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，故需對黃石一泵站進(jìn)行供水系統(tǒng)升級改造，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)揮兩臺機(jī)組的最大供水能力，因此兩臺水泵機(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)過對水泵機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)及改造升級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，單臺水泵供水能力為52800m3/d，兩臺工頻的運(yùn)行方式無法滿足供水需求，而兩臺工頻一臺變頻運(yùn)行模式下，變頻水泵最低頻率時供水量約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的電量為每小時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)升級改造措施

（1）更換4臺流量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，對原10kV高壓電機(jī)進(jìn)行利舊，通過對電機(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)電動閘門。為實(shí)現(xiàn)水量水壓的遠(yuǎn)程調(diào)控，需更新4臺DN500出水電動蝶閥、1臺DN800連通電動蝶閥，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臺套DN900水量電動調(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.