水源更換對自來水廠進水泵房給水泵的影響

（浙江同濟科技職業學院 機械與電氣工程學院，310014，浙江杭州）

隨著城市迅速發展以及產業、人口積聚，杭州市城市供水需求不斷增加，近幾年來日均供水量增速達10%，提升水資源的水質、提高供水保障能力成為必然。伴隨著千島湖、錢塘江等多水源供水，杭州市城市居民的飲水品質和供水安全得到提高，同時對水泵的性能要求也越來越高，設備的精密度也就越來越高。通過水源更換對設備的影響分析，同時將科學發展觀作為引導，向節能減排目標發展，對杭州市清泰水廠進水泵房給水泵進行設計、更新改造，提升給水泵的使用效率。孫文龍通過對水泵各個部件的介紹和水質對設備的影響分析，提高了人們對這一部分的認識，從而提高了工作意識和能盡快找出問題所在[1]。近年來，在國內外研究者的不斷努力下，水泵機組的可靠性及水泵性能的影響分析、進水泵房區域優化改造等方面的研究都取得了很大的成果，充分發揮其功能和效益[2-3]。

目前對自來水廠給水影響分析大多停留在制水工藝優化方面，對于水質提升對自來水廠內相關設備的影響研究欠缺。隨著杭州市第二水源千島湖配水工程的實施，實現了千島湖、錢塘江等多水源供水，從根本上提高了杭州市主城區的飲水品質和供水安全[4]。水質提升后，有必要對設備的設計、更新改造進行研究。本文以杭州市清泰水廠進水泵房給水泵作為研究對象，通過對水源變化的理論研究和實驗分析，研究了水質提升對水泵及相關設備的影響，并提出了在該水源下最佳的水泵選型設計。

1 水源情況

1.1 供水水源情況分析

為解決城市供水水源單一、應對水源突發污染事故能力低的問題，保障居民飲用水的安全和改善供水水質，杭州市委市政府開辟千島湖作為新的水源。本次研究針對該水廠形成千島湖、錢塘江兩種水質不同水源的供水情況，結合廠內日供水量實際情況，提出符合該自來水廠條件的給水泵的選型設計、更新改造。杭州市主城區五大水廠的水源地及水廠狀況見表1。

表1 杭州市主城區五大水廠供水情況

由表1 得知：杭州市主城區共有五大水廠，合計日供水量為170 萬m3；清泰水廠共有7 臺給水泵，日供水量為30 萬m3，由錢塘江為單一水源供應，轉變為以千島湖為主、錢塘江為輔多水源供水，水質由輕度富營養轉變為貧營養。

1.2 供水水源水質情況

目前，千島湖水源引入后，清泰水廠多數時候把千島湖作為水源，偶爾選擇錢塘江水源，2020 年7 月在給水泵房分別取用兩水源時，對兩水源原水水質進行6 次取樣測試，其主要水質指標見表2。

（1）濁度方面，千島湖水源的平均濁度為2 NTU，遠小于錢塘江水源的平均濁度64 NTU；亞硝酸鹽體積質量，千島湖水源為0.008 mg/L，遠小于錢塘江水源的0.079 mg/L；耗氧量與需氯量方面，千島湖水源均低于錢塘江水源；總大腸菌數，千島湖水源平均值為240 CFU/mL，遠低于錢塘江水源。

（2）錢塘江為江河水，水中有機物含量高，水質波動大，泥沙含量也高；千島湖水屬于湖泊水，水質清澈、穩定，其原水水質大大優于錢塘江的水質，同時在使用千島湖原水時會減少藥劑的投加量[5]。

表2 兩種供水水源水質化驗情況

2 水源更換對進水泵房給水泵的影響

2.1 給水泵的相關技術參數

清泰水廠的水源更換為千島湖水源之前，進水泵房原給水泵已經運行長達8 年之久，設備已出現老化，技術人員通過使用BSC-3 手持式泵效率速測儀器對1#～5#給水泵效率測試，水泵效率下降到只有60%左右。另外錢塘江水源水質較低，已經對水泵造成空蝕、氣蝕等傷害，因此給水泵出現偏離高效區運行的現象。

給水泵的技術參數主要是流量和揚程，水泵的選型設計要保證其流量和揚程能滿足實際的生活和生產需求，并確保水泵能在高效區域長期穩定運行，滿足節能減排降耗的經濟運行要求。實際上，自來水廠進水時會涉及到多臺水泵同時運行，不僅要考慮單臺水泵的運行效率，還要考慮多臺水泵在并聯工作時也能高效運行[6]；因此需要對給水泵的整體運行效果進行綜合考慮，避免水泵在實際生產運行中出現過載、空蝕、氣蝕等問題，滿足運行管理要求。

2.2 變頻調速在水泵中的運用

清泰水廠日供水量為30 萬m3，進水泵房由1# 進水泵房和2# 進水泵房兩部分組成。1# 進水泵房裝設有1#～5# 給水泵；2# 進水泵房裝設有6# 和7# 給水泵，均為直接啟動水泵，平時作為備用泵。根據清泰水廠供水要求，在用水低峰期2 臺并聯的水泵運行就可以滿足供水量。用水高峰期要3 臺或者3 臺以上給水泵同時運行才能達到用水要求。通過分析研究給水泵的變頻調速原理，根據外部需求要求給水泵調速運行，因此將1#～5#機組設計為變頻機組[7]。對1#進水泵房由長沙水泵廠生產的5 臺32SA-19D 老離心泵進行報廢，對給水泵重新選型設計，選擇臥式雙吸離心泵，重新選型設計的1#～5#給水泵相關參數如表3。

對進水泵房給水泵重新選型設計后，清泰水廠為保證供水量，預設有兩套運行方案：①用水高峰期，運行3 臺給水泵，補充流量時開啟6#或者7#給水泵；用水低峰期，運行2 臺給水泵，補充流量時再開啟1 臺。其余作為備用水泵。

2.3 對水泵葉輪的影響

拆下原離心泵葉輪發現，水泵葉輪進口處發生嚴重的空蝕。研究表明，錢塘江水源中含有大量體積較小的氣體微團及固體顆粒，例如塵土、泥沙、有機物等。壓力下降時，水由于沒有了抗張能力就會發生空化，在葉輪表面崩潰產生水擊，使材料出現疲勞破壞，發生空蝕的現象[8]。而水泵葉輪發生空化現象與葉輪的形狀設計相關，特別是葉片的設計。鑒于之前水泵葉輪已發生嚴重空蝕和氣蝕，因此選用新的給水泵對提高給水泵抗空化的能力有很大的意義。

2.3.1 原設計給水泵特性曲線分析

根據設計要求，清泰水廠新的給水泵實際揚程為9.2 m，流量為3 500 m3/h。根據給水泵的檢測報告，并按ISO 9906-1999 要求，該選型設計的給水泵揚程與實際揚程對比發現，五臺給水泵都達到了檢測標準，給水泵的選型滿足要求。

在實際運行生產過程中經流量計測出，給水泵實際運行時的流量平均達到4 312 m3/h，高出原設計流量約13.5%，表明設計的給水泵實際運行工況與原設計工況不符。對應圖1 給水泵的特性曲線可知，給水泵實際生產運行的工況點在特性曲線的右下端，不在泵的高效區，超過給水泵可接受的范圍會造成水泵發生一些故障，因此對新選用的給水泵進行再設計改造。

根據管路現狀及通過經濟技術比較，選用切削葉輪的方式改變給水泵的特性曲線，使新的工況點處于高效區域內，確保給水泵安全生產運行。

2.3.2 給水泵切削方案的確定

（1）由相似定律確定水泵葉輪直徑切削量[9]。根據相似定律：

式中：H 為切削前泵的揚程；H1切削后泵的揚程；D 為切削前葉輪直徑；D1為切削后葉輪直徑。

由于水源更換，水質提升，進水量必然會增多，在實際生產運行中，將會有多臺水泵并聯運行。因此，重新確認給水泵新的工況點：水位為5.15 m，即揚程為9.2 m，流量約為3 500 m3/h。將H=13 m，H1=9.2 m，D=700 mm 代入上式計算：D1=588 mm。

通過流量驗算，根據切削調節驗算公式計算出切削后的流量不能滿足新的工況要求，即切削后的葉輪直徑不能滿足要求。

（2）由流量需求確定葉輪切削量[9]。流量與葉輪關系公式：

式中：Q 為切削前在新揚程下泵的流量；Q2為切削后在新揚程下泵的流量；D 為切削前葉輪直徑；D2為切削后葉輪直徑。

在原設計揚程H=9.2 m 時，切削前Q=3 500 m3/h，經過公式計算：D2=700×3 500/3 800=645 mm。計算切削量：ΔD=D-D2=700-645=55 mm。綜合考慮在實際運行生產過程中會出現磨損等現象，最終確定葉輪實際切削量為40 mm，則切削后葉輪的直徑為660 mm。對再設計改造后的3#給水泵進行試運行生產試驗，見表4，新設計的給水泵滿足流量要求。

表4 3#給水泵單臺試車情況

2.4 對其他相關設備的影響

千島湖水的引入，提高了水源的質量。錢塘江作為輔助水源水質不好會對給水泵造成傷害，如果水泵入口的濾網過粗或者過細都會對水泵造成影響。當給水泵濾網布過粗時，水中的顆粒物會進入到水泵內，易造成葉輪磨損；若給水泵濾網布過細會導致水泵入口阻力大，水泵入口的流量減小，葉輪易產生氣蝕，嚴重情況下水泵機械密封出現過熱磨損甚至卡死。因此濾網規格按照要求選擇使用[11]。

進水泵房從原水取水離不開閥門的使用，對于閥門的選用主要考慮閥門的類型、控制方法[11]。原水取水閥門的特點是閥門口徑比較大，且無需經常性操作，根據檢修要求一般一年或者幾年進行操作檢修一次，因此閥門常態下是處于常開或者常閉的狀態。這次水源更換時，在對進水泵房給水泵進行設計的基礎上對閥門也進行重新選擇。由于閘閥的水頭損失低于蝶閥，因此頭部閥門選擇閘閥，閘閥的口徑選擇1 200～1 600 mm，控制方法選擇手動類型。給水泵的出口閥門選擇液控蝶閥。

3 工況對比分析

3.1 幾種工況對比

根據清泰水廠現有運行工況及進出水位，常水位下靜揚程為7.5 m，計算出管路阻力系數并繪制出阻力曲線，如圖2 所示。

圖2 新設計給水泵的阻力曲線

圖中設計的七種工況為水泵在實際安裝運行過程中實測流量揚程等性能和理論管路阻力方案。根據白天用水峰谷、夜間用水峰谷幾種實際運行的常用工況，測出給水泵總流量、對應的給水泵進出口壓力、進出水池水位、開泵數量，校核實際管路阻力，方便根據實際運行工況及管路阻力調整運行方案。現分析以上七種工況：

工況一：4 臺水泵變頻548 r·min-1/46.3 Hz 并聯運行，常水位，極端最大用水量33 萬t/d，單泵流量3 438 m3/h，揚程13.3 m，泵效率89%。

工況二：4 臺水泵工頻592 r·min-1并聯運行，常水位，總供水量約31 萬t/d，單泵流量3 229 m3/h，揚程9.2 m，泵效率85.5%。

工況三：4 臺水泵變頻538 r·min-1/45.4 Hz 并聯運行，常水位，用水量30 萬t/d，單泵流量3 125 m3/h，揚程10.6 m，泵效率81%。

工況四：3 臺水泵變頻485 r·min-1/41 Hz 并聯運行，常水位，用水量25 萬t/d，單泵流量3 472 m3/h，揚程9.8 m，泵效率83.5%。

工況五：3 臺水泵變頻435 r·min-1/36.7 Hz 并聯運行，常水位，用水量20 萬t/d，單泵流量2 778 m3/h，揚程8.9 m，泵效率85.5%。

工況六：2 臺水泵變頻455 r·min-1/38.4 Hz 并聯運行，常水位，用水量15 萬t/d，單泵流量3 125 m3/h，揚程8.3 m，泵效率85.5%。

工況七：2 臺水泵變頻400 r·min-1/33.8 Hz 并聯運行，常水位，用水量10 萬t/d，單泵流量2 083 m3/h，揚程7.9 m，泵效率82.3%。

在實際運行中，可能會因進出水位變化、系統阻力誤差、電機轉速波動等因素，實際工況有所偏差，可通過校核實際管路阻力，根據實際工況及管路阻力調整運行方案，保證水泵高效運行。

4.2 水源變化后設備正常順利運行的保障

水源變化對自來水廠的設備產生最直接的影響。水廠生產設備的順利正常運行才能為用戶提供安全可靠的自來水[12]。雖然設備在出廠安裝時已經過科學合理的調試和正式投入使用之前經過試運行及測試驗證，但在后續運行過程中，仍需要進行合理的使用管理，保障設備的各個參數都在使用標準范圍內；因此，應加強水廠設備的管理，運用科學合理的管理技術提升設備的工作效率，保障生產的自來水的質量，同時提供安全可靠的服務，提升經濟效益。

4 結語

杭州市主城區城市供水從錢塘江單一水源，轉變成以千島湖為主、錢塘江為輔的多水源，從根本上提升了杭州市城市用水品質和用水安全。通過分析水源的變化對自來水廠進水泵房給水泵的相關影響，可以得到如下結論：

（1）水源更換，供水品質得到了很大的提升。錢塘江水質泥沙含量較高，有機物含量高，受海藻影響很大；而千島湖水質清澈穩定，有機物、富營養化指標遠優于錢塘江水源。

（2）對水源更換后的水質的理論分析和試驗研究表明，水質變化會對給水泵產生影響，需對給水泵進行重新選型設計。

（3）通過切削葉輪的方式，改變水泵運行工況，使新的工況點能夠在給水泵的高效區域內，確保給水泵正常順利運行。新的工況點為：揚程9.2 m，流量3500 m3/h，葉輪直徑660 mm，泵組效率在89%。各項性能指標均滿足標準要求，生產運行平穩。