水源更換對(duì)自來水廠進(jìn)水泵房給水泵的影響

（浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，310014，浙江杭州）

隨著城市迅速發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)、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(dá)10%，提升水資源的水質(zhì)、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(zhì)和供水安全得到提高，同時(shí)對(duì)水泵的性能要求也越來越高，設(shè)備的精密度也就越來越高。通過水源更換對(duì)設(shè)備的影響分析，同時(shí)將科學(xué)發(fā)展觀作為引導(dǎo)，向節(jié)能減排目標(biāo)發(fā)展，對(duì)杭州市清泰水廠進(jìn)水泵房給水泵進(jìn)行設(shè)計(jì)、更新改造，提升給水泵的使用效率。孫文龍通過對(duì)水泵各個(gè)部件的介紹和水質(zhì)對(duì)設(shè)備的影響分析，提高了人們對(duì)這一部分的認(rèn)識(shí)，從而提高了工作意識(shí)和能盡快找出問題所在[1]。近年來，在國內(nèi)外研究者的不斷努力下，水泵機(jī)組的可靠性及水泵性能的影響分析、進(jìn)水泵房區(qū)域優(yōu)化改造等方面的研究都取得了很大的成果，充分發(fā)揮其功能和效益[2-3]。

目前對(duì)自來水廠給水影響分析大多停留在制水工藝優(yōu)化方面，對(duì)于水質(zhì)提升對(duì)自來水廠內(nèi)相關(guān)設(shè)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(shí)施，實(shí)現(xiàn)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(qū)的飲水品質(zhì)和供水安全[4]。水質(zhì)提升后，有必要對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)、更新改造進(jìn)行研究。本文以杭州市清泰水廠進(jìn)水泵房給水泵作為研究對(duì)象，通過對(duì)水源變化的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析，研究了水質(zhì)提升對(duì)水泵及相關(guān)設(shè)備的影響，并提出了在該水源下最佳的水泵選型設(shè)計(jì)。

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(yīng)對(duì)水源突發(fā)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(zhì)，杭州市委市政府開辟千島湖作為新的水源。本次研究針對(duì)該水廠形成千島湖、錢塘江兩種水質(zhì)不同水源的供水情況，結(jié)合廠內(nèi)日供水量實(shí)際情況，提出符合該自來水廠條件的給水泵的選型設(shè)計(jì)、更新改造。杭州市主城區(qū)五大水廠的水源地及水廠狀況見表1。

表1 杭州市主城區(qū)五大水廠供水情況

由表1 得知：杭州市主城區(qū)共有五大水廠，合計(jì)日供水量為170 萬m3；清泰水廠共有7 臺(tái)給水泵，日供水量為30 萬m3，由錢塘江為單一水源供應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐郧u湖為主、錢塘江為輔多水源供水，水質(zhì)由輕度富營養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樨殸I養(yǎng)。

1.2 供水水源水質(zhì)情況

目前，千島湖水源引入后，清泰水廠多數(shù)時(shí)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(shí)，對(duì)兩水源原水水質(zhì)進(jìn)行6 次取樣測(cè)試，其主要水質(zhì)指標(biāo)見表2。

（1）濁度方面，千島湖水源的平均濁度為2 NTU，遠(yuǎn)小于錢塘江水源的平均濁度64 NTU；亞硝酸鹽體積質(zhì)量，千島湖水源為0.008 mg/L，遠(yuǎn)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(shù)，千島湖水源平均值為240 CFU/mL，遠(yuǎn)低于錢塘江水源。

（2）錢塘江為江河水，水中有機(jī)物含量高，水質(zhì)波動(dòng)大，泥沙含量也高；千島湖水屬于湖泊水，水質(zhì)清澈、穩(wěn)定，其原水水質(zhì)大大優(yōu)于錢塘江的水質(zhì)，同時(shí)在使用千島湖原水時(shí)會(huì)減少藥劑的投加量[5]。

表2 兩種供水水源水質(zhì)化驗(yàn)情況

2 水源更換對(duì)進(jìn)水泵房給水泵的影響

2.1 給水泵的相關(guān)技術(shù)參數(shù)

清泰水廠的水源更換為千島湖水源之前，進(jìn)水泵房原給水泵已經(jīng)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)8 年之久，設(shè)備已出現(xiàn)老化，技術(shù)人員通過使用BSC-3 手持式泵效率速測(cè)儀器對(duì)1#～5#給水泵效率測(cè)試，水泵效率下降到只有60%左右。另外錢塘江水源水質(zhì)較低，已經(jīng)對(duì)水泵造成空蝕、氣蝕等傷害，因此給水泵出現(xiàn)偏離高效區(qū)運(yùn)行的現(xiàn)象。

給水泵的技術(shù)參數(shù)主要是流量和揚(yáng)程，水泵的選型設(shè)計(jì)要保證其流量和揚(yáng)程能滿足實(shí)際的生活和生產(chǎn)需求，并確保水泵能在高效區(qū)域長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，滿足節(jié)能減排降耗的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。實(shí)際上，自來水廠進(jìn)水時(shí)會(huì)涉及到多臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行，不僅要考慮單臺(tái)水泵的運(yùn)行效率，還要考慮多臺(tái)水泵在并聯(lián)工作時(shí)也能高效運(yùn)行[6]；因此需要對(duì)給水泵的整體運(yùn)行效果進(jìn)行綜合考慮，避免水泵在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)過載、空蝕、氣蝕等問題，滿足運(yùn)行管理要求。

2.2 變頻調(diào)速在水泵中的運(yùn)用

清泰水廠日供水量為30 萬m3，進(jìn)水泵房由1# 進(jìn)水泵房和2# 進(jìn)水泵房?jī)刹糠纸M成。1# 進(jìn)水泵房裝設(shè)有1#～5# 給水泵；2# 進(jìn)水泵房裝設(shè)有6# 和7# 給水泵，均為直接啟動(dòng)水泵，平時(shí)作為備用泵。根據(jù)清泰水廠供水要求，在用水低峰期2 臺(tái)并聯(lián)的水泵運(yùn)行就可以滿足供水量。用水高峰期要3 臺(tái)或者3 臺(tái)以上給水泵同時(shí)運(yùn)行才能達(dá)到用水要求。通過分析研究給水泵的變頻調(diào)速原理，根據(jù)外部需求要求給水泵調(diào)速運(yùn)行，因此將1#～5#機(jī)組設(shè)計(jì)為變頻機(jī)組[7]。對(duì)1#進(jìn)水泵房由長(zhǎng)沙水泵廠生產(chǎn)的5 臺(tái)32SA-19D 老離心泵進(jìn)行報(bào)廢，對(duì)給水泵重新選型設(shè)計(jì)，選擇臥式雙吸離心泵，重新選型設(shè)計(jì)的1#～5#給水泵相關(guān)參數(shù)如表3。

對(duì)進(jìn)水泵房給水泵重新選型設(shè)計(jì)后，清泰水廠為保證供水量，預(yù)設(shè)有兩套運(yùn)行方案：①用水高峰期，運(yùn)行3 臺(tái)給水泵，補(bǔ)充流量時(shí)開啟6#或者7#給水泵；用水低峰期，運(yùn)行2 臺(tái)給水泵，補(bǔ)充流量時(shí)再開啟1 臺(tái)。其余作為備用水泵。

2.3 對(duì)水泵葉輪的影響

拆下原離心泵葉輪發(fā)現(xiàn)，水泵葉輪進(jìn)口處發(fā)生嚴(yán)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(tuán)及固體顆粒，例如塵土、泥沙、有機(jī)物等。壓力下降時(shí)，水由于沒有了抗張能力就會(huì)發(fā)生空化，在葉輪表面崩潰產(chǎn)生水擊，使材料出現(xiàn)疲勞破壞，發(fā)生空蝕的現(xiàn)象[8]。而水泵葉輪發(fā)生空化現(xiàn)象與葉輪的形狀設(shè)計(jì)相關(guān)，特別是葉片的設(shè)計(jì)。鑒于之前水泵葉輪已發(fā)生嚴(yán)重空蝕和氣蝕，因此選用新的給水泵對(duì)提高給水泵抗空化的能力有很大的意義。

2.3.1 原設(shè)計(jì)給水泵特性曲線分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，清泰水廠新的給水泵實(shí)際揚(yáng)程為9.2 m，流量為3 500 m3/h。根據(jù)給水泵的檢測(cè)報(bào)告，并按ISO 9906-1999 要求，該選型設(shè)計(jì)的給水泵揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程對(duì)比發(fā)現(xiàn)，五臺(tái)給水泵都達(dá)到了檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，給水泵的選型滿足要求。

在實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)過程中經(jīng)流量計(jì)測(cè)出，給水泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)的流量平均達(dá)到4 312 m3/h，高出原設(shè)計(jì)流量約13.5%，表明設(shè)計(jì)的給水泵實(shí)際運(yùn)行工況與原設(shè)計(jì)工況不符。對(duì)應(yīng)圖1 給水泵的特性曲線可知，給水泵實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行的工況點(diǎn)在特性曲線的右下端，不在泵的高效區(qū)，超過給水泵可接受的范圍會(huì)造成水泵發(fā)生一些故障，因此對(duì)新選用的給水泵進(jìn)行再設(shè)計(jì)改造。

根據(jù)管路現(xiàn)狀及通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(diǎn)處于高效區(qū)域內(nèi)，確保給水泵安全生產(chǎn)運(yùn)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(jù)相似定律：

式中：H 為切削前泵的揚(yáng)程；H1切削后泵的揚(yáng)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(zhì)提升，進(jìn)水量必然會(huì)增多，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，將會(huì)有多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行。因此，重新確認(rèn)給水泵新的工況點(diǎn)：水位為5.15 m，即揚(yáng)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(jì)算：D1=588 mm。

通過流量驗(yàn)算，根據(jù)切削調(diào)節(jié)驗(yàn)算公式計(jì)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(guān)系公式：

式中：Q 為切削前在新?lián)P程下泵的流量；Q2為切削后在新?lián)P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(shè)計(jì)揚(yáng)程H=9.2 m 時(shí)，切削前Q=3 500 m3/h，經(jīng)過公式計(jì)算：D2=700×3 500/3 800=645 mm。計(jì)算切削量：ΔD=D-D2=700-645=55 mm。綜合考慮在實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)磨損等現(xiàn)象，最終確定葉輪實(shí)際切削量為40 mm，則切削后葉輪的直徑為660 mm。對(duì)再設(shè)計(jì)改造后的3#給水泵進(jìn)行試運(yùn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，見表4，新設(shè)計(jì)的給水泵滿足流量要求。

表4 3#給水泵單臺(tái)試車情況

2.4 對(duì)其他相關(guān)設(shè)備的影響

千島湖水的引入，提高了水源的質(zhì)量。錢塘江作為輔助水源水質(zhì)不好會(huì)對(duì)給水泵造成傷害，如果水泵入口的濾網(wǎng)過粗或者過細(xì)都會(huì)對(duì)水泵造成影響。當(dāng)給水泵濾網(wǎng)布過粗時(shí)，水中的顆粒物會(huì)進(jìn)入到水泵內(nèi)，易造成葉輪磨損；若給水泵濾網(wǎng)布過細(xì)會(huì)導(dǎo)致水泵入口阻力大，水泵入口的流量減小，葉輪易產(chǎn)生氣蝕，嚴(yán)重情況下水泵機(jī)械密封出現(xiàn)過熱磨損甚至卡死。因此濾網(wǎng)規(guī)格按照要求選擇使用[11]。

進(jìn)水泵房從原水取水離不開閥門的使用，對(duì)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(diǎn)是閥門口徑比較大，且無需經(jīng)常性操作，根據(jù)檢修要求一般一年或者幾年進(jìn)行操作檢修一次，因此閥門常態(tài)下是處于常開或者常閉的狀態(tài)。這次水源更換時(shí)，在對(duì)進(jìn)水泵房給水泵進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)閥門也進(jìn)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(dòng)類型。給水泵的出口閥門選擇液控蝶閥。

3 工況對(duì)比分析

3.1 幾種工況對(duì)比

根據(jù)清泰水廠現(xiàn)有運(yùn)行工況及進(jìn)出水位，常水位下靜揚(yáng)程為7.5 m，計(jì)算出管路阻力系數(shù)并繪制出阻力曲線，如圖2 所示。

圖2 新設(shè)計(jì)給水泵的阻力曲線

圖中設(shè)計(jì)的七種工況為水泵在實(shí)際安裝運(yùn)行過程中實(shí)測(cè)流量揚(yáng)程等性能和理論管路阻力方案。根據(jù)白天用水峰谷、夜間用水峰谷幾種實(shí)際運(yùn)行的常用工況，測(cè)出給水泵總流量、對(duì)應(yīng)的給水泵進(jìn)出口壓力、進(jìn)出水池水位、開泵數(shù)量，校核實(shí)際管路阻力，方便根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況及管路阻力調(diào)整運(yùn)行方案。現(xiàn)分析以上七種工況：

工況一：4 臺(tái)水泵變頻548 r·min-1/46.3 Hz 并聯(lián)運(yùn)行，常水位，極端最大用水量33 萬t/d，單泵流量3 438 m3/h，揚(yáng)程13.3 m，泵效率89%。

工況二：4 臺(tái)水泵工頻592 r·min-1并聯(lián)運(yùn)行，常水位，總供水量約31 萬t/d，單泵流量3 229 m3/h，揚(yáng)程9.2 m，泵效率85.5%。

工況三：4 臺(tái)水泵變頻538 r·min-1/45.4 Hz 并聯(lián)運(yùn)行，常水位，用水量30 萬t/d，單泵流量3 125 m3/h，揚(yáng)程10.6 m，泵效率81%。

工況四：3 臺(tái)水泵變頻485 r·min-1/41 Hz 并聯(lián)運(yùn)行，常水位，用水量25 萬t/d，單泵流量3 472 m3/h，揚(yáng)程9.8 m，泵效率83.5%。

工況五：3 臺(tái)水泵變頻435 r·min-1/36.7 Hz 并聯(lián)運(yùn)行，常水位，用水量20 萬t/d，單泵流量2 778 m3/h，揚(yáng)程8.9 m，泵效率85.5%。

工況六：2 臺(tái)水泵變頻455 r·min-1/38.4 Hz 并聯(lián)運(yùn)行，常水位，用水量15 萬t/d，單泵流量3 125 m3/h，揚(yáng)程8.3 m，泵效率85.5%。

工況七：2 臺(tái)水泵變頻400 r·min-1/33.8 Hz 并聯(lián)運(yùn)行，常水位，用水量10 萬t/d，單泵流量2 083 m3/h，揚(yáng)程7.9 m，泵效率82.3%。

在實(shí)際運(yùn)行中，可能會(huì)因進(jìn)出水位變化、系統(tǒng)阻力誤差、電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)等因素，實(shí)際工況有所偏差，可通過校核實(shí)際管路阻力，根據(jù)實(shí)際工況及管路阻力調(diào)整運(yùn)行方案，保證水泵高效運(yùn)行。

4.2 水源變化后設(shè)備正常順利運(yùn)行的保障

水源變化對(duì)自來水廠的設(shè)備產(chǎn)生最直接的影響。水廠生產(chǎn)設(shè)備的順利正常運(yùn)行才能為用戶提供安全可靠的自來水[12]。雖然設(shè)備在出廠安裝時(shí)已經(jīng)過科學(xué)合理的調(diào)試和正式投入使用之前經(jīng)過試運(yùn)行及測(cè)試驗(yàn)證，但在后續(xù)運(yùn)行過程中，仍需要進(jìn)行合理的使用管理，保障設(shè)備的各個(gè)參數(shù)都在使用標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；因此，應(yīng)加強(qiáng)水廠設(shè)備的管理，運(yùn)用科學(xué)合理的管理技術(shù)提升設(shè)備的工作效率，保障生產(chǎn)的自來水的質(zhì)量，同時(shí)提供安全可靠的服務(wù)，提升經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

杭州市主城區(qū)城市供水從錢塘江單一水源，轉(zhuǎn)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(zhì)和用水安全。通過分析水源的變化對(duì)自來水廠進(jìn)水泵房給水泵的相關(guān)影響，可以得到如下結(jié)論：

（1）水源更換，供水品質(zhì)得到了很大的提升。錢塘江水質(zhì)泥沙含量較高，有機(jī)物含量高，受海藻影響很大；而千島湖水質(zhì)清澈穩(wěn)定，有機(jī)物、富營養(yǎng)化指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于錢塘江水源。

（2）對(duì)水源更換后的水質(zhì)的理論分析和試驗(yàn)研究表明，水質(zhì)變化會(huì)對(duì)給水泵產(chǎn)生影響，需對(duì)給水泵進(jìn)行重新選型設(shè)計(jì)。

（3）通過切削葉輪的方式，改變水泵運(yùn)行工況，使新的工況點(diǎn)能夠在給水泵的高效區(qū)域內(nèi)，確保給水泵正常順利運(yùn)行。新的工況點(diǎn)為：揚(yáng)程9.2 m，流量3500 m3/h，葉輪直徑660 mm，泵組效率在89%。各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)運(yùn)行平穩(wěn)。