泵站機泵機組改造與效益分析及其運行工況應(yīng)用

吳俊華WU Jun-hua

（上海城投原水有限公司長江原水廠T 泵站，上海 200000）

1 概況

上海城投原水有限公司長江原水廠T 泵站承擔(dān)著將上海四大水源地之一的陳行水庫優(yōu)質(zhì)原水經(jīng)陳行輸水泵站送達T 泵站增壓后向W、Z、L 水廠供水，設(shè)計規(guī)模70 萬m3/d，設(shè)有主泵6 臺（其中2 臺專供W水廠，4 臺專供Z、L 水廠，T5#機泵如今改成超越管形式），青草沙系統(tǒng)投運后，6 臺機泵二用四備，并聯(lián)向W、Z 方向供水。2008 年10 月16 日原水公司在浦東威立雅、市北自來水公司的配合下，順利完成了T 泵站90 萬m3/d 能力的測試。長江系統(tǒng)T 增壓泵站綜合供水能力達到90 萬m3/d。

對于我們原水廠來說，原水輸水生產(chǎn)過程中最大的運行成本就是水泵電動機所產(chǎn)生的耗電量。根據(jù)相關(guān)報告，原水廠電費成本約占供水成本的50%以上，但是運行過程中水泵的效率大多不足60%，泵站的綜合效率不足50%，存在的大量的電量能源浪費。節(jié)能降耗可以降低供水企業(yè)的生產(chǎn)運行成本，提高經(jīng)濟效益。

T 泵站自建造以來已運行近30 年，T2#T4#配套使用ABB 的1600kW 電機以及ABB 變頻器。目前該機泵的實際運行工況與原設(shè)計工況不符，且該變頻器型號早已淘汰，其零部件已停產(chǎn)多年，代替產(chǎn)品大小尺寸與現(xiàn)尺寸不符合，難以替換使用。由于設(shè)備老化，變頻器故障率較高，諧波毛刺現(xiàn)象超標，所引起的損害也加快了電機的老化，雖然期間電機多次出廠大修，更換易損部件，但是在巡視過程中發(fā)現(xiàn)振動和異常響聲，仍然呈現(xiàn)不斷惡化趨勢，且水泵葉輪等易損壞的部件也不同程度存在磨損，造成汽蝕現(xiàn)象嚴重，使水泵葉輪和殼體出現(xiàn)不同程度損壞，且機泵效率低下。隨著年限的不斷增加存在安全隱患，故對T4#機泵機組改造成變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。對T2#機泵機組更新改造，控制系統(tǒng)采用軟啟動全速運行。

T 泵站機泵機組的主要參數(shù)見表1 機泵及電機基本參數(shù)。

表1 機泵及電機基本參數(shù)

T 泵站供電系統(tǒng)有兩路35kV 進線電源分別是X 泵I段和X 泵II 段。每一路母線下有3 臺機泵，T1#、T3#、T7#機泵機組是X 泵I 段系統(tǒng)下運行，T2#、T4#、T6#機泵機組是在X 泵II 段系統(tǒng)下運行，如圖1。

圖1 T 泵站簡易布置

通常情況下由于外電路可能出現(xiàn)單路失電或者機泵故障突然跳車又或者電網(wǎng)波動等故障，處于安全考慮，兩端母線上分別運行一臺機泵機組，以防止泵站產(chǎn)生安全事故中斷向下游的W 水廠供水。

如今城投原水經(jīng)過不斷的升級已機泵實現(xiàn)了“兩江并舉、集中取水、水庫供水、一網(wǎng)調(diào)度”的原水供應(yīng)格局。三大原水供應(yīng)系統(tǒng)中，青草沙原水系統(tǒng)與長江原水系統(tǒng)通過L支線實現(xiàn)互通，如出現(xiàn)應(yīng)急突發(fā)重大事件，影響系統(tǒng)正常供應(yīng)時，在上級相關(guān)部門和領(lǐng)導(dǎo)的統(tǒng)一指揮下，可通過原水一網(wǎng)調(diào)度實施相關(guān)水廠的水源切換，確保原水應(yīng)急正常安全的供應(yīng)。

2 變頻調(diào)速

確保水泵在高效范圍內(nèi)運行是水泵節(jié)能的關(guān)鍵所在。適應(yīng)不同的工況，確保水泵在高效節(jié)能的性能曲線上。水廠供水系統(tǒng)中，泵的選擇必須滿足供水對象所需的最大流量和最大壓力的要求，由于水泵運轉(zhuǎn)高效區(qū)范圍不寬，而用戶的實際需水量總是在不斷變化，很難使水泵一直保持在高效區(qū)運行。所以T4#泵改成了變頻調(diào)速。

變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、平滑性好、效率最高、有優(yōu)良的靜態(tài)及動態(tài)特性，可以方便地實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，整個調(diào)速特性與直流電動機調(diào)壓調(diào)速十分相似，是應(yīng)用最廣的一種高性能交流調(diào)速。變頻調(diào)速已經(jīng)成為異步電動機最主要的調(diào)速方式，在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3 軟啟動器

三相交流電動機以及優(yōu)良的性能、簡單的結(jié)構(gòu)形式和免維護等優(yōu)點，當(dāng)三相交流電動機采用全壓直接啟動的方式時，電動機的啟動電流很大，一般為電動機額定電流的5-8 倍，對供電電網(wǎng)造成較大沖擊。軟啟動它可以使電動機在整個啟動過程中實現(xiàn)無沖擊平滑地啟動，而且可根據(jù)電動機負載的特性來調(diào)節(jié)啟動過程中的參數(shù)，軟啟動器所具有的軟停止功能可有效地避免水泵停止時所產(chǎn)生的“水錘效應(yīng)”。軟啟動器實際上是采用相位控制的交流調(diào)壓電路，僅僅是改變輸出電壓，頻率不變。

4 水泵工作效率曲線

水泵的工作效率主要取決于流量與轉(zhuǎn)速之比。如圖2可知，當(dāng)通過關(guān)小閥門來減小流量時，由于轉(zhuǎn)速不變，n*=1，比值Q*/n*=Q*，其效率曲線如圖的曲線①所示。當(dāng)流量Q*=60%，其效率將降至B 點?？梢?，隨著流量的減小，水泵工作效率的降低十分顯著的。而在轉(zhuǎn)速控制方式下，由于閥門開度不變，流量Q*和轉(zhuǎn)速n*是成正比的，比值Q*/n*不變。其效率曲線因轉(zhuǎn)速而變化，在60%nN時的效率曲線如圖曲線②所示。當(dāng)流量Q*=60%時，效率由C 點決定，它和閥門控制時Q*=100%的效率（A 點）是相等的。也就是說，采用轉(zhuǎn)速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)。所以轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。所以這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的方面。由此可見，當(dāng)T 泵站需要滿足下游水廠水量時，如要單獨運行一臺機泵選擇T2#或者T4#機泵時，因便于水量的隨時變化，故優(yōu)先選擇T4#變頻機泵機組。

圖2 T4#變頻機組和T2#軟啟動機組對比

對T2 泵和T4 泵做了數(shù)據(jù)分析，如表2，表3。

表2 T2 現(xiàn)場測試效率數(shù)據(jù)

表3 T4 現(xiàn)場測試效率數(shù)據(jù)

從T2 號和T4 號機組的測試流量揚程曲線同比可以得出，如圖3，測試參數(shù)重復(fù)性好，精度可靠性比較好，同時T4 號機組的整體效率低于T2 號機組，效率偏差在15000m3的時候，T2 號機組比T4 號機組高2.3%。

圖3 效率曲線對比

T2 和T4 水泵是同一型號，T2 是軟啟動恒速電動機拖動，當(dāng)水量發(fā)生變化時，T 泵站需要采用開啟T5 超越管以及調(diào)節(jié)T3 閥門節(jié)流的辦法來調(diào)節(jié)流量，因此嚴重浪費電能。但是如果W 支線和L 支線在需要大水量情況下，如每小時14000-15000m3左右的水量。則不需要開啟T4 變頻機泵機組，一般情況下變頻調(diào)速系統(tǒng)一般消耗3%-6%能量（其中包含電動機因效率降低造成的額外能量損失），若變頻調(diào)速所帶來的效益不足于抵消調(diào)速裝置的損耗，則造成不但不節(jié)能、反而多耗能。平時一般情況下L 支線和W支線每小時需要10000m3左右水量。因此開啟變頻機泵機組能有效的節(jié)約耗電能，大大減少運行成本。

5 工況實例分析

T 泵站主要供W 支線和L 支線，近年來通常情況下泰和泵站日均出水量在20 多萬噸。L 支線水量需求略高于W 支線。

對表4 運行工況進行分析。

2021 年6 月1 日至2021 年6 月18 日，T 泵站運行狀況以及能耗和出水量如表4。

表4 運行工況表

18 天的工況，均是單獨運行1 臺機泵，沒有同時運行2 臺及以上機泵。

6 月15 日，由于每月有一天將進行防潮運行，所以T1、T2、T3、T6、T7 機泵分別進行了開車運行。如表5。

表5 單日運行工況

由此可見在滿足水量需求的前提下，在低轉(zhuǎn)速運行時，首先考慮變頻調(diào)速機泵。這樣更具有經(jīng)濟效益。

T4 和T7 是T 泵站常運行的主力機泵。

這18 天進水平均壓力在0.115-0.130MPa 之間，送W支線壓力在0.140-0.155MPa，送L 支線壓力在0.090-0.140MPa，進水壓力的大小對出水的水量有一定影響。

對比T4 泵和T7 泵。同樣單泵運行5 日總共120 小時的情況下，見表6。

表6 5 日運行能耗對比

T4 泵，1、2、5、6、7 日運行，T7 泵，9、10、11、12、13 日運行。

由此可見，在全天同樣運行一臺泵的情況下，總出水流量在相差不多的情況下，開啟T4 機泵是最具經(jīng)濟效益的。

效益分析：

根據(jù)工業(yè)用電價格夏季和非夏季的谷峰進行折算，折算后的平均電價為0.736 元/kW·h 計算。在5 日120 小時情況下，開啟T4 泵要比開啟T7 泵節(jié)約電費16169 元。如果在確保需求供水量的前提下以及水量很穩(wěn)定的情況下，長時間開啟T4 機泵機組，對于節(jié)能減耗是一筆很可觀的效益。

在供水保高峰期間，確保不發(fā)生意外狀況，如外線路單路失電，需要X I 段和X II 段，兩路進線上每一路開啟一臺機泵，2 臺機組同時進行對閘北支線和凌閘支線供水，進行分析。見表7 運行工況，表8 運行機組時間表。

表7 2020 年7 月運行工況

表8 2020 年7 月泰泵機組運行時間

2020 年7 月工況，主要以T4 和T7，兩臺機組同時運行向W 支線和L 支線供水，期間T1、T2、T3、T6、防潮運行，開啟時間不多。

T1 單獨運行1 小時（防潮運行）T2 單獨運行1 小時（防潮運行），T3 和T6，兩臺同時開啟運行70 小時；T4 和T7，兩臺同時開啟運行672 小時。

由此可見，供水保高峰期間在確保水量的前提下，同時開啟兩臺變頻機泵機組并網(wǎng)向W 支線和L 支線供水，確保了在保高峰期間萬一出現(xiàn)電網(wǎng)波動或者單路失電情況下，不會出現(xiàn)短時的斷水情況。

我們以1 天24 小時T 泵站供水量為基準，比較在相近水量時，每臺機泵及組合搭配機。

表9 泵的運行單耗情況

表10 泵的運行單耗情況

表11 泵的運行單耗情況

從以上3 組數(shù)據(jù)對比比較結(jié)果可以看出，在供水量較大的情況下我們一般不單獨運行T3#和T6#；從運行單耗來看，T4 和T7 同時開啟的單耗最低，T4 單獨運行次之，之后排位分別為T3 和T6，T7，T3，T6。

6 結(jié)語

總結(jié)上述案例綜合分析可知：

當(dāng)T 泵站只開啟一臺泵供2 家水廠時，日供水量在30 萬m3左右，T2 泵優(yōu)先于T4 泵。

當(dāng)T 泵站只開啟一臺泵供2 家水廠時，日供水量在20 萬-30 萬m3左右，T4 泵優(yōu)先于T2 泵。

當(dāng)供水量須頻繁變動須開啟變頻調(diào)速機泵時T 泵站開啟T4 機泵的經(jīng)濟效益高于T7 機泵。

如日供水廠量在20 萬m3以上，同時開啟T4#和T7#兩臺變頻調(diào)速的經(jīng)濟效益比只開啟T2 或者T4 一臺機組更經(jīng)濟高效。

經(jīng)過多次測算比較后，在滿足下游水廠水量時，同時開啟T4 和T7 機泵比同時開啟T3、T6 機泵更具有經(jīng)濟效益。

T4 機泵機組改造成變頻機組后運行，極大地平衡了T泵站兩路供電與供水能力，很有效地提高了機泵的利用率，大大優(yōu)化了機泵搭配的選擇性?？筛鶕?jù)W 支線以及L支線水量的需求選擇性的開啟合適的機泵機組，根據(jù)變頻機泵的特性曲線，根據(jù)實際下游水廠的需求，合理選擇最高效的機泵起到了節(jié)能降耗的作用，以及大大減少了在能耗電費上的支出。