石磊

摘 要：在日常的生产运行中，由于设计考虑了中远期规划及用水需求发展等问题，实际生产中的供水工况点远远小于设计参数，最终导致供水系统中出现水泵机组长期处于高效区间外运行，造成了电能的大量浪费。笔者在江边取水泵房即黄石一泵站供水系统升级改造中，结合新的供水量需求及原有机组设计技术参数等，深入分析了电能浪费的原因，优化了改造方案，提出了分别采用水泵变速调节和叶轮切削调节解决电能损耗问题，降低了改造成本，实现了机组能耗的降低。

关键词：节能技术;水泵变速;叶轮切削;泵站改造

一、泵站改造项目背景

黄石一泵站作为向大冶有色公司、下陆地区及向大冶自来水公司供水的长江取水泵站，现有4台20sh-13清水泵（详见设备明细表），日供水量7.5-8.5万吨。其中，1#水泵机组作为常用机组，日供水量约4.8万吨。2#水泵机组因水泵故障，电机已停封近十年。3#水泵机组作为备用机组。4#水泵机组作为常用机组，变频运行，日供水量2.4-5.5万吨。

变频运行，日供水量2.4-5.5万吨

2018年3月按黄石市市政府要求，王家里水厂长江取水泵房因环保问题需进行拆除，取水缺口有大冶有色公司协助解决，公司要求我动力分公司江边取水泵房即黄石一泵站每日向王家里水厂提供4万吨长江源水，此项工程为市政府重点民生工程，要求全市各部门各单位权利配合。但我黄石一泵站因2#供水机组本体缺陷，不能长期运行，且各机组运行年限较长，因此泵站供水能力有限，对新增4万吨供水量的需求较难满足，即现有运行方式难以将供水量提升至11.5-12.5万m3/d，故需对黄石一泵站进行供水系统升级改造，全面调整供水运行方式以保证完成市政府的任务要求。

二、泵站改造存在问题

（1）供水可靠性降低。黄石一泵站现采用供水机组两用两备的运行模式，新增4万吨供水量后，需将运行方式调整为供水机组三用一备，供水可靠性降低。

（2）水泵本体磨损严重。现有水泵已持续运行近30年。由于长江水含沙量高，对泵体造成冲刷，且江水水位高差变化极大造成泵体发生汽蚀，泵体磨损严重，分公司已多次对冲刷及汽蚀的气孔砂眼进行了修补，但缺陷点仍逐年增多，泵内腔体已出现蜂窝状，部分腔室壁厚已由15mm磨损至4-5mm，易造成出水和进水两个腔体腔壁破裂贯通。

（3）2#水泵因本体缺陷停封近十年。该水泵因填料函磨损严重，密封不严，高水位期运行漏水严重，维修次数频繁，因此封存停用，如需启用并作为主供水泵，需更新。

（4）出水管道偏小。现有DN800和DN600两条出水管道，其中DN600输水管道管径偏小，最大供水量6万m3/d，无法满足检修期间单根管道运行时的正常供水要求。

三、节能技术的分析及应用

（一）节能工况点分析

（1）水泵运行偏离工况点造成电能损耗。根据原有水泵机组运行情况发现，原有供水出水压力为0.28MPa，水泵的实际运行工况点严重偏离了原有额定工况点，导致出现汽蚀严重磨损了水泵本体。

（2）水泵工频运行，调节闸门造成电能损耗。水泵机组更换完成后，采用两工频一变频的运行方式，即1#、2#机组并联工频运行，向黄石二泵及黄石市自来水供水，另一台水泵机组（4#机组）单独变频运行。黄石市自来水用水管道从1#、2#并联管道上接出，由于市自来水用水量随季节性变化较大，冬季用水量较小无法发挥两台机组的最大供水能力，因此两台水泵机组的1#水泵出水闸门长期需将开度控制在40%，关小闸门供水导致1#机组供水电单耗高。

（二）节能技术应用

（1）叶轮切削定律应用。经过对水泵机组实际运行工况点及改造升级后的用水需求的综合分析，采用湘电长沙水泵厂500S35型水泵（Q=2300m3/h，H=30.8m）～（Q=2000m3/h，H=35m）～（Q=1700m3/h，H=38.5m），性能曲线如图。

由于设计考虑了中远期规划及用水需求发展等问题，实际生产中的供水工况点为管道压力为0.28Mpa，导致水泵机组长期处于高效区间外运行，造成了电能的大量浪费。

按照叶轮切削定律Q/Q1=D/D1;H/H1=（D/D1）2;N/N1=（D/D1）3，Q、H、N、D为未切削前的水泵流量、扬程、功率和叶轮外径;Q1、H1、N1、D1为切削后的水泵流量、扬程、功率和叶轮外径。经计算将叶轮切削为外径510mm，技术参数为（Q=2400m3/h，H=22.3m）～（Q=2000m3/h，H=28m）～（Q=1600m3/h，H=32.1m），性能曲线如图。

（2）变频调速技术应用。由于增加水量后，供水量達到115-12.5万m3/d，更新水泵后，单台水泵供水能力为52800m3/d，两台工频的运行方式无法满足供水需求，而两台工频一台变频运行模式下，变频水泵最低频率时供水量约19200m3/d，该运行方式最低供水量约为12.48万m3/d，大于11.5-12.5万m3/d的供水需求且不便于调节水量水压，故为实现水量远程调控，合理调节供水运行方式，需增加1套280kW高压变频装置。通过两套变频装置分别调节1#、4#电机频率，通过两条输水管道单独及联合运行的方式，实现科学合理的调节供水压力及供水量平衡。

由于黄石泵站高压室空间较小，对变频控制系统外形尺寸（柜体深度）有严格要求，原有的利德华福高压变频系统长度为5600mm，现有空间无法摆放两套，同时新购柜体的深度必须小于1500mm，两套系统总长必须小于7700mm，否则无法保证变频系统检修通道，经考察分公司采用的是希望森兰变频控制系统，该系统体积为3750mm×1400mm×2000mm，体积小，占地面积小，适用于黄石泵站高压室狭小的空间。

通过安装高压变频装置，原有机组耗电量为每小时2565kWh，增加变频控制系统后，调整频率保证相同供水水量时的电量为每小时127.6kWh，年节约电费（256.5-127.6）×24h×360d×0.6元/kWh=66.82万元。

四、供水系统升级改造措施

（1）更换4台流量2000m3/h，扬程35米的高效中开式离心泵。其中2#、3#水泵进行叶轮切削，叶轮直径为510mm。

（2）10kV高压电机维修。由于新电机安装空间受限，对原10kV高压电机进行利旧，通过对电机绕组进行绝缘修复，重新固定及修复脱落槽楔等方式，延长电机使用寿命，增强电机运行可靠性。

（3）更换泵站内电动闸门。为实现水量水压的远程调控，需更新4台DN500出水电动蝶阀、1台DN800连通电动蝶阀，并分别配备控制箱。

（4）更新两套高压变频控制系统。通过两套变频装置分别调节1#、4#电机频率，通过两条输水管道可实时选择联合、独立运行方式，实现科学合理的调节供水压力及供水量平衡。

（5）新装2台套DN900水量电动调节阀。由于两条输水管道在黄石二泵站无水量调节阀门，新敷设的王家里源水管与我公司两条输水管道碰点后，我方将无法通过调节黄石二泵用水量来保证王家里源水管的供水量，故需安装水量调节阀门，合理调控输送至王家里水厂和黄石二泵站的水量及管网压力。

（6）增加混合槽超声波水位计、压力变送器及监控报警装置，避免王家里水厂调节水量导致黄石二泵供水量驟增而引发安全事故。增加混合槽进水管连通管道，设置DN600连通闸门。

五、结语

随着国家对节能环保安全运行要求的提高，水泵站作为供水系统的最基本单元，而水泵机组作为重点耗能设备，各种节能措施的应用显得尤为重要，各类措施不仅可以有效降低供水综合电单耗降低成本，还能通过节能分析及运行方案比选优化供水运行方式。笔者认为在供水泵站的运行管理上，管理技术人员关注的更多的是单台设备机组的运行能耗，而在综合用能分析上关注较少，本文就叶轮切削、变频调速及运行方式调整等方面对节能技术的应用进行了实例分析，希望提供一些节能降耗的思路，为供水泵站的生产运行提供一些好的建议。

参考文献：

[1]余金凤，张永伟.水泵与水泵站.黄河水利出版社，2009.1.