张绍华

（苏州市吴江区水务局，江苏 苏州 215200）

城市供水的二泵站设计一般优先满足最不利点供水要求，这往往使得二泵站内泵组无法灵活应对供水量的大幅变化，甚至造成供水流量升高时的高负荷供水和供水流量下降时的电能耗费[1］。变频调速泵的使用可有效解决上述问题，在一定程度节省了能耗[2］。

目前国内水厂供水泵房调节工况的措施有：（1）变频调速，通过改变电动机转速，调节水泵流量、扬程、功率等参数。水厂多设置用1-2 台变频离心泵，通过变频泵工况调节，影响调节并联工况[3-5］。（2）配置参数不一的多台水泵，通过不同水泵进行组合。（3）水厂调度，通过供水管网的操作，分配各个水厂的出水量和扬程。然而国内泵组的运行管理上主要还是依靠经验调度，缺乏客观性和精确性[6，7］。

因此，本研究以某水厂实际运行的泵站为研究对象，对某水厂二级泵站应对不同供水流量时，不同水泵调配组合所面临的流量不足及高能耗问题进行分析，并评估叶轮切削和叶轮更换等方式的优化改进效果。

1 背景介绍

B 水厂单独负责W 市主城区的供水， 设计日供水能力30 万m3， 其配水泵房设置4 台卧式离心泵，见表1，4 台水泵额定流量均为5400 m3／h，扬程43 m，其中1#和4#为工频泵，2#和3#为变频泵，通过变频调速调节工况。

表1 B 水厂水泵参数

B 水厂实际平均日供水量24 万m3，时供水量0.45 万m3／h～1.75 万m3／h，时 变 化 系 数Kh高 达1.6，表2 为2019 年1 月～2020 年12 月B 水厂送水泵房出水数据统计。图1 和图2分别为送水泵房在不同供水量情况下24 小时内出水流量和总管压力变化规律。根据图1 和2 可知，上午7∶00～12∶00 总管流量和总管水压较高，夜间0∶00～6∶00 总管流量和总管水压较低，B 水厂出水流量和总管压力在24 小时内变化幅度较大，需灵活调整水泵工况，以节省电耗。

表2 2019 年～2020 年B 水厂二级泵房出水数据统计

图1 二级泵房24 时内出水总流量统计

图2 24 h 内二级泵房出水总管压统计

B 水厂水泵组工况的调整主要通过变频调节方式，在供水量较低时，优先开启2#和3#变频水泵，当两台变频水泵不能满足管网用水需求时，再进一步开启1#和4#工频泵组合运行，并联供水。表3 为不同流量情况下各水泵相互组合运行的统计结果。

表3 二级泵房水泵运行统计

表4 二级泵房不同水泵台时运行统计

2 存在问题及优化方案

2.1 存在问题浅析

当供水量增加到一定数值，二级泵房需要增加1 台泵运行，下文简称临界流量。当总管流量达到6500 m3／h～7000 m3／h属于第一类临界流量，此时仅开启一台泵时，频率达到48 Hz以上，瞬时功率在800 kW 以上；当开启两台变频泵时，两台泵频率均在40 Hz， 单台瞬时功率达到380 kW， 总功率达到760 kW。相较1 台变频泵，双泵运行的耗电量更小，泵组振动和噪声也更平缓。故水厂根据运行经验和节能考虑，在6500 m3／h～7000 m3／h 的第一类临界流量下采用两台变频泵同时运行的工作模式。当总管流量在12000 m3／h～13000 m3／h 属于第二类临界流量，当开启两台泵时，泵频率达到48 Hz 以上，单台泵瞬时功率在810 kW 以上；进一步开启3 台泵后，两台变频泵频率均在40 Hz，功率均达到420 kW 左右，第三台工频泵功率达到900 kW，3 台泵总功率达到1740 kW。相较两台变频泵运行，3 台泵同时工作的耗电量增加，其中变频泵运行振动和噪声较轻，但工频泵存在较大振动。此时无论是否加泵，均会出现振动和过载现象，但为了避免变频泵过载，只能选择降频加泵的工作模式。

在第一类情况下，开启一台泵时，变频泵接近满负荷运行。由于水泵设计选型扬程偏高，通常在运行时管网压力只要达到0.28 MPa 以上即可，但泵的实际工况发生严重偏移，流量超出额定值，水泵功率较大发生过载现象，导致振动加剧。该类情况下泵房操作人员会采取两台变频泵低频并联运行，且能有效降低能耗。在第二类情况下， 以2#、3#和4#并联运行为例，总管压力在0.33 MPa 左右，为精准控制压力，2#、3#泵组频率先降到40 Hz 运行，泵出口压力下降至0.28 MPa，开启4#泵后，泵出口压力又升至0.32 MPa，而工频泵标准工况为0.43 MPa，组合并联后，4#工频泵扬程较额定值降低0.1 MPa，流量达到6500 m3／h 以上，轴功率达到810 kW以上， 实测电动机瞬时功率达到1000 kW， 汽蚀余量达到7 m 以上， 与图3 所示4# 泵特性曲线相吻合。但此时会引起水泵电机过载运行， 且易发生汽蚀。只有在流量继续升高后， 表5 所示， 变频泵频率升高，4# 泵流量降低，情况有所缓解。

表5 12500m3／h～17000m3／h 流量区间水泵运行参数

图3 4#泵特性曲线

2.2 优化方案

因B 水厂要求压力精准控制，不可避免出现第二类临界情况。为避免该情况下水泵存在过载和汽蚀的风险，在不增加变频泵的情况下，可通过对工频泵叶轮进行切割或更换，以降低其额定扬程。但根据原常规改造切割叶轮外径法，外径变化量约为10%～20%，水泵的比转速ns=111，根据叶轮切削限量，效率会降低3%～5%，此水泵所配电机功率为900 kW，全年运行台时32%左右。按照能耗增加3%计算，每年内能耗增加约为900 kW×3%×24 h×365 d×32%=7.56 万kW，按每度电费0.8 元计算可得，切削叶轮法会使得每年运行成本增加6 万元，不宜选择。

一般来说，更换叶轮的同时，需要重新增加泵壳出口宽度，满足流量的变化要求；减小叶轮直径，增加叶片数量以满足扬程的变化要求，匹配泵体流道改造留出空间；泵增加泵体压出室宽度，修整泵体压出室的宽度使之与新叶轮的水力尺寸相匹配[8］。更换后4#泵额定参数见表6。

表6 改造后4#泵额定参数

2.3 应用效果

将更换叶轮后的水泵组进行测试，改造后水泵特性曲线见图4。经运行测试，水泵运行参数见表6，在临界情况下，采用2#～4#并联运行，2#、3#泵组频率保持在42 Hz，功率450 kW 左右，工频泵出口压力0.33 MPa，泵功率700 kW，功率合计1600 kW。在1.30 万m3／h～1.65 万m3／h 的流量区间，4#泵工况在额定点附近（-500 m3／h，300 m3／h）变化，汽蚀余量低于5 m， 效率处于88%～90%，运行振动与噪声明显降低。

图4 改造后4#泵特性曲线

选择配水综合电耗指标分析4#泵改造后泵组组合能效，配水综合电耗是指送水泵房供水压力1 MPa，供水量1000 m3条件下的耗能指标，能直接反映泵组运行效率，计算公式如下，

式中：e 为配水单位综合电耗，kW・h／（km3・MPa）；W 为某段时间消耗电量，kW・h；Q 为同一时段水泵出水量，m3；H 为同一时段水泵扬程，MPa。

当采用2#、3#和4#泵并联的方式，4#泵改造前后运行泵组运行能耗如下，根据表7 可知，改造后4#泵处于高效区间运行，综合配水电耗相较改造前最高下降4%。

表7 1300m3／h～16500m3／h 流量区间水泵运行参数

表8 4#泵改造前后和2 台变频泵并联运行能效

当水厂供水量在0.65 万 m3・h-1～1.20 万 m3・h-1，采用4#泵搭配1 台变频泵运行，相较2 台变频泵运行时，配水单位电耗略高，该流量下，优先选择两台泵并联，4#泵备用。

表9 改造后4#泵与1 台变频泵并联运行能效

根据上述泵组运行能效分析，4#泵叶轮更换后，考虑节能因素，泵房运行优化如下。

表10 优化后泵组运行方案

3 结论

针对某水厂二级泵站运行过程中在临界流量区段面临的水量不足及高能耗问题，通过叶轮切削和叶轮更换等方式优化改进泵组运行效果，具体结论如下：

（1）对供水泵房而言，只要是包含了工频泵组合，都可能存在当供水量处于临界流量区段时，工频泵均会出现振动、扬程降低、汽蚀余量增加和过载现象。

（2）针对具体工程流量特点，可以通过对工频泵进行叶轮改造，降低额定扬程，形成了大小搭配，灵活兼顾的水泵配置方案，解决了临界流量时原有工频泵工况不利的问题，改造后的水泵组运行稳定，且综合配水电耗相较改造前最高下降4%。