取水泵站的優化設計與節能改造

摘 要：本文主要從取水泵站的設計出發，研究分析其不合理之處，同時在分析之后給出一個相對合理的解決方案，在節能改造方面等提出一些自己的意見和建議。

關鍵詞：取水泵站 切削葉輪 改變轉速

中圖分類號：TU991.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0038-02

1 目前取水泵站設計的不合理之處

現今，水泵站的設計并不完全合理。在設計取水泵站選擇水泵時，無論是教科書還是設計手冊上，普遍都把凈水構筑物的用水量以及每日最高用水量加上輸水管漏損當做取水泵站的設計流量，而水泵的揚程則以水源枯水位的標高差也就是凈揚程與凈水構筑物進口水面以及輸水管對應設計流量的水頭損失為確定標準。這種確定標準的正確性住適用于水源水位與供水量之中發生變化的只有一個，除了上述情況之外，還有一種情況也能保證這種確定方法是正確的，那就是兩者都發生變化，但不影響最枯水位和最大流量的同時出現。除了這兩種情況之外，其他的情況都無法完全保證這種選擇水泵的方式是百分之百正確無誤的。

在我國實際的工程中，季節的變化會在一定程度上影響水源水位和供水量的變化，但是確定到每天，他們的變化并不十分明顯。以我國的實際情況來看，較為普遍的是，在夏季也就是7～9月期間是河流的豐水期，這時候的凈揚程最小，小到家庭日常用水量，到城市綠化建設用水量，大到工業用水量，都處在一年中用水的高峰期，此時系統的供水量也是最大的。而在冬季也就是1～3月，情況正好相反，這期間是河流的枯水期，這時候的凈揚程最大，而家庭日常用水量、城市綠化用水量以及工業用水量都是一年當中相對來說最少的，此時系統的供水量也是最小的。根據這種情況我們可以判斷，季節的變化會直接影響到最大供水量和水源的最枯水位。這種季節上的差異正好說明最枯水位和最大供水量是不會同時出現的，由此可以斷定目前的這種取水泵站的設計方法存在著不合理之處。

除了對實際情況的估量分析之外，我們還可以通過量化分析來說明這種分析的不合理之處。如圖1所示

上述圖1中，Q表示供水量，HST表示凈揚程。從以上的取水泵站工作示意圖我們可以清晰看出來，Qmin～Qmax表示供水量的浮動區間，HST1～HST2表示凈揚程的浮動區間。根據目前的設計方法，C點作為設計工況點，根據具體季節的不同，夏季與冬季的流量和所需揚程分別位于E、D兩點。從上述圖1中我們可以看出最枯水位和最大流量不可能同時出現；同時，水源水位和供水量的變化幅度都較大。由此也能說明現有設計方法的不合理。如果按照目前的設計方法，屆時會造成一系列的問題，無論是對水泵機組還是變配電設備，都會造成很大的浪費，同時也大大增加了其中一系列費用。

2 設計方案的改進與優化

根據上述所說的不合理的設計方法，據此我們也可加以改進與優化。對于取水泵站，如果水源水位和供水量都處在一定范圍的變化之內，揚程與系統本身所需的流量則是處在一個動態的變化之中的。在季節變化之時，如果凈揚程與用水量正好是呈逆向同步的，則對應圖1中的曲線圖可以明顯看出直線DE將會改變為弧線DFE。而水泵的平均水位和平均流量呈現在圖中即為DE與DFE的縱坐標之差的最大值。

與證明不合理相似，我們也可進行量化的分析。根據上述分析，若0

此時系統所需的揚程為：

其中，S為輸水管的比阻，HG為DE上G點的縱坐標。

由上述條件0HF，這也就是說明直線DE一下的部分即為動態坐標的活動區域。而當條件滿足a=0和1時，此時HG=HF；當a=0.5時，此時正好處在平均揚程和平均流量的位置，此時二者的縱坐標取得最大值。

根據上述分析我們可以得出，季節的變化影響到供水量和水源水位之時，圖1中所示的D、E兩點是最不適合建設水泵站的地方。根據木桶原理我們能看出，一旦D、E兩點的供水得到了滿足，那么其他任何一點也都可以滿足，這樣建設的水泵站即是合理的。

而在取水泵站的實際操作過程中，單臺水泵的高效區無法高速運作，即無法完全顯示揚程和流量的變化幅度，遇到這種情況，有一個處理方式就是進行水泵的聯合。

由圖2中a并聯的工作路徑我們可知，在高效區揚程不變的條件下，Q-H曲線會隨著流量的不斷減小而趨向陡峭，反之情況則相反。這種并聯的操作方式對于水量變化大的系統來說是一種有效的選擇方式。而由圖2中b的工作路徑我們可知，在高效區流量不變的條件下，Q-H曲線會隨著揚程范圍的不斷縮小而趨向和緩，反之情況則相反。而這種串聯的操作方式則適用于水位變化大的情況。

無論是并聯還是串聯，它的前提基礎都是單臺水泵站的合理建立，只有在建設水泵站的時候合理選址，才能保證取水泵站的正常運行。這就需要再選定水泵的時候就一定要注意好其選擇的位置地點，對其具體情況進行分析。

3 對已經建好的水泵站進行節能改造

上述情況我們說的是合理建設水泵站的情況，而針對已經建設好的水泵站，為了它能夠正常的運行工作，我們就需要對其進行節能改造。如今對于水泵站的節能降耗是相當有必要的，因為目前水泵站的資源消耗特別大，如果按照現有的建設方法去建設水泵站，會造成更大的浪費。已經建設好的水泵站其水泵在實際的操作過程中比實際需要要多，長此以往，這種資源的浪費會越來越多，對于水泵站的循環高效利用不利。由此，對于已建設好的水泵站進行節能改造就是完全有必要的。而針對這種情況，有兩種方式是比較可取的，即改變轉速和切削葉輪。

如果一臺水泵已經建設完成后，要想較大空間的提高其運轉的速度是非常困難的，要想實現水泵的節能改造，有一個很好的方法就是改變水泵的運行工況點，將水泵運行工況點從低效區移到高效區，采用這種方式就可以起到節能的目標。而根據水泵的運行原理我們可以發現，工況點是保證水泵站正常運行的關鍵之一，要想提高其運行效率，達到節能的目標，就必須改變水泵的工況點，而工況點的改變又依賴于改變水泵特性曲線和管路特性曲線。改變管路特性曲線可以通過提高管網壓力來調節，在此不做過多的說明。本文主要針對改變水泵特性曲線的方法來對水泵節能改造做簡單的解釋。

對于改變水泵的特性曲線通常有兩種主要的途徑，即上述所說的改變轉速和切削葉輪的方法。首先是對于改變轉速的方法，也就是通過改變水泵的轉速，從而改變水泵的運行曲線，當水泵的管網實際所需和出水壓力達到一致的時候，就可以實現節能的目標。改變轉速，可以調節水泵的性能。水泵的轉速改變了，水泵的工況點也會隨之移動，相應的流量也會發生變化，從而也就會影響到水泵的效率，這時的壓力損失也會減小。這種方法主要就是根據需水量的多少來調節水泵的運行速度，這樣就可以達到節能的目的。其次是切削葉輪的方法。切削葉輪也就是傳統意義上的變徑，即根據所需的運行參數對水泵葉輪外徑進行適當的切削，這樣就能改變水泵的特性和性能，時水泵高效運轉，從而達到節能的目標。切削葉輪同樣也會改變水泵的性能。葉輪外徑改變后會影響水泵工況點，相應的流量也會隨之改變，此時的水泵運行效率也會隨之改變，也沒有任何的壓力。這種方法主要是根據所需參數對水泵葉輪進行合適的切削，這樣就可以達到節能的目標。

這兩種節能方法都適用于已經建好的水泵站。不過近些年，隨著變頻技術的不斷推廣，改變轉速的方法可以通過變頻器來改變，但是由于設備的成本較高，同時改造的投入也相當較大，所以在現今的水泵站節能改造中或者是高壓電機改造中使用的范圍并不是很廣。這樣來看，通過改變切削葉輪的方法來實現節能的目的是目前來說比較可行的措施和手段。但是要注意降低轉速不得低于它的最低值，切削葉輪也必須注意切削量不得超出規定范圍。一旦改變的轉速過低或者是切削的葉輪直徑超過了限定范圍，就無法起到節能降耗的目的了。

4 結語

在現今的水泵站的建設中，水泵站往往不能做到節能減排，造成很多的資源浪費。由于施工之前的種種差誤，在建設之時總是不能完全的滿足需要。針對這種情況就需要我們在施工之前就認真做好準備工作，根據夏季和冬季用水量的不同和系統供水量的變化來具體斷定其水泵選擇點，保證其在高效區內運行，已達到最大限度的節能降耗。同時對于已經建好的水泵站，我們也可以根據上述所說的改變轉速和切削葉輪的方法來達到節能的目的，但是在施工的過程中也同樣要注意不能超出其規定的范圍。只有這樣，才能夠真正實現水泵站的節能降耗。

參考文獻

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