某水廠二級泵房泵組運行問題分析及配置方案優化

2023-03-15 08:16:16張紹華

陜西水利 2023年2期

張紹華

（蘇州市吳江區水務局，江蘇蘇州 215200）

城市供水的二泵站設計一般優先滿足最不利點供水要求，這往往使得二泵站內泵組無法靈活應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］。變頻調速泵的使用可有效解決上述問題，在一定程度節省了能耗[2］。

目前國內水廠供水泵房調節工況的措施有：（1）變頻調速，通過改變電動機轉速，調節水泵流量、揚程、功率等參數。水廠多設置用1-2 臺變頻離心泵，通過變頻泵工況調節，影響調節并聯工況[3-5］。（2）配置參數不一的多臺水泵，通過不同水泵進行組合。（3）水廠調度，通過供水管網的操作，分配各個水廠的出水量和揚程。然而國內泵組的運行管理上主要還是依靠經驗調度，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對不同供水流量時，不同水泵調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化改進效果。

1 背景介紹

B 水廠單獨負責W 市主城區的供水，設計日供水能力30 萬m3，其配水泵房設置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，通過變頻調速調節工況。

表1 B 水廠水泵參數

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據統計。圖1 和圖2分別為送水泵房在不同供水量情況下24 小時內出水流量和總管壓力變化規律。根據圖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 小時內變化幅度較大，需靈活調整水泵工況，以節省電耗。

表2 2019 年～2020 年B 水廠二級泵房出水數據統計

圖1 二級泵房24 時內出水總流量統計

圖2 24 h 內二級泵房出水總管壓統計

B 水廠水泵組工況的調整主要通過變頻調節方式，在供水量較低時，優先開啟2#和3#變頻水泵，當兩臺變頻水泵不能滿足管網用水需求時，再進一步開啟1#和4#工頻泵組合運行，并聯供水。表3 為不同流量情況下各水泵相互組合運行的統計結果。

表3 二級泵房水泵運行統計

表4 二級泵房不同水泵臺時運行統計

2 存在問題及優化方案

2.1 存在問題淺析

當供水量增加到一定數值，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。故水廠根據運行經驗和節能考慮，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，均會出現振動和過載現象，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。由于水泵設計選型揚程偏高，通常在運行時管網壓力只要達到0.28 MPa 以上即可，但泵的實際工況發生嚴重偏移，流量超出額定值，水泵功率較大發生過載現象，導致振動加劇。該類情況下泵房操作人員會采取兩臺變頻泵低頻并聯運行，且能有效降低能耗。在第二類情況下，以2#、3#和4#并聯運行為例，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，且易發生汽蝕。只有在流量繼續升高后，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 流量區間水泵運行參數

圖3 4#泵特性曲線

2.2 優化方案

因B 水廠要求壓力精準控制，不可避免出現第二類臨界情況。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。但根據原常規改造切割葉輪外徑法，外徑變化量約為10%～20%，水泵的比轉速ns=111，根據葉輪切削限量，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#泵額定參數見表6。

表6 改造后4#泵額定參數

2.3 應用效果

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。經運行測試，水泵運行參數見表6，在臨界情況下，采用2#～4#并聯運行，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。