自來水廠取水泵站設(shè)計及節(jié)能分析

何孟基

（惠州市惠城區(qū)水利資源開發(fā)建設(shè)中心，廣東 惠州 516000）

1 引言

現(xiàn)階段，我國正在加快建設(shè)水利工程，并實現(xiàn)了工程管理的現(xiàn)代化變革[1]。水源泵房實際上就是取水泵站，當(dāng)處于枯水位時，能夠通過出水閘門井的設(shè)置更好的吸水[2]。設(shè)計取水泵站的思路能夠直接影響取水泵站職能發(fā)揮的情況[3]。本文以惠城區(qū)為例，探究了該城區(qū)自來水泵站的設(shè)計內(nèi)容，明確了水泵站基本參數(shù)以及供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站基本參數(shù)等，并基于此制定完善的泵站節(jié)能技術(shù)，幫助相關(guān)工作的快速推動。

2 工程概況

廣東省惠州市惠城區(qū)共嶺下、蘆嵐、橫瀝、大嵐4座水廠，設(shè)計供水規(guī)模分別為8 500 m3/d、 2 200 m3/d、3 500 m3/d、1 500 m3/d。有3座配套取水泵站和3座出廠加壓泵站；供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站共11座，其中嶺下水廠配套嶺下取水泵站1座、嶺下一次加壓泵站1座；同時設(shè)置1座供水管網(wǎng)配套黃沙洞二次加壓泵站。

3 水泵站設(shè)計要點分析

3.1 水泵電耗計算基礎(chǔ)公式分析

在前期設(shè)計中，通過計算提水泵站水泵電耗，可實現(xiàn)衡量提水泵站各項能效指標(biāo)的功能。如公式（1）所示：

公式中，水泵功率、運行時間、電耗分別表示為P（kW）、t（h）、θ（kW·h），當(dāng)水泵流量保持穩(wěn)定，且揚程變化不大時，將會得到準(zhǔn)確性更高的計算結(jié)果。但在取水泵實際抽水時，將會出現(xiàn)流量和揚程的持續(xù)大幅度變化[4]。當(dāng)增大揚程后，單臺水泵的流量將會降低，同時功率也會降低。一般來說，水泵最大功率決定了選配電機的功率[5]。對于水泵來說，其轉(zhuǎn)速變化、電壓波動將增加軸功率，出現(xiàn)電動機超負(fù)荷的情況[6]，因此電機選配備用系數(shù)為1.05~1.1。

3.2 水泵電耗計算衍生公式推導(dǎo)過程及分析

3.2.1 衍生公式

在進(jìn)行提水泵站水泵電耗衍生計算時，可通過公式（2）進(jìn)行：

其中，H（m）表示泵的揚程；W（m3）表示工作時間內(nèi)，抽水裝置可實現(xiàn)的抽送水體積；有如公式（3）所示計算公式：

其中，電機效率、水泵效率、動力變壓器及電纜效率、動力機與泵之間傳動裝置效率分別為ηΠB、η、ηC、ηnep，其中ηC取0.96~0.98，ηnep取1。

3.2.2 衍生公式來源分析

水泵實際上能夠轉(zhuǎn)換動力機的機械能，完成被抽送液體的抽送，一般來說，會通過電能的轉(zhuǎn)換得到動力機械能[7]。在能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，水泵可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為重力勢能與動能，從而實現(xiàn)提水的功能[8]，圖1所示為其工藝流程。

圖1 工藝流程示意圖

能量方程見式（4）：

公式中，z1（m）、z2（m）表示水泵進(jìn)口與出口斷面位置水頭；H（m）表示水泵揚程；p1（mH2O）、p2（mH2O）均表示絕對壓強；v1（m/s）、v2（m/s）表示流速；重力加速度為g（m/s2）；水的密度為ρ（kg/m3）。通過公式（5）能夠計算出水泵的輸出功率Pu：

公式中，重力加速度為g（m/s2）；水的密度為ρ（kg/m3）；水泵揚程、流量、輸出功率分別為H（m）、Q（m3/s）、Pa：電能轉(zhuǎn)換勢能的過程就是水泵提水的核心原理：Pu=PaηH·y，因此可得：Pa=9.81QH/ηH·y；衍生公式為：θ=9.81（QH/ηH·y）·t，Q=W/（3 600t）。

4 惠城區(qū)自來水取水泵站及加壓泵站設(shè)計

4.1 水泵站基本參數(shù)

泵站流量確定：惠城區(qū)水廠設(shè)計供水規(guī)模為8 500 m3/d，取水泵站按照每天運行24 h計算，考慮10%自用水量，泵站取水流量為390 m3/h。取水泵站與絮凝池之間存在一根直徑350 mm、長度40 m的上山輸水鋼管進(jìn)行連接。取水泵站處的設(shè)計水位、最低水位、最高運行水位分別為14.90 m、11.57 m、23.79 m。出水池正常運行水位為集水槽出水水位，水位變化很小，基本可以忽略不計，因此，出水池設(shè)計水位、最高及最低水位均可取31.35 m，出水處為上山鋼管最高點及最遠(yuǎn)點。取水水泵揚程計算：管道糙率為0.012，沿程鋼管、局部水頭損失分別為0.2 m、2 m，自由水頭取2 m。計算泵站最高揚程指的是進(jìn)水池最低水位和水池最高水位之間的差值，為23.98 m。泵站設(shè)計揚程指的是進(jìn)水站、出水池設(shè)計水位差值，為20.45 m。計算泵站最低揚程得出結(jié)果為11.56 m。表1所示取水泵站相關(guān)參數(shù)。

表1 惠城區(qū)取水泵站基本參數(shù)表

4.2 惠城區(qū)自來水一次加壓泵站

根據(jù)惠城區(qū)水廠出廠水壓及水量要求，出廠凈壓力為48.2 m，設(shè)計流量為192.18 L/s。清水池設(shè)計水位最高水位24.80 m，設(shè)計水位24.00，最低水位22.50 m，加壓點地面高程為26.00 m。水泵揚程計算：加壓泵站水頭損失按1.5 m估算。泵站最高揚程取加壓點高程與清水池最低水位差值加上水頭損失及出廠凈壓力計算，為53.2 m。泵站設(shè)計揚程取加壓點高程與清水池設(shè)計水位差值加上水頭損失及出廠凈壓力計算，為51.7 m。泵站最低揚程取加壓點高程與清水池最高水位差值加上水頭損失及出廠凈壓力計算，為50.9 m。表2所示為一次加壓泵站基本參數(shù)情況。

表2 惠城區(qū)一次加壓泵站基本參數(shù)表

表3所示為供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站基本 參數(shù)。

表3 二次加壓泵站基本參數(shù)表

4.3 泵型選擇

4.3.1 取水泵站

惠城區(qū)取水泵站設(shè)計流量390 m3/h，設(shè)計揚程20.98 m。惠城區(qū)取水泵站的取水來源均為河道，揚程較低且接近，擬選用潛污泵與單級單吸臥式離心泵兩種泵型做比較，兩種泵型定性對比情況如表4所示。

表4 泵型比較

由表4知，潛污泵運行穩(wěn)定性有保證，汽蝕性能、泵裝置效率、維護(hù)檢修等方面均有優(yōu)勢，設(shè)備投資雖然略高，但是由于水泵較小，臺數(shù)不多，設(shè)備投資增加影響非常有限，而潛水泵采用濕式泵房，土建上節(jié)省投資更為明顯，綜合比較，惠城區(qū)取水泵站推薦選用潛污泵。

4.3.2 加壓泵站

一次加壓泵站3座，分別為惠城區(qū)一次加壓泵站、蘆嵐一次加壓泵站及橫瀝一次加壓泵站；二次加壓泵站共11座，分別為黃沙洞、大興村、嵐田村、嵐石村、小嵐村、輋洞村、歐陂村、下苦竹村、大良村、軍田村、黃洞小組。經(jīng)分析，大興村、嵐田村、嵐石村、歐陂村、下苦竹村、軍田村、黃洞小組二次加壓泵站不存在進(jìn)水管負(fù)壓情況，擬選用恒壓變頻供水成套設(shè)備。而黃沙洞、小嵐村、輋洞村、大良村二次加壓泵站可能存在進(jìn)水管負(fù)壓情況，擬選用無負(fù)壓恒壓變頻供水成套設(shè)備。

4.3.3 水泵臺數(shù)選擇

水泵站工程規(guī)模都比較小，因此不能設(shè)置數(shù)量過多。本階段結(jié)合泵站實際情況，擬采用2臺（一用一備）方案與3臺（兩用一備）方案進(jìn)行比較，根據(jù)不同時期的供水量調(diào)整開機臺數(shù)，同時采用變頻運行等方式，經(jīng)清水池調(diào)蓄等，可滿足不同水量要求，結(jié)果見表5。

表5 工作水泵臺數(shù)比較表

由表5知，兩方案技術(shù)上均可行；方案1較經(jīng)濟，取水泵站均推薦方案1：2臺（一用一備）。由于加壓泵站需根據(jù)用戶需水量進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)水量及水壓，供水水量變化范圍較大，加壓泵站均擬采用變頻供水成套設(shè)備，配套穩(wěn)壓氣罐方式，臺數(shù)結(jié)合廠家成套設(shè)備配套及流量分配要求進(jìn)行選取。

4.3.4 水泵安裝高程確定

在設(shè)計自來水廠取水泵站的過程中，一般選擇最不利點為水管最遠(yuǎn)點，并基于該點計算泵組揚程，隨后再根據(jù)管段最高點進(jìn)行復(fù)核，確保準(zhǔn)確性；若復(fù)合發(fā)現(xiàn)最高點出現(xiàn)最不利點，此時就以最高點進(jìn)行泵組揚程的計算[9]。但與實際運行工況相比，該方法得出的水泵揚程偏大，會出現(xiàn)能量富余現(xiàn)象[10]。惠城區(qū)取水泵站，根據(jù)設(shè)備要求，水泵葉輪淹沒于最低運行水位以下0.5 m即可滿足吸水及汽蝕要求。最低運行水位為11.57 m，為保證取水安全，根據(jù)實際情況，適當(dāng)預(yù)留淹深，本工程取水泵安裝高程確定為10.00 m。加壓泵站均擬采用地面布置方式，加壓泵進(jìn)出水管中心高程要求高于地面0.4 m，滿足安裝要求即可。

4.3.5 泵組參數(shù)

惠城區(qū)取水泵站水泵型號參數(shù)：選用潛污泵200WQ400-25-45，配套電機功率45 kW，水泵設(shè)計工況點揚程20.98 m，單機流量400 m3/h，能滿足本工程的使用要求。泵組基本參數(shù)見表6。

表6 惠城區(qū)取水泵站水泵技術(shù)參數(shù)

選取恒壓變頻成套設(shè)備作為惠城區(qū)一次加壓泵站：設(shè)計工況點揚程51.7 m，額定流量700 m3/h，配套氣壓罐容積1.66 m3，總功率240 kW。配套加壓主水泵型號參數(shù)：選用S型單級雙吸臥式離心泵DFSS200，配套電機75 kW，水泵設(shè)計工況點揚程51.70 m，單機流量350 m3/h，可以為工程開展提供需求的水泵和電機。選擇3臺水泵設(shè)備，其中2臺為正常運行，1臺為備用機；穩(wěn)壓水泵選用1臺，流量宜與主水泵相配套選取50 m3/h，選用立式單吸多級分段式離心泵，型號為80DL50-20×2，配套電機15 kW，水泵設(shè)計工況點揚程52 m，單機流量50.4 m3/h。泵組基本參數(shù)見表7。

表7 惠城區(qū)一次加壓泵站水泵技術(shù)參數(shù)

5 水泵工作點能源單耗數(shù)學(xué)模型及節(jié)能分析

5.1 水泵工作點

水泵工作點指的是管路特性曲線和水泵基本特性曲線的交點。只有確定穩(wěn)態(tài)工作點，才能實現(xiàn)泵站節(jié)能優(yōu)化的目的，不對稱并聯(lián)工作示意圖見圖2所示。

圖2 不對稱并聯(lián)工作點示意圖

如圖所示，曲線Ⅰ、曲線Ⅱ分別表示單臺與并聯(lián)兩臺同型號水泵特性曲線，當(dāng)單臺水泵出水管路損失系數(shù)為S1時，出水管路特性為曲線Ⅲ，當(dāng)損失系數(shù)為S2時，出水管路特性為曲線Ⅳ，并聯(lián)S1、S2兩條輸水管路，出水管路特性曲線為Ⅴ，且損失系數(shù)為S1+2。A1（Q1，H1）和A3表示單泵單管輸水方式工作點，點B1（Q3，H3）和B3表示雙泵單管輸水方式工作點；點A2（Q2，H2）、B2（Q4，H4）分別表示單泵雙管、雙泵雙管并聯(lián)輸水方式的工作點。單泵（雙泵）雙管并聯(lián)輸水方式比單泵（雙泵）單管輸水方式有更大的工作流量，有Q2＞Q1，Q4＞Q3；同時二者相比，前者的工作揚程更小，有H2＜H1，H4＜H3，即當(dāng)保持凈揚程H凈不變，雙管并聯(lián)輸水比單管輸水水泵工作點右移，有效提高管路效率。

計算并聯(lián)管路損失系數(shù)方法為：在雙管并聯(lián)運行時，以點A2（Q2，H2）為例：由H2=H凈+S1+2Q22可得 到；由H2=H凈+S1Q221可得到Q21=；由H2=H凈+S2Q222可得到；因Q2=Q21+Q22，因此有，簡化可得

此外，管路損失系數(shù)S1+n，當(dāng)n≥2條管路并聯(lián)時，有公式（6）所示的計算公式：

5.2 能源單耗數(shù)學(xué)模型

能源單耗可將泵站設(shè)備、配套、工況等綜合性經(jīng)濟指標(biāo)呈現(xiàn)出來。所以，假設(shè)輸送清水，密度為1 000 kg/m3，此時水泵工作點為（Q，H），運行時間為T，此時能源單耗情況如下：

公式中，水泵工作點揚程為H（m）；水泵工作點流量為Q（m3/s）；泵站消耗總功率為N總（kW）；水泵有效功率為N效（kW）；水泵運行時間為T（h）；泵站消耗電量為E（kW·h）；能源單耗為e[kW·h/(m3·m)]；泵站T時間內(nèi)輸水總量為Q總（m3）；傳動效率為η傳；泵站效率為η站；水泵效率為η泵；電機效率為η電；水池效率η池；管路效率為η管。在泵站系統(tǒng)中，保持η傳、η電、η池不變，公式（7）可表示水泵機組能源單耗e隨管路效率η管、水泵效率η泵變化的情況，其中能源單耗e與管路效率η管、水泵效率η泵為反比關(guān)系。若提高管路效率η管、水泵效率η泵，可有效降低水泵機組能源單耗e。

5.3 水泵站節(jié)能分析

對于變壓器而言，惠城區(qū)水廠配套1套容量315 kW美箱式戶外終端型變電站，變壓器的選擇為最新型號的S11系列，可實現(xiàn)最高的運行效率和最小的電能損耗，節(jié)能效果明顯。對于低壓配電柜而言，采用成套柜，以較小空間容納較多功能單元，裝置空氣斷路器，節(jié)省配電柜。0.4 kV配電采用單母線接線，進(jìn)線及饋電回路均設(shè)斷路器。分層設(shè)置配電箱，集中供電，減少供電回路及電纜等材料。基于節(jié)能原理，設(shè)計泵站照明系統(tǒng)和機組運行，光源可使用節(jié)能型LED光源等。泵站裝機容量較小，水泵控制宜簡化配置，考慮具有規(guī)律性，可進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)時，運行方式更加靈活，符合節(jié)能設(shè)計要求。

6 結(jié)論

惠城區(qū)自來水取水泵站進(jìn)行設(shè)計，明確了水泵站基本參數(shù)以及供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站基本參數(shù)等，得出如下結(jié)論：

（1）確定泵站取水流量為390 m3/h，設(shè)計水位、最低水位、最高運行水位分別為14.90 m、11.57 m、23.79 m。設(shè)計水位、最高及最低水位均可取31.35 m，泵站最高揚程為23.98 m，設(shè)計揚程為20.45 m，最低揚程為11.56 m。

（2）出廠凈壓力為48.2 m，設(shè)計流量為192.18 L/s。清水池設(shè)計水位最高和最低水位分別是24.80 m、22.50 m，加壓點地面高程為26.00 m。泵站最高揚程和最低揚程分別是53.2 m、50.9 m。

（3）取水泵站采用2臺（一用一備）方案，選用潛污泵200WQ400-25-45，配套電機功率45 kW，水泵設(shè)計工況點揚程20.98 m，單機流量400 m3/h，潛污泵設(shè)計效率76%，滿足節(jié)能需求。