節(jié)能技術(shù)在黃石一泵站改造中的應(yīng)用

石磊

摘 要：在日常的生產(chǎn)運(yùn)行中，由于設(shè)計(jì)考慮了中遠(yuǎn)期規(guī)劃及用水需求發(fā)展等問題，實(shí)際生產(chǎn)中的供水工況點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)參數(shù)，最終導(dǎo)致供水系統(tǒng)中出現(xiàn)水泵機(jī)組長期處于高效區(qū)間外運(yùn)行，造成了電能的大量浪費(fèi)。筆者在江邊取水泵房即黃石一泵站供水系統(tǒng)升級(jí)改造中，結(jié)合新的供水量需求及原有機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)等，深入分析了電能浪費(fèi)的原因，優(yōu)化了改造方案，提出了分別采用水泵變速調(diào)節(jié)和葉輪切削調(diào)節(jié)解決電能損耗問題，降低了改造成本，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組能耗的降低。

關(guān)鍵詞：節(jié)能技術(shù);水泵變速;葉輪切削;泵站改造

一、泵站改造項(xiàng)目背景

黃石一泵站作為向大冶有色公司、下陸地區(qū)及向大冶自來水公司供水的長江取水泵站，現(xiàn)有4臺(tái)20sh-13清水泵（詳見設(shè)備明細(xì)表），日供水量7.5-8.5萬噸。其中，1#水泵機(jī)組作為常用機(jī)組，日供水量約4.8萬噸。2#水泵機(jī)組因水泵故障，電機(jī)已停封近十年。3#水泵機(jī)組作為備用機(jī)組。4#水泵機(jī)組作為常用機(jī)組，變頻運(yùn)行，日供水量2.4-5.5萬噸。

變頻運(yùn)行，日供水量2.4-5.5萬噸

2018年3月按黃石市市政府要求，王家里水廠長江取水泵房因環(huán)保問題需進(jìn)行拆除，取水缺口有大冶有色公司協(xié)助解決，公司要求我動(dòng)力分公司江邊取水泵房即黃石一泵站每日向王家里水廠提供4萬噸長江源水，此項(xiàng)工程為市政府重點(diǎn)民生工程，要求全市各部門各單位權(quán)利配合。但我黃石一泵站因2#供水機(jī)組本體缺陷，不能長期運(yùn)行，且各機(jī)組運(yùn)行年限較長，因此泵站供水能力有限，對(duì)新增4萬噸供水量的需求較難滿足，即現(xiàn)有運(yùn)行方式難以將供水量提升至11.5-12.5萬m3/d，故需對(duì)黃石一泵站進(jìn)行供水系統(tǒng)升級(jí)改造，全面調(diào)整供水運(yùn)行方式以保證完成市政府的任務(wù)要求。

二、泵站改造存在問題

（1）供水可靠性降低。黃石一泵站現(xiàn)采用供水機(jī)組兩用兩備的運(yùn)行模式，新增4萬噸供水量后，需將運(yùn)行方式調(diào)整為供水機(jī)組三用一備，供水可靠性降低。

（2）水泵本體磨損嚴(yán)重?，F(xiàn)有水泵已持續(xù)運(yùn)行近30年。由于長江水含沙量高，對(duì)泵體造成沖刷，且江水水位高差變化極大造成泵體發(fā)生汽蝕，泵體磨損嚴(yán)重，分公司已多次對(duì)沖刷及汽蝕的氣孔砂眼進(jìn)行了修補(bǔ)，但缺陷點(diǎn)仍逐年增多，泵內(nèi)腔體已出現(xiàn)蜂窩狀，部分腔室壁厚已由15mm磨損至4-5mm，易造成出水和進(jìn)水兩個(gè)腔體腔壁破裂貫通。

（3）2#水泵因本體缺陷停封近十年。該水泵因填料函磨損嚴(yán)重，密封不嚴(yán)，高水位期運(yùn)行漏水嚴(yán)重，維修次數(shù)頻繁，因此封存停用，如需啟用并作為主供水泵，需更新。

（4）出水管道偏小?，F(xiàn)有DN800和DN600兩條出水管道，其中DN600輸水管道管徑偏小，最大供水量6萬m3/d，無法滿足檢修期間單根管道運(yùn)行時(shí)的正常供水要求。

三、節(jié)能技術(shù)的分析及應(yīng)用

（一）節(jié)能工況點(diǎn)分析

（1）水泵運(yùn)行偏離工況點(diǎn)造成電能損耗。根據(jù)原有水泵機(jī)組運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，原有供水出水壓力為0.28MPa，水泵的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)嚴(yán)重偏離了原有額定工況點(diǎn)，導(dǎo)致出現(xiàn)汽蝕嚴(yán)重磨損了水泵本體。

（2）水泵工頻運(yùn)行，調(diào)節(jié)閘門造成電能損耗。水泵機(jī)組更換完成后，采用兩工頻一變頻的運(yùn)行方式，即1#、2#機(jī)組并聯(lián)工頻運(yùn)行，向黃石二泵及黃石市自來水供水，另一臺(tái)水泵機(jī)組（4#機(jī)組）單獨(dú)變頻運(yùn)行。黃石市自來水用水管道從1#、2#并聯(lián)管道上接出，由于市自來水用水量隨季節(jié)性變化較大，冬季用水量較小無法發(fā)揮兩臺(tái)機(jī)組的最大供水能力，因此兩臺(tái)水泵機(jī)組的1#水泵出水閘門長期需將開度控制在40%，關(guān)小閘門供水導(dǎo)致1#機(jī)組供水電單耗高。

（二）節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

（1）葉輪切削定律應(yīng)用。經(jīng)過對(duì)水泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)及改造升級(jí)后的用水需求的綜合分析，采用湘電長沙水泵廠500S35型水泵（Q=2300m3/h，H=30.8m）～（Q=2000m3/h，H=35m）～（Q=1700m3/h，H=38.5m），性能曲線如圖。

由于設(shè)計(jì)考慮了中遠(yuǎn)期規(guī)劃及用水需求發(fā)展等問題，實(shí)際生產(chǎn)中的供水工況點(diǎn)為管道壓力為0.28Mpa，導(dǎo)致水泵機(jī)組長期處于高效區(qū)間外運(yùn)行，造成了電能的大量浪費(fèi)。

按照葉輪切削定律Q/Q1=D/D1;H/H1=（D/D1）2;N/N1=（D/D1）3，Q、H、N、D為未切削前的水泵流量、揚(yáng)程、功率和葉輪外徑;Q1、H1、N1、D1為切削后的水泵流量、揚(yáng)程、功率和葉輪外徑。經(jīng)計(jì)算將葉輪切削為外徑510mm，技術(shù)參數(shù)為（Q=2400m3/h，H=22.3m）～（Q=2000m3/h，H=28m）～（Q=1600m3/h，H=32.1m），性能曲線如圖。

（2）變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用。由于增加水量后，供水量達(dá)到115-12.5萬m3/d，更新水泵后，單臺(tái)水泵供水能力為52800m3/d，兩臺(tái)工頻的運(yùn)行方式無法滿足供水需求，而兩臺(tái)工頻一臺(tái)變頻運(yùn)行模式下，變頻水泵最低頻率時(shí)供水量約19200m3/d，該運(yùn)行方式最低供水量約為12.48萬m3/d，大于11.5-12.5萬m3/d的供水需求且不便于調(diào)節(jié)水量水壓，故為實(shí)現(xiàn)水量遠(yuǎn)程調(diào)控，合理調(diào)節(jié)供水運(yùn)行方式，需增加1套280kW高壓變頻裝置。通過兩套變頻裝置分別調(diào)節(jié)1#、4#電機(jī)頻率，通過兩條輸水管道單獨(dú)及聯(lián)合運(yùn)行的方式，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的調(diào)節(jié)供水壓力及供水量平衡。

由于黃石泵站高壓室空間較小，對(duì)變頻控制系統(tǒng)外形尺寸（柜體深度）有嚴(yán)格要求，原有的利德華福高壓變頻系統(tǒng)長度為5600mm，現(xiàn)有空間無法擺放兩套，同時(shí)新購柜體的深度必須小于1500mm，兩套系統(tǒng)總長必須小于7700mm，否則無法保證變頻系統(tǒng)檢修通道，經(jīng)考察分公司采用的是希望森蘭變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積為3750mm×1400mm×2000mm，體積小，占地面積小，適用于黃石泵站高壓室狹小的空間。

通過安裝高壓變頻裝置，原有機(jī)組耗電量為每小時(shí)2565kWh，增加變頻控制系統(tǒng)后，調(diào)整頻率保證相同供水水量時(shí)的電量為每小時(shí)127.6kWh，年節(jié)約電費(fèi)（256.5-127.6）×24h×360d×0.6元/kWh=66.82萬元。

四、供水系統(tǒng)升級(jí)改造措施

（1）更換4臺(tái)流量2000m3/h，揚(yáng)程35米的高效中開式離心泵。其中2#、3#水泵進(jìn)行葉輪切削，葉輪直徑為510mm。

（2）10kV高壓電機(jī)維修。由于新電機(jī)安裝空間受限，對(duì)原10kV高壓電機(jī)進(jìn)行利舊，通過對(duì)電機(jī)繞組進(jìn)行絕緣修復(fù)，重新固定及修復(fù)脫落槽楔等方式，延長電機(jī)使用壽命，增強(qiáng)電機(jī)運(yùn)行可靠性。

（3）更換泵站內(nèi)電動(dòng)閘門。為實(shí)現(xiàn)水量水壓的遠(yuǎn)程調(diào)控，需更新4臺(tái)DN500出水電動(dòng)蝶閥、1臺(tái)DN800連通電動(dòng)蝶閥，并分別配備控制箱。

（4）更新兩套高壓變頻控制系統(tǒng)。通過兩套變頻裝置分別調(diào)節(jié)1#、4#電機(jī)頻率，通過兩條輸水管道可實(shí)時(shí)選擇聯(lián)合、獨(dú)立運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的調(diào)節(jié)供水壓力及供水量平衡。

（5）新裝2臺(tái)套DN900水量電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。由于兩條輸水管道在黃石二泵站無水量調(diào)節(jié)閥門，新敷設(shè)的王家里源水管與我公司兩條輸水管道碰點(diǎn)后，我方將無法通過調(diào)節(jié)黃石二泵用水量來保證王家里源水管的供水量，故需安裝水量調(diào)節(jié)閥門，合理調(diào)控輸送至王家里水廠和黃石二泵站的水量及管網(wǎng)壓力。

（6）增加混合槽超聲波水位計(jì)、壓力變送器及監(jiān)控報(bào)警裝置，避免王家里水廠調(diào)節(jié)水量導(dǎo)致黃石二泵供水量驟增而引發(fā)安全事故。增加混合槽進(jìn)水管連通管道，設(shè)置DN600連通閘門。

五、結(jié)語

隨著國家對(duì)節(jié)能環(huán)保安全運(yùn)行要求的提高，水泵站作為供水系統(tǒng)的最基本單元，而水泵機(jī)組作為重點(diǎn)耗能設(shè)備，各種節(jié)能措施的應(yīng)用顯得尤為重要，各類措施不僅可以有效降低供水綜合電單耗降低成本，還能通過節(jié)能分析及運(yùn)行方案比選優(yōu)化供水運(yùn)行方式。筆者認(rèn)為在供水泵站的運(yùn)行管理上，管理技術(shù)人員關(guān)注的更多的是單臺(tái)設(shè)備機(jī)組的運(yùn)行能耗，而在綜合用能分析上關(guān)注較少，本文就葉輪切削、變頻調(diào)速及運(yùn)行方式調(diào)整等方面對(duì)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)例分析，希望提供一些節(jié)能降耗的思路，為供水泵站的生產(chǎn)運(yùn)行提供一些好的建議。

參考文獻(xiàn)：

[1]余金鳳，張永偉.水泵與水泵站.黃河水利出版社，2009.1.