曹莊泵站水泵機組節能措施研究

朱士權，楊俊寶，朱家昌

(1.天津市水務局，天津 300074；2.天津市水利勘測設計院，天津 300204)

水泵系統消耗的電能約占全世界發電量的20%,節能潛力巨大，但由于普遍存在對節能問題認識不足的問題，在節能措施的選擇方面單純強調變頻調速的萬能性，對供水系統的特點不清楚；運行管理上沿用老一套的運行模式；經濟運行的概念不清，導致目前泵站運行效率普遍不高，電能浪費嚴重。我國從十一五規劃的實施至今投入巨資加大節能減排的力度，工程節能措施從設計到運行管理須針對工程節能降耗的關鍵問題進行科學的分析研究并提出對策，保證資金的合理使用，切實達到理想的節能效果。隨著國民經濟的發展和科學技術的進步，長距離輸水管道系統在我國工農業供水、城鄉給排水、跨流域調水等部門得到了越來越廣泛的應用。由于大型調水工程的興建，水泵機組趨于大型化，機組配套功率大，年運行臺時長，節能問題突出。天津市南水北調中線濱海新區供水工程為長距離輸水管道輸水工程，本文通過對曹莊泵站水泵機組節能措施進行分析研究，可以從中找出長距離輸水管道泵站水泵機組的節能相關經驗，為擬建的相似工程提供借鑒。

1 工程概況

天津市南水北調中線濱海新區供水工程起自天津干線末端本工程的曹莊泵站，終點為北塘水庫和大港區水廠。本工程線路總長約100.4 km，其中曹莊泵站至津濱分水口段管線長34.715 km，管道采用2根直徑2 600 mm PCCP管；津濱水廠支線1.48 km，管道采用單根直徑2 200 mm PCCP管；津濱分水口至北塘水庫段管線長37.73 km，管道采用2根直徑2 600 mm PCCP管，大港支線長28.4 km(緩建)。本工程近期設計流量為12.7 m3/s，曹莊泵站一級加壓供水，將引江水輸送至津濱水廠和北塘水庫；遠期設計流量22.3 m3/s，采用二級加壓的供水方式，于海河北增設向北塘水庫輸水二級加壓泵站-城上村泵站(緩建)，于海河南增設向大港水廠輸水加壓泵站-柴辛莊泵站(緩建)。濱海新區供水工程線路示意圖見圖1。

泵站供水系統主要特點有：①本工程為平原地區長距離輸水，泵站輸水流量變化幅度大,幾何揚程小，水泵揚程主要取決于管線的輸水水力損失,揚程隨流量變化大。 ②初、遠期水泵揚程差異較大，初期水泵機組為大流量低揚程(Hr=28.80 m)，遠期期水泵機組為大流量低揚程(Hr=48.36 m)。③泵站前池全部為人工開挖形成，占地面積較大，但由于設計流量較大，調蓄能力有限。

曹莊泵站上承天津市南水北調干線工程，下啟濱海新區供水工程，須具有協調流量平衡的能力。根據泵站的特點選定水泵采用變頻調速的運行方式，水泵機組配置大功率變頻裝置，為保證機組高效運行需結合機組配置進行分析研究。

2 水泵機組配置方案及流量調節分析

曹莊泵站建設采取土建工程一次到位，機電設備工程分期實施的方式，機電設備按照遠期布置要求預留出空間，因此曹莊泵站的泵位數由遠期規模確定，通過對機組不同臺數方案技術經濟分析比選，最終確定遠期配置8臺水平中開臥式雙吸離心泵(6用2備)方案，即采用8臺大泵(暫定型號為1200S50),水泵參數為單泵設計流量3.72 m3/s，設計揚程48.36 m，配套電機單機容量2 250 kW。初期與遠期揚程相差較大,水泵機組配置方案涉及和遠期的結合和與管道系統運行匹配的問題，其機組配置方案尤為關鍵，有一定的優化空間，須進行配置方案優化分析，以保證運行可靠、節能。其解決思路為：方案1為初、遠期同泵型方案，分期增設大泵；方案2為分期換泵型方案。初期裝小泵(水泵參數為單泵設計流量3.18 m3/s，設計揚程28.80 m，n=590 r/min,配套電機單機容量1 250 kW)，遠期換大泵。以下就2個方案結合機組調速運行特性進行利弊分析。

圖1 工程線路示意圖

(1)調速運行特性分析及比選結論。

①流量調節方式的選擇。本工程水泵揚程主要取決于管線的輸水水力損失,揚程變化幅度大，如采用定速泵以不同的開泵臺數的調節方法，勢必引起水泵長期偏離設計工況運行，不但運行效率低增加能耗，還將引起嚴重氣蝕，甚至由于振動而無法運行。為此，通過對運行工況初步分析，采用變頻調速技術，通過降低水泵轉速調節流量，合理匹配水泵的調速運行組合。

②水泵調速運行原則。水泵在各種工況下調速運行時，保證在高效區范圍；水泵及電機在各種工況下調速運行均能安全穩定運行。

③調速特性分析。

方案1：初期配置6臺大泵(1200S50)，4用2備，采用變頻調速的運行方式；其水泵并聯運轉特性曲線(管道損失特性以設計揚程作為特征分析)見圖2和圖3。通過圖2分析，2泵并聯運行(單管)，調速范圍在60%～100%，系統流量調節范圍為4.64 m3/s(η=86.5%)～8.09 m3/s(η=86.0%)。則4泵并聯運行(雙管)系統流量調節范圍為9.28～16.18 m3/s。通過圖3分析，3泵并聯運行(雙管)水泵與管道系統不能運行匹配，水泵效率急劇下降，氣蝕性能惡化。

圖2 1200S-50型泵2合并聯調速運行運轉特性曲線(單級加壓、單管)

圖3 1200S-50型泵3合并調速運行運轉特性曲線(單級加壓、雙管)

方案2：初期安裝6臺小泵(1100S29)， 4用2備。其水泵并聯運轉特性曲線見圖4和圖5。通過圖4分析，2泵并聯運行(單管)，調速范圍在60%～100%，系統流量調節范圍為3.60 m3/s(η=86.5%)～6.35 m3/s(η=89.0%)。則4泵并聯運行(雙管)流量調節范圍為7.20～12.70 m3/s。通過圖5分析，3泵并聯運行(雙管)水泵與管道系統可以運行匹配，系統流量調節范圍為6.21 m3/s(η=88.0%)～11.03 m3/s(η=85.0%)。

當6.21～7.20 m3/s區間采用3泵并聯運行(雙管)方式可以達到顯著的節能效果，以6.21 m3/s流量為例：采用2泵并聯運行(單管)運行能量損耗為1 895 kW。采用3泵并聯運行(雙管)運行能量損耗僅為634 kW，日節電約達3萬kWh，3泵并聯運行(雙管)運行在特定的運行區間節能效果顯著。

圖4 1100S-29型2合并聯調速運行運轉特性曲線(單級加壓、單管)

圖5 1100S-29型泵3合并聯調速運行運轉特性曲線(單級加壓、雙管)

④機組配置方案比選結論。

方案1：初期配置6臺大泵(1200S50)，4用2備，采用變頻調速的運行方式；遠期在初期基礎上，增設2臺大泵，6用2備。其優點是分期增設機組不存在機電設備二次改造的問題。供水能力高于方案2(流量可達16.18 m3/s超過初期設計流量12.70 m3/s)，但存在大馬拉小車的問題，且小流量死區較大。方案2初期安裝6臺小泵(1100S29)， 4用2備。遠期將原6臺小泵拆除，增設8臺大泵(1200S50)， 6用2備，滿足遠期供水需求。其缺點是遠期時須進行機電設備改造，將原有設備拆除更換，會造成設備投資的損失。但方案2中3泵并聯運行(雙管)水泵與管道系統可以運行匹配性能優于方案1，系統運行匹配性能優于方案1，運行更為靈活、節能；考慮分期時間較長，并兼顧以上因素初期水泵機組配置采用6臺小泵(4用2備)方案。

(2)定、調速機組臺數的確定。為簡要起見，本文僅通過對初期水泵定速、調速并聯運行與全調速泵并聯運行性能比較，說明定、調速臺數的確定的問題。定速、調速水泵并聯運轉特性曲線見圖6。通過圖4分析，2泵定速、調速并聯運行(單管)，調速范圍在60%～100%，系統流量調節范圍為4.66～6.35 m3/s。則4泵定速、調速并聯運行(雙管)流量調節范圍為9.32～12.70 m3/s。當調速水泵調至90%，單管流量僅下降0.12 m3/s, 調速水泵對流量調節的作用很小，無法滿足工程對流量調節的需求；當調速水泵調至80%，定速泵運行效率急劇下降僅達38%，且允許氣蝕余量陡然上升，氣蝕性能惡化。為此采用定速、調速并聯運行是不可取的，水泵機組須全部采用調速運行的方式，方可可達到運行可靠、節能的目標。

圖6 1100S-29型泵1合調速運行1合定速運轉特性曲線(單級加壓、單管)

3 結 語

本文結合曹莊泵站工程的長距離管道輸水的特點，通過調速運行匹配分析對初、遠期機組合理配置進行了分析研究，對經濟運行有一定的指導意義。結果表明，如果機組配置不合理，即使采用變頻調速的運行方式，也難以達到預期的節能效果。水泵節能是一個系統工程，節能手段很多，需要設計、制造、運行管理各方的協調，各個環節都能最大限度地做到節能要求，才能保證泵站工程運行可靠、經濟。

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