仁懷共和泵站節(jié)能技術(shù)分析

范小娟，任啟淼，鄭錄艷，宋培培

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

仁懷共和泵站節(jié)能技術(shù)分析

范小娟，任啟淼，鄭錄艷，宋培培

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550000)

以仁懷共和泵站為例對(duì)泵站型式、水泵參數(shù)、水泵布置等進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，選擇高效水泵泵型、低耗能機(jī)組運(yùn)行方式，在泵站設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了節(jié)能因素。進(jìn)一步對(duì)仁懷共和泵站相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析比較，最終確定泵站型式為排架式泵站，泵型采用效率較高的長(zhǎng)軸深井泵，機(jī)組均采用變頻運(yùn)行方式。通過(guò)對(duì)泵站進(jìn)行節(jié)能技術(shù)分析設(shè)計(jì)，有效降低了泵站運(yùn)行成本，對(duì)供水系統(tǒng)的全局節(jié)能具有重大意義。

泵站；節(jié)能技術(shù)；水泵

水泵是供水系統(tǒng)中主要的耗能設(shè)備，因此選擇合適的水泵對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率、降低系統(tǒng)耗電量至關(guān)重要[1]。降低水泵的電耗包括選擇高效率水泵泵型、選擇合理的水泵運(yùn)行方式[2]。

工程前期規(guī)劃階段，需水預(yù)測(cè)具有一定超前性，一般對(duì)某一區(qū)域用水的最終用水規(guī)模預(yù)測(cè)值偏大；且泵站需考慮不同時(shí)段用水變化情況，因此泵站供水流量都考慮有一定余量，以滿足用水高峰期的用水水量；在對(duì)水泵進(jìn)行選型時(shí)要綜合考慮工程的供水需求、高峰期用水狀況、年利用時(shí)間、常年運(yùn)行工況等因素。

水泵運(yùn)行方式主要包括工頻運(yùn)行方式、變頻運(yùn)行方式。工頻運(yùn)行有兩種方式調(diào)節(jié)流量，一是通過(guò)開(kāi)啟關(guān)閉水泵臺(tái)數(shù)來(lái)控制泵站總的提水流量。通過(guò)臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)流量適用于臺(tái)數(shù)較多的泵站，若泵站臺(tái)數(shù)較少，則此方式效果不明顯。二是在提水總管上設(shè)置調(diào)流閥門(mén)控制泵站提水流量。設(shè)置調(diào)流閥會(huì)增大水流阻力，改變水泵管路特性曲線，使水泵工況點(diǎn)發(fā)生變化，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的，此方法會(huì)有一定的能源浪費(fèi)。變頻運(yùn)行有兩種方式，一是增加變頻器，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)流目的，此方式較為普遍；二是直接使用變頻電機(jī)，變頻電機(jī)可以設(shè)置有幾檔轉(zhuǎn)速，以此調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行工況達(dá)到調(diào)流目的。

綜合以上因素，水泵節(jié)能技術(shù)主要包括依據(jù)工程功能及需求合理選擇水泵泵型、合理選用水泵運(yùn)行方式。本文以仁懷共和泵站為例，對(duì)水泵節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析說(shuō)明。

1 設(shè)計(jì)流量

由受水區(qū)與水庫(kù)相對(duì)位置，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定仁懷共和泵站為庫(kù)內(nèi)泵站，泵站通過(guò)長(zhǎng)2080 m的輸水管線將水提至762.0 m的高位水池，高位水池后通過(guò)管道重力流輸水至水廠。本工程水庫(kù)水位變幅較大，最高運(yùn)行水位為634.89 m，設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為606.18 m，最低運(yùn)行水位為605 m，水庫(kù)水位變幅約30 m。

1.1 年供水量

本工程設(shè)計(jì)水平年為2020年，參考用水區(qū)域的供水現(xiàn)狀、區(qū)域內(nèi)水利規(guī)劃、需水預(yù)測(cè)、再生水利用規(guī)劃等參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，推測(cè)2020年受水區(qū)所需的年缺水量，并以此數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行泵站參數(shù)設(shè)計(jì)。依據(jù)上述參數(shù)，本工程受水區(qū)年缺水量確定為1314萬(wàn)m3。

依據(jù)供需平衡分析，受水區(qū)的年缺水量即水廠每年所需的供水量，則水廠年供水量為1314萬(wàn)m3。泵站年供水量與水廠年供水量關(guān)系如下：

W1=W2×(1+η1)/(1-η2)

(1)

式中：W1為泵站年供水量，萬(wàn)m3；W2為水廠年供水量，萬(wàn)m3；η1為水廠自用水損失系數(shù)；η2為管道輸水損失系數(shù)。

水廠年供水量1314萬(wàn)m3是指到達(dá)末端水廠時(shí)的水量，本工程采用管道輸水，考慮管道輸水損失、自來(lái)水廠用水損失等因素，泵站供水量應(yīng)考慮一定余量以滿足末端的用水需求。本工程管道輸水損失系數(shù)按3%計(jì)，水廠自用水損失系數(shù)按4%計(jì)。由式(1)可知，泵站年供水量為1408.8萬(wàn)m3。

1.2 設(shè)計(jì)流量

泵站設(shè)計(jì)流量根據(jù)設(shè)計(jì)水平年供水對(duì)象的用水量、日變化系數(shù)等綜合確定。設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式如下：

Q=k×W1×10 000/(3.15×107)

(2)

式中：Q為泵站設(shè)計(jì)流量，m3/s；k為日變化系數(shù)；W1為泵站年供水量，萬(wàn)m3。

本工程泵站年供水量為1408.8萬(wàn)m3，日變化系數(shù)取值1.4，由式(2)可推求出泵站設(shè)計(jì)流量為0.626 m3/s。

2 機(jī)組參數(shù)

泵站型式主要包括庫(kù)內(nèi)泵站、庫(kù)外泵站。其中，庫(kù)內(nèi)泵站主要包括排架式泵站、浮船式泵站、圓筒豎井式泵站；庫(kù)外泵站為常規(guī)地面式泵站。泵站的型式直接影響水泵泵型，因此，在選擇水泵泵型前需確定泵站的型式。

2.1 泵站型式

依據(jù)工程特點(diǎn)，該泵站為庫(kù)內(nèi)泵站，泵站型式主要考慮排架式泵站、浮船式泵站、圓筒豎井式泵站三種。由于水庫(kù)水位變幅約為30 m，若選用圓筒豎井式泵站，則泵站底板高程需開(kāi)挖至水庫(kù)最低水位以下，泵站高度約40 m。該泵站型式存在以下問(wèn)題：工程開(kāi)挖量大、泵站廠房防滲處理復(fù)雜、機(jī)組運(yùn)行維護(hù)不方便、通風(fēng)麻煩等。因此，本工程不推薦采用圓筒豎井式泵站型式。對(duì)浮船式泵站、排架式泵站兩種泵站型式進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)浮船式泵站、排架式泵站的比較，該工程推薦選擇排架式泵站。排架式泵站適用的水泵泵型為長(zhǎng)軸泵，則仁懷共和泵站水泵泵型選用技術(shù)成熟、效率較高的長(zhǎng)軸深井泵，水泵型號(hào)選用400VY2M。

表1 泵站型式比較表 萬(wàn)元

2.2 水泵臺(tái)數(shù)

水泵臺(tái)數(shù)選擇需要綜合考慮水泵的制造水平并結(jié)合供水水量變化，在滿足兩者的前提下，宜盡量減少臺(tái)數(shù)，降低運(yùn)行成本。仁懷共和泵站供水流量為0.626 m3/s，水泵為常規(guī)泵型，對(duì)于設(shè)備的設(shè)計(jì)制造不存在較大的難度。

初選2臺(tái)工作泵，1臺(tái)備用泵，則水泵單泵流量為0.313 m3/s。

2.3 水泵特征揚(yáng)程

按初選水泵型號(hào)及臺(tái)數(shù)，對(duì)泵站及管路進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，并計(jì)算相關(guān)水頭損失[3]。經(jīng)計(jì)算，泵站總水頭損失為3.17 m，見(jiàn)表2。水泵特征揚(yáng)程見(jiàn)表3，可知最低揚(yáng)程為130.1 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為161.0 m，最高揚(yáng)程為161.3 m。

2.4 水泵運(yùn)行方式選擇

水泵工頻運(yùn)行特性曲線、水泵變頻運(yùn)行特性曲線如圖1、圖2所示。

(1)水泵采用工頻運(yùn)行通過(guò)臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)流量。由圖1所示，在最低揚(yáng)程處水泵單泵流量為0.45 m3/s，此時(shí)開(kāi)啟一臺(tái)水泵不能滿足泵站總的供水流量，差額為0.176 m3/s；開(kāi)啟兩臺(tái)水泵提水流量過(guò)大，差額為0.274 m3/s。且高位水池容積較小，若通過(guò)水泵臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)總供水流量，則水泵開(kāi)關(guān)機(jī)較為頻繁。

(2)水泵采用工頻運(yùn)行通過(guò)增設(shè)調(diào)流閥調(diào)節(jié)流量。在最低揚(yáng)程處需開(kāi)啟兩臺(tái)水泵，通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)流閥開(kāi)度來(lái)滿足流量需求。由圖1所示，兩臺(tái)機(jī)在最低揚(yáng)程處提水流量為0.90 m3/s，若想通過(guò)調(diào)流閥將提水流量減少至0.626 m3/s，則調(diào)流閥開(kāi)度需做相應(yīng)調(diào)整，通過(guò)調(diào)流閥調(diào)節(jié)消耗水能較為浪費(fèi)，此時(shí)管道內(nèi)水流流態(tài)較差，對(duì)機(jī)組運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此不建議采用。

表2 水頭損失計(jì)算成果表

表3 特征揚(yáng)程計(jì)算成果表 m

圖1 水泵工頻運(yùn)行特性曲線

圖2 水泵變頻運(yùn)行特性曲線

(3)水泵采用變頻運(yùn)行通過(guò)變頻器調(diào)流。在最低揚(yáng)程處通過(guò)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)水泵的性能曲線來(lái)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況點(diǎn)[4]。由圖2所示，則每臺(tái)水泵提水流量為0.313 m3/s，泵站總提水流量滿足供水要求。

(4)對(duì)水泵工頻、變頻運(yùn)行進(jìn)行比較分析。工程直接投資工頻運(yùn)行方式比變頻運(yùn)行方式節(jié)約277萬(wàn)元；但考慮到年運(yùn)行費(fèi)用工頻運(yùn)行方式高于變頻運(yùn)行方式，變頻運(yùn)行方式年運(yùn)行費(fèi)用節(jié)約44萬(wàn)元，見(jiàn)表4。

綜合上述因素，仁懷共和泵站水泵推薦采用變頻運(yùn)行方式。

表4 水泵工頻、變頻運(yùn)行比較表

2.5 水泵運(yùn)行工況

2.5.1 管路特性曲線確定

管路水頭損失隨通過(guò)管中的流量的增大而增大，上升曲線即為管路阻力曲線，在凈揚(yáng)程的基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)加上管路阻力曲線得到管路特性曲線[5]。管路阻力曲線(h～Q)、最低揚(yáng)程管路特性曲線(Hmin～Q)、最低高揚(yáng)程管路特性曲線 (Hmax～Q)見(jiàn)式(3)～(5)。

h=8.1×Q2

(3)

Hmin=H1+h

(4)

Hmax=H2+h

(5)

式中：h為管路水頭損失，m；Q為管路流量，m3/s；H1為最低凈揚(yáng)程，m；H2為最高凈揚(yáng)程，m。

由表3可知，泵站最低凈揚(yáng)程為126.9 m，最高凈揚(yáng)程為158.1 m。

2.5.2 水泵運(yùn)行工況復(fù)核

依據(jù)工程特點(diǎn)，泵站型式采用排架式泵站，水泵泵型選用長(zhǎng)軸深井泵，水泵型號(hào)為400VY2M，水泵臺(tái)數(shù)為3臺(tái)(2用1備)，單泵流量0.313 m3/s；仁懷共和泵站水泵采用變頻運(yùn)行方式。兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線如圖3所示。

圖3 水泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線

水庫(kù)水位處于低水位，水泵提水揚(yáng)程較高時(shí)水泵轉(zhuǎn)速處于高轉(zhuǎn)速檔位。由圖3所示，此時(shí)由最高揚(yáng)程管路特性曲線(Hmax～Q)、高轉(zhuǎn)速2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線、高轉(zhuǎn)速水泵運(yùn)行特性曲線確定水泵運(yùn)行工況點(diǎn)，此時(shí)開(kāi)啟兩臺(tái)泵時(shí)單臺(tái)水泵工作點(diǎn)處于A點(diǎn)。

水庫(kù)水位處于高水位，水泵提水揚(yáng)程較低時(shí)，由變頻器調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速使水泵轉(zhuǎn)速處于低轉(zhuǎn)速檔位；由圖3所示，此時(shí)由最低揚(yáng)程管路特性曲線(Hmin～Q)、低轉(zhuǎn)速2臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行特性曲線、低轉(zhuǎn)速水泵運(yùn)行特性曲線確定水泵運(yùn)行工況點(diǎn)，開(kāi)機(jī)兩臺(tái)泵時(shí)單臺(tái)水泵工作點(diǎn)處于B點(diǎn)。

綜上分析，水庫(kù)水位變幅較大時(shí)，可通過(guò)增加變頻器來(lái)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行特性曲線。水庫(kù)水位較高時(shí)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)水泵機(jī)組，使其處于低轉(zhuǎn)速檔位，由管路特性曲線及水泵運(yùn)行特性曲線確定水泵運(yùn)行工況點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。

3 結(jié) 論

依據(jù)仁懷共和泵站工程相關(guān)資料，對(duì)泵站提水流量、機(jī)組選型、機(jī)組運(yùn)行方式特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而闡述了對(duì)水泵的節(jié)能設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)泵站進(jìn)行節(jié)能技術(shù)分析設(shè)計(jì)，可有效降低泵站的運(yùn)行成本，對(duì)供水系統(tǒng)的全局節(jié)能具有重大意義。

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Analysis of energy saving technology of Renhuai republic pump station

FAN Xiaojuan,REN Qimiao,ZHENG Luyan,SONG Peipei

(Guizhou Survey & Desigh Research Institute for Resources and Hydropower,Guiyang 550000,China)

Take Renhuai republic pumping station for example, analyzing and designing the pump station type, unit operation mode, pump parameter and pump arrangement to choosethe high efficiency pump type and low consumption energy unit operation mode, whichemboies the energy saving factor in the pump station design. This paper analyzes the relevant parameters of Renhua Republic pumping station. Through comparison of technical and economic, adopting bent pump station ,long shaft pumps with higher efficiency, and the frequency conversion operation mode. The energy saving technology analysis and design of pumping station can effectively reduce the operation cost of pumping station, and it is of great significance to the overall energy saving of water supply system.

pump station; energy-saving technology; frequency regulation

貴州省水利科技經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(KT201610)

范小娟(1988-)，女，河南新鄉(xiāng)人，助理工程師，主要從事水泵及水泵站研究工作。E-mail: fanxiaojuan528787@163.com。

TV675

A

2096-0506(2017)07-0029-05