某小（1）型水庫(kù)供水泵站技術(shù)改造及能效分析

賈偉建

（濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司 山東濰坊 261061）

1 工程概況

供水泵站為水源地水庫(kù)的主要建筑物之一，擔(dān)負(fù)向城區(qū)供水的任務(wù)，位于大壩樁號(hào)8+100 處。泵站工程由進(jìn)水閘、前池，主、副廠房，切換間等建筑物組成。為壩后式吸水泵站，進(jìn)水流道為喇叭口式，出水流道為長(zhǎng)直管，斷流方式為電動(dòng)蝶閥。隨著城區(qū)人口、工礦企業(yè)數(shù)量的增加，經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城區(qū)需水量越來(lái)越大，該供水泵站將要擔(dān)負(fù)起為新建水廠和工業(yè)園供水的任務(wù)。為完成供水任務(wù)，提高供水可靠性，決定對(duì)該泵站進(jìn)行升級(jí)改造。

2 泵站改造設(shè)計(jì)分析

2.1 泵站改造前狀況

泵站改造主要從供水能力、水泵機(jī)組、電氣以及值班運(yùn)行等4 個(gè)方面展開(kāi)，改造前存在的問(wèn)題和缺點(diǎn)［1-2］詳述如下：

（1）供水能力方面。供水泵站原設(shè)計(jì)供水能力為13 萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)揚(yáng)程46 m，只能滿足城區(qū)部分區(qū)域的用水需求，供水管路單獨(dú)運(yùn)行，無(wú)法與城區(qū)其他泵站實(shí)現(xiàn)互為備用，供水可靠性低。

（2）水泵機(jī)組方面。原泵站機(jī)組配備KQSN350-M13-406雙吸式離心泵6 臺(tái)，4 用2 備，單機(jī)流量1 355 m3/h，配套Y355-4 高壓電機(jī)6 臺(tái)，額定功率220 kW，功率因數(shù)0.86，總裝機(jī)容量1320 kW。

（3）電氣方面。2 臺(tái)主變是S7 系列，額定容量為1600 kVA，該系列變壓器損耗較大。無(wú)功補(bǔ)償方面，改造前原設(shè)計(jì)的手動(dòng)人工投切6 kV 電容補(bǔ)償裝置由于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)已無(wú)法運(yùn)行，功率因數(shù)約為電動(dòng)機(jī)本身功率因數(shù)，不能滿足供電部門對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

（4）值班運(yùn)行方面。為保證設(shè)備安全運(yùn)行，值班人員每隔半小時(shí)需要按既定路線對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行巡視和記錄，巡視工作量較大且有間隔，造成設(shè)備突發(fā)故障無(wú)法及時(shí)處理。

2.2 泵站改造設(shè)計(jì)原則

本次供水泵站改造設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循以下2 個(gè)原則：

（1）應(yīng)維持泵站原有總體布置不變，泵站工程原有站址、管線布置等維持不變，僅對(duì)泵站工程原供水系統(tǒng)、機(jī)組選型、管徑等進(jìn)行技術(shù)改造。

（2）泵站已運(yùn)行多年，應(yīng)對(duì)泵站老化失修、性能落后的機(jī)電及電氣設(shè)備重新計(jì)算復(fù)核，對(duì)不滿足現(xiàn)狀性能或者已經(jīng)淘汰的設(shè)備進(jìn)行更新、更換。

2.3 改造設(shè)計(jì)分析

借此次供水泵站改造的機(jī)會(huì)，在完成提高泵站供水能力任務(wù)的同時(shí)也要解決泵站發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和不足，進(jìn)一步提高泵站運(yùn)行的可靠性，降低泵站運(yùn)行成本。

（1）更換供水管道。原供水管道采用DN406 螺旋鋼管，設(shè)計(jì)流量由原來(lái)的1 260 m3/h 提高至2 400 m3/h 后，現(xiàn)狀管徑無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)復(fù)核后，供水管道采用DN630 螺旋鋼管，管線長(zhǎng)度保持不變。

（2）水泵和電機(jī)更新。將原來(lái)的KQSN350-M13-406 雙吸式離心泵更新為KQSN600-N13/574（T），配套電動(dòng)機(jī)由原來(lái)的Y355-4/6 kV/220 kW 電動(dòng)機(jī)更新為YX400-4/6 kV/400 kW 電動(dòng)機(jī)。改造后單機(jī)流量由原來(lái)的1 260 m3/h 提高至2 400 m3/h，供水能力由原來(lái)的13 萬(wàn)m3/d 提高至23 萬(wàn)m3/d，完全能夠滿足自來(lái)水廠和工業(yè)園區(qū)的用水需求，同時(shí)更新水泵和電機(jī)以后，提高了A 供水泵站供水能力，降低電機(jī)損耗。

（3）更新高壓電容柜，提高功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償。功率因數(shù)合理選擇既減少變壓器運(yùn)行損耗，又能增加變壓器有功輸出，提高其利用率。為了提高功率因數(shù)，一方面必須合理選擇無(wú)功補(bǔ)償電容的容量，另一方面要合理選擇無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂品绞健?/p>

①電容容量的選擇。電動(dòng)機(jī)更新后電機(jī)容量為400 kW，電動(dòng)機(jī)初始功率因數(shù)為cosφ1=0.84，6 臺(tái)電機(jī)，4 用2 備。按供電部門要求功率因數(shù)不應(yīng)低于0.9，將功率因數(shù)補(bǔ)償目標(biāo)定為cosφ2=0.95，據(jù)此計(jì)算電容容量。

總電容容量QC=P（tanφ1-tanφ2）=4×400×（0.63-0.33）=480 kvar，故本次選擇500 kvar 電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

每臺(tái)電動(dòng)機(jī)所需電容容量Q單=QC/4=480/4=120 kvar，故本次將500 kvar 電容采用200+150×2 的組合方式進(jìn)行配置，以便更好地進(jìn)行功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。

②控制方式的選擇。改造前無(wú)功補(bǔ)償裝置采用人工控制的方式，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析人工控制方式存在易出現(xiàn)工作人員誤操作和功率因數(shù)過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r。為克服人工控制方式存在的缺點(diǎn)，采用ZRWKG-3500 型高壓無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器［3］。

ZRWKG-3500 型高壓無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器對(duì)電容的控制是根據(jù)系統(tǒng)中所需無(wú)功功率進(jìn)行的，而不是根據(jù)功率因數(shù)的大小，可以很好地解決無(wú)功過(guò)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題；自動(dòng)補(bǔ)償控制器采用32 位ARM 微處理器芯片、多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核，在內(nèi)部編程時(shí)將5 min 的放電時(shí)間放入其內(nèi)，從而可以避免誤操作的發(fā)生。

（4）高損耗變壓器更換，節(jié)能降耗。改造前A 泵站的主變是S7 系列，該系列產(chǎn)品于1980 年設(shè)計(jì)，1995 年已被國(guó)家列為淘汰產(chǎn)品［4］。目前業(yè)內(nèi)變壓器的主流S11-M 系列全密封變壓器采用新型鐵芯材料，鐵芯為全斜三接縫結(jié)構(gòu)，磁路分布均勻，大大降低了空載激磁電流和空載損耗。供水泵站變壓器運(yùn)行損耗參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 供水泵站變壓器運(yùn)行損耗參數(shù)對(duì)比表

從表1 中可以看出選用S11-M 系列變壓器比S7 系列變壓器損耗的大幅降低。

（5）增建總切換間，實(shí)現(xiàn)A 泵站和城市泵站的互為備用。改造前供水泵站和其他城市泵站各自擁有獨(dú)立的供水管線，當(dāng)發(fā)生意外情況時(shí)，無(wú)法保證持續(xù)供水。為改變這一現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際情況決定增加1 個(gè)連接2 個(gè)泵站的總切換間。2 個(gè)泵站的出水管道都匯集到總切換間的匯集管，然后再通過(guò)1#、2#、3# 閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，2 個(gè)泵站可以實(shí)現(xiàn)互為備用，大大提高供水的可靠性。

3 能效分析

為滿足城區(qū)自來(lái)水廠、工業(yè)園用水需求，對(duì)A 供水泵站進(jìn)行升級(jí)改造，水泵更新為KQSN600-N13-574（T），配套電機(jī)更新為YX400-4/6 kV/400 kW。改造后單機(jī)流量提高了1 倍，供水能力提高10 萬(wàn)m3/d，總裝機(jī)容量提高到2 400 kW，因此，泵站升級(jí)改造后提高了供水能力，降低了電機(jī)損耗。

供水泵站改造后設(shè)雙回路35 kV 高壓線，泵站變配電裝置均為戶內(nèi)式，變壓器型號(hào)S11-M-3150/6 代替原來(lái)的S7-3150/6，同時(shí)新加1 臺(tái)200 kVA 變壓器，每年可減少電能損耗5.6 萬(wàn)kWh，20 年將減少電能損耗近百萬(wàn)千瓦時(shí)。

為改善供水泵站35 kV 開(kāi)關(guān)柜室陰暗潮濕的環(huán)境，提高高壓配電室的安全可靠性，對(duì)A 供水泵站35 kV 開(kāi)關(guān)柜室土建基礎(chǔ)進(jìn)行改造，對(duì)35 kV 開(kāi)關(guān)柜及其元件、電纜分接箱、直流屏、主變保護(hù)屏等設(shè)備進(jìn)行改造更新。改造后，大大提高了A泵站的用電可靠性。

供水泵站改造設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)代新技術(shù)、新設(shè)備，提高了機(jī)泵設(shè)備的效率，降低了能源損耗，使得城區(qū)生活用水和工業(yè)用水得以改善及充分保障。

4 結(jié)語(yǔ)

供水泵站綜合改造的實(shí)施，一方面大大提高了A 泵站的供水能力，完全可以滿足目前城區(qū)對(duì)水資源的需求，另一方面解決了A 泵站運(yùn)行中存在的問(wèn)題，提高了泵站運(yùn)行的可靠性，同時(shí)降低了運(yùn)行中的電能損耗、減輕了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。建議其他泵站設(shè)計(jì)和改造過(guò)程中，充分考慮水泵機(jī)組裝置的調(diào)節(jié)及控制方案，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，確定最經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。