廠家合作，針對實(shí)際工況，特制水泵葉輪，將葉輪直徑降到D436，而寬度加寬9mm，吸水口直徑加大。通過運(yùn)行，出水量再次大幅提高，汛期最大取水量，經(jīng)檢測達(dá)到1750 m3/h。而此時(shí)的電流，距電機(jī)額定電流，還有30～40A的距離，說明還有更大空間，有待繼續(xù)研究和開發(fā)。

（3）實(shí)施效果：通過技改，在電流增幅很小的情況下，再一次將每小時(shí)取水量增加了170 m3/h左右，按此推算，每天多取水量6120 m3/h，每年多取水量223 余萬立方，效益還是可觀的。按南郊水業(yè)現(xiàn)有單位電耗水平推算，每年節(jié)約電量105萬度電，電費(fèi)66余萬元。

3 結(jié)語

通過這一系列的技術(shù)改造，南郊水業(yè)取水泵水泵流量，從額定的1202 m3/h，已達(dá)到1750 m3/h，其取水能力已超過額定取水能力，超過效率45.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出水泵生產(chǎn)廠家的想象，在節(jié)能降耗方面取得巨大的成功。按三個(gè)階段技改所節(jié)能降耗情況推算，這一系列技改每年可為南郊水業(yè)節(jié)約電費(fèi)230余萬元，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。

回顧瀘州市南郊水業(yè)公司對取水泵站水泵的研究和技術(shù)改造，包括：取水泵站洪期和枯期水泵葉輪更換和調(diào)整、無填料軸封（無盤根）總成在水泵上的試驗(yàn)和推廣、定制水泵葉輪等的研究，均是在實(shí)踐中探索所得，有其實(shí)用意義。任何技術(shù)必有它適合的環(huán)境，不是放之四海皆準(zhǔn)的辦法。但是其思路和方法，可以借鑒。