泵站優(yōu)化配置及其經(jīng)濟性評估方法研究

張文鋼

(寶鋼股份備件資材采購部 上海200941)

1 泵站現(xiàn)狀及其分析

泵站在鋼鐵企業(yè)及核能發(fā)電廠的循環(huán)供水、城鎮(zhèn)給排水等流體輸送工程中，已被廣泛應用。這些泵站在長期運行中，給各個部門乃至整個國民經(jīng)濟帶來了不可低估的經(jīng)濟效益和社會效益，但也是以大量的投資和能源消耗為代價換取的。有關資料表明，全國大部分泵站都處于低效運行，效率低于50%的泵站占全國泵站總數(shù)的一半以上，也就是說泵站所消耗的能源一半以上做了無用功［1］。當然泵站效率低、能源消耗大的原因是多方面的，而規(guī)劃設計、設備制造和運行管理對其影響較大。為此，泵站規(guī)劃設計時，設備選型、配置尤為重要，而水泵作為系統(tǒng)中的主要耗能設備，其選型和運行模式對能耗的影響最大。

當前，全世界的泵制造商致力于在設計上提高泵效率，在運行中降低泵功率損失的研究開發(fā)。高效、環(huán)保、節(jié)能是國內(nèi)一項重要的基本國策，國家積極投資鼓勵開展這方面的研究。當前，傳統(tǒng)的節(jié)能概念是不合理的，而正確的節(jié)能概念是減少泵產(chǎn)品總壽命期內(nèi)的消耗成本，不僅僅是傳統(tǒng)觀念的效率指標，而是包括與產(chǎn)品有關的方方面面所需要的成本，需要積極開展泵產(chǎn)品設計、制造、運行、管理等方面的節(jié)能措施研究［2］。

泵站的主要設備是水泵，泵站的優(yōu)化配置其核心是水泵的優(yōu)化配置，也就是正確的選擇水泵的型號、規(guī)格及數(shù)量，并根據(jù)工藝系統(tǒng)的需求羅列所有可能的方案，然后從投資和運行成本等方面的考量選擇其中最佳的方案，這是進行泵站優(yōu)化設計和配置的一種方法，而相似理論是這種方法的理論基礎之一。泵站優(yōu)化的重要內(nèi)容是泵站組合及能耗的計算，最后把能耗、投資、備件、維修、保養(yǎng)等各種因素都考慮在內(nèi)進行綜合評估，選擇最佳的配置方案。

2 水泵的相似律

在水泵的設計、改造、運行計算等工作中都要用到相似理論及其公式，其常用的三個公式:

第一相似律及其表達式

第二相似律及其表達式

第三相似律及其表達式

而對于同一臺泵，由于結構相同，

DP=DM，ρP=ρM

式中DP—原有機泵有效直徑;

DM—優(yōu)化的水泵有效直徑;

ρP—原有水泵中水密度;

ρM—優(yōu)化后水泵中水密度。

其在不同的工況下它們間的關系可用比例律表示:

式中Q1、H1、P1—轉速為n1時的流量、揚程和軸功率;

Q2、H2、P2—轉速為n2時的流量、揚程和軸功率。

比例律非常實用，它可以反映轉速改變時水泵性能變化的規(guī)律，也可用來進行變速調節(jié)計算。

3 泵站配置策略

對于工況變化大而頻繁的泵站來說，要考慮采用調速泵和定速泵的并聯(lián)運行問題。不同型號和數(shù)量的定速泵組合雖然能夠適應多種流量變化，但還不是連續(xù)變化，仍然有能量損失。而調速泵和定速泵并聯(lián)運行，則可實現(xiàn)流量的連續(xù)變化，把能量損失降低到最低。調速泵的數(shù)量及其調速范圍對泵站的配置尤為重要。

3.1 調速泵臺數(shù)的確定

首先通過需要的最大流量來確定泵站所需要的水泵數(shù)量ntotal，即

式中Qtotal—管網(wǎng)所需的最大流量;

Qone—恒速泵的額定流量。而調速泵的最少臺數(shù)泵nmin為

式中ΔQ—調速泵的最佳范圍，ΔQ=Qmax-Qmin;Qmax—調速泵高效區(qū)的最大可調流量;Qmin—調速泵高效區(qū)的最小可調流量。

3.2 調速泵最佳調速范圍的確定

水泵最佳調流范圍是指水泵在調速前后均在高效段內(nèi)工作時所允許的流量最大變化范圍。因為需水量是不斷變化的，所以，確定水泵的調流范圍有重大意義。

圖1 水泵調流最佳范圍確定圖

在圖1中，hA=kAq2，hB=kBq2分別表示水泵等效率高效段的左端和右端部分。A1B1是定速泵特性曲線的高效段，其額定轉速為n1。當轉速由n1調降到n2時，水泵特性曲線的高效段也相應下降到A2B2，此時工況點也由B1沿管道特性曲線下降到B2。為了確保抽水揚程而防止抽不上水，調速后特性曲線上的揚程HA2應超過定速泵工作時的最小揚程HB1，即要滿足HA2＞HB1。又因為水泵的選取是按照最大設計流量設計，所以qB1是水泵調節(jié)流量的最大值，水泵調節(jié)流量的最小值也即調速泵的啟動流量qA2。

由于A1、A2在同一等效曲線上，則由比例律式(4)可知

因為有HA2≥HB1，所以;由此可得水流調節(jié)的最佳范圍為

3.3 案例分析

以寶鋼熱軋廠能源1880軋輥冷卻水C系統(tǒng)要求供水揚程在174～155m，其流量范圍在6000～9300m3/h。

以泵組中英國WEIR公司提供的水泵特性曲線為例，求取其最佳調速范圍。該水泵的最高效率是79%，額定流量是1400m3/h，揚程是171m，這是額定工況點。運用比例律(4)作出轉速為額定轉速97%、94%、90%、85%時的四條Q-H特性曲線。以78%效率作為高效區(qū)兩側，以155m相應的轉速為92%及定速泵特性曲線構成了其最佳調速運行區(qū)域。英國的WEIR最佳調速范圍是92%～97%，兩側的等效率曲線是78%，這四條曲線所圍的區(qū)域就是WEIR泵在寶鋼C系統(tǒng)的最佳調速運行區(qū)域 ，如圖2所示。

圖2 英國WEIR公司水泵的特性曲線

圖3 德國KSB公司水泵的特性曲線

根據(jù)泵站的最大流量以及單臺恒速泵的額定流量，根據(jù)公式(5)可以計算出該泵站的并聯(lián)水泵數(shù)為:9300/1400=6.64，取其整數(shù)為7臺。

78%等效率曲線與恒速泵的特性曲線交點對應的流量分別為1200m3/h及1600m3/h。由于液力偶合器調速存在3%的滑差，則其最大可調流量為1552m3/h。而78%等效率曲線與調速下限交點處的流量為1118.2m3/h。

根據(jù)公式(6)可得出調速泵最少數(shù)量為:1552/(1552-1118.2)=3.6。

根據(jù)寶鋼在使用的另外一進口廠家德國KSB公司的水泵特性曲線(額定流量1300m3/h，揚程為175m，效率為83%)，繪制出其最佳調速范圍如圖3所示。

圖3中，KSB泵的最佳變速調流區(qū)域由水泵的固有特性線(轉速100%)和轉速為90%的特性線以及兩側81.5%的等效率曲線所圍。

按照同樣的方法，其泵組數(shù)量為9300/1300=7.15，最少調速泵數(shù)為1445/(1445-1002.8)=3.3。

以上數(shù)據(jù)如何取舍，參看表1。

4 泵站全成本模型

泵站運行成本一般包括運行費用(以電費為主)，檢修、折舊等費用以及其他與泵站運行有關的費用。

4.1 泵站能耗計算公式

泵站在運行期間由于工況得變化其負荷也是變化的，假定其最大日用水量隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 最大日用水量變化曲線

泵站由多臺水泵并聯(lián)運行時，則其中某一臺恒速水泵i的功率消耗為:

式中Qi—水泵供水量(m3/s);

Hi—水泵i供水揚程(m);

γ—水的容重(N/m3);

ηdi—電機i的效率;

ηci—定速泵電動機后面與水泵間的聯(lián)軸器i傳動效率;

ηbi—水泵i的效率。

如果一個周期內(nèi)可以劃分為T個時段，每個時段內(nèi)系統(tǒng)運行是穩(wěn)定的，各個并聯(lián)運行的水泵都有各自的流量和揚程。則在某一時段Δtj內(nèi)所有并聯(lián)運行的水泵所消耗的電能為

所以，在整個周期內(nèi)所消耗的全部電能為根據(jù)公式(4)、(7)，在整個周期內(nèi)泵站所消耗的全部電能為

式中Q0—定速泵初始流量;

H0—定速泵揚程;

n0和n＇—在該時段內(nèi)投入運行的定速泵和調速泵的臺數(shù);

ηc—定速泵的傳動效率，因為是直接傳動，可以當作100%。

電機的效率ηd和水泵的效率ηb可以當作恒定的，調速泵的傳動效率是隨轉速變化的，該效率與該時段的轉速相對應。Q＇、H＇、η＇c分別為調速泵流量與揚程和效率。

4.2 全成本模型

泵站的全成本F為一段時間T內(nèi)的總費用，包括水泵的能耗費用W×P，其所占比例最大而且是連續(xù)的量;一次性設備投資費用S;檢修費用及其他費用K［4］。

式中P—電價。

將公式(10)代入后，

以泵產(chǎn)品總壽命期(或則折舊年限)作為時間T的話，轉化為年度平均費用，用C表示為:

上式中，第一項用Ψ1表示，主要影響因素為水泵的效率及運行模式;第二項用Ψ2表示，主要因素為設備配置，諸如調速裝置數(shù)量及調速型式等;第三項用Ψ3表示，主要因素為設備的性能。即C=Ψ1+Ψ2+Ψ3。

5 泵站經(jīng)濟性評估

根據(jù)公式(13)描述的泵站年度平均成本C，得知泵站的成本是可具體準確計算的。因此在對整個泵站進行經(jīng)濟性評估時，采用年度成本最小準則具有現(xiàn)實意義，具體如下:

式中Ci—第i種泵站方案的年度成本。

再以寶鋼熱軋1880 C系統(tǒng)冷卻泵站為例，對英國WEIR和德國KSB公司兩種方案進行評估。如表1所示。

表1 兩種方案評估

而最終寶鋼熱軋1880C系統(tǒng)泵站選用了英國WEIR的水泵，泵站配置為9臺水泵，其中恒速泵5臺而調速泵為4臺，這其中主要是考慮到能源車間沒有故障時間而特別增加的備用水泵的問題。在此方案比較中，效率的稍微偏差不及價格偏差更有影響。

6 總結

泵站的泵組的設計和選型配置，需要根據(jù)系統(tǒng)需要的工藝參數(shù)決定，同時需要根據(jù)水泵的總壽命期內(nèi)的消耗成本，或單位時間的泵站的平均費用，以運行成本最小為準則，對泵站的多種組合進行評估，選出最佳的組合方案，該方法具有較好的操作性和可行性。

［1］楊建軍.泵站經(jīng)濟運行管理問題初探［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，Vol.13(33):295-297.

［2］牟介剛，黃忠紅，張生昌，等.泵行業(yè)的基本概況及技術發(fā)展趨勢［C］.中國農(nóng)業(yè)機械學會2006年學術年會，鎮(zhèn)江，2006:182-184.

［3］張文鋼，黃劉琦著.水泵的節(jié)能技術［M］.上海:上海交通大學出版社，2010.

［4］馮曉莉，仇寶云.大型泵站系統(tǒng)運行優(yōu)化模型與節(jié)能效果比較［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2012，Vol.28(23):46-50.