錦凌水庫供水工程加壓泵站水泵選型設計探討

馬世波

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

0 引言

錦凌水庫供水工程是從錦凌水庫取水，經泵站加壓后送往凈水廠，經凈化處理后自流向錦州市區供水，泵站位于水庫大壩下游650 m處，將錦凌水庫原水提升至凈水廠內穩壓配水井。泵站最高日提升水量為25.5萬m3/d，平均日提升水量為20.73萬m3/d。水庫設計最低水位為41.00 m，正常蓄水位為60.00 m，多年平均水位56.44 m，凈水廠穩壓配水井最低水位為76.5 m，泵站至水庫段管道長度0.65 km，采用2×DN1400鋼管輸水，高日流量時水力坡降為0.54‰，水頭損失0.35 m；平均日流量時水力坡降為0.35‰，水頭損失0.23 m；取水泵房至凈水廠穩壓配水井管道長度為0.9 km，采用2×DN1200鋼管輸水，高日流量時水力坡降為1.1‰，水頭損失1.21 m；平均日流量時水力坡降為0.73‰，水頭損失0.80 m。工程布置示意圖見圖1。

圖1 工程布置示意圖

1 泵站設計條件

根據錦凌水庫運行水位特征及水泵管路系統布置，綜合泵站運行特點，確定以泵站運行常用工況的平均日供水量運行工況以及最高日供水量運行工況計算確定泵站設計主要邊界條件，經水力計算，該泵站運行中最高日及平均日各供水流量下的水泵主要設計參數見表1和表2。

表1 最高日供水量工況水泵設計參數表

表2 平均日供水量工況水泵設計參數表

2 水泵選型論證

通過表1以及表2水泵設計基本參數表可得出，該泵站主要特點為流量變化幅度相對較小，但揚程變化幅度相對較大，并且同一運行流量時，水泵揚程差距也較大，揚程最大差值約為19 m。根據該泵站的主要設計參數情況，為滿足泵站運行要求，水泵選擇重點分析論證了以下幾種方案。

2.1 水泵臺數方案論證

水泵臺數的合理確定，對工程投資以及運行安全、靈活具有較大的影響，本泵站水泵臺數方案選擇主要原則如下[1]：①優先選擇效率值較高，氣蝕余量值較小的泵型；在經常運行流量區段時，水泵應在高效區運行；在最大與最小流量時，水泵應能安全、穩定運行。水泵特性曲線的高效率范圍應盡量大而平緩，以適應各種工況的流量和揚程要求；②在滿足運行可靠的前提下，應盡可能選取減少水泵的臺數，以降低泵房的土建投資；③充分考慮水泵初期流量運行時的靈活性、安全性；④充分考慮廠區實際征地面積以及廠區布置合理等因素。

本工程限于征地面積較小，重點比較如下兩種水泵臺數方案：方案1，3臺水泵方案，2臺水泵運行，1臺備用；水泵額定流量為5313 m3/h，額定揚程39.16 m，電機功率800 kW，額定效率89.5%；方案2，4臺水泵方案，3臺水泵運行，1臺備用。水泵額定流量為3542 m3/h，額定揚程39.16 m，電機功率560 kW，額定效率87.0%。

(1)技術比較

方案1水泵的臺數少，所需泵房面積較小，運行管理方便，并且運行總功率較小，水泵效率較高。

(2)經濟比較

按照平均日流量，多年平均水位對應的水泵揚程工況對兩個方案進行經濟比較，兩方案經濟比較見表3。經濟比較采用總現值法，運行年限按照20年計。

表3 方案經濟指標分析表

從表3可看出，方案1水泵臺數少，泵房長度小，土建投資、設備購置費用、年運行電費均低于方案2。

綜合技術經濟比較，方案1為本工程最優臺數方案。

2.2 變頻調速方案論證

通過變頻器改變電機的供電頻率以改變電機轉速來調節水泵運行工況。使水泵在多種運行工況下，均在較高的效率范圍內運行，并能連續調節[2]。變頻調速方式不僅可減少能量損失和提高水泵效率，而且有利于水泵啟動和改善水泵的氣蝕現象，尤其是本工程運行工況中平均日流量工況下水泵揚程最大差值約19 m，變頻調速方式的高效、節能以及靈活性更能得到很大的體現。合理的變頻調速裝置數量既要保證運行靈活性強，同時還需兼顧經濟合理。本文以泵站平均日流量(Q=20.73萬m3/d)和多年平均水位揚程(H=30.31 m)工況，綜合水泵臺數以及廠區征地條件，重點對如下三種不同變頻方案進行技術經濟比較：A，2臺工頻水泵+泵后閥門調節控制方案；B，1臺工頻水泵+1臺變頻調速水泵運行方案；C，2臺變頻調速水泵運行方案。

擬選水泵特性曲線見圖2，三種方案經濟比較見表4。經濟比較采用總現值法，運行年限按照20年計。

圖2 水泵特性曲線

通過圖2和表4可看出：水泵在平均日工況下運行時，方案C由于通過改變運行頻率以適應運行工況要求，水泵運行效率較高，盡管設備費用最高，但投資總現值最小；方案A為滿足運行流量要求，水泵運行工況點需往曲線左側方向偏移，導致水泵揚程超過需要水頭，因此需要將富余的水泵揚程通過泵后閥門進行調節消能，以滿足運行要求，因此能耗較高，盡管設備投資最低，但投資總現值依然最高。因此本工程推薦采用方案C，即全變頻調速方案。

表4 各方案經濟比較表

2.3 多泵型組合方案論證

通過配置不同參數的多種泵型方案，從理論上分析可使水泵能實現不同運行工況間的靈活分配組合，可實現泵站在不同工況下高效運行。該方案優點是通過合理的搭配，可實現不同工況的高效靈活調度，各型水泵運行效率較高；缺點是由于需要配置的水泵類型較多，使運行調度方案較復雜，運行管理難度較大，廠房平面尺寸較大[3]。由于是本工程泵站占地面積較小，廠區形狀亦不規則，需要泵房面積盡可能小，故此本方案不適合本工程。

2.4 配置多型號葉輪方案

為適應不同的供水工況，更換經過切削過的不同直徑水泵葉輪，來滿足運行要求，但更換葉輪需要停機拆泵，費時費力，無法實現連續調節，更換葉輪期間，工程需要停水或減產，供水保證率下降，而且本工程為城市供水型取水泵站，對供水水量的連續調節能力及供水保證率要求均較高，因此該方案不適合本工程[4]。

2.5 泵站配置方案確定

通過以上各配置方案的技術經濟比較，本工程推薦采用3臺全變頻設計方案。該設計方案具有運行方式靈活，投資總現值最小，工程綜合性能較好的特點。

3 結論

本文結合錦凌水庫取水泵站，針對泵站運行揚程變幅大的特點，綜合技術經濟分析比較，確定了該泵站最優水泵設計方案，目前工程已安全運行超過3年時間，工程運行狀況良好。