仁懷共和泵站節能技術分析

范小娟，任啟淼，鄭錄艷，宋培培

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550000)

仁懷共和泵站節能技術分析

范小娟，任啟淼，鄭錄艷，宋培培

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550000)

以仁懷共和泵站為例對泵站型式、水泵參數、水泵布置等進行分析設計，選擇高效水泵泵型、低耗能機組運行方式，在泵站設計中體現了節能因素。進一步對仁懷共和泵站相關參數進行分析比較，最終確定泵站型式為排架式泵站，泵型采用效率較高的長軸深井泵，機組均采用變頻運行方式。通過對泵站進行節能技術分析設計，有效降低了泵站運行成本，對供水系統的全局節能具有重大意義。

泵站；節能技術；水泵

水泵是供水系統中主要的耗能設備，因此選擇合適的水泵對提高整個系統運行效率、降低系統耗電量至關重要[1]。降低水泵的電耗包括選擇高效率水泵泵型、選擇合理的水泵運行方式[2]。

工程前期規劃階段，需水預測具有一定超前性，一般對某一區域用水的最終用水規模預測值偏大；且泵站需考慮不同時段用水變化情況，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；在對水泵進行選型時要綜合考慮工程的供水需求、高峰期用水狀況、年利用時間、常年運行工況等因素。

水泵運行方式主要包括工頻運行方式、變頻運行方式。工頻運行有兩種方式調節流量，一是通過開啟關閉水泵臺數來控制泵站總的提水流量。通過臺數調節流量適用于臺數較多的泵站，若泵站臺數較少，則此方式效果不明顯。二是在提水總管上設置調流閥門控制泵站提水流量。設置調流閥會增大水流阻力，改變水泵管路特性曲線，使水泵工況點發生變化，達到調節流量的目的，此方法會有一定的能源浪費。變頻運行有兩種方式，一是增加變頻器，通過變頻器調節機組轉速達到調流目的，此方式較為普遍；二是直接使用變頻電機，變頻電機可以設置有幾檔轉速，以此調節機組運行工況達到調流目的。

綜合以上因素，水泵節能技術主要包括依據工程功能及需求合理選擇水泵泵型、合理選用水泵運行方式。本文以仁懷共和泵站為例，對水泵節能技術進行分析說明。

1 設計流量

由受水區與水庫相對位置，經技術經濟比較后確定仁懷共和泵站為庫內泵站，泵站通過長2080 m的輸水管線將水提至762.0 m的高位水池，高位水池后通過管道重力流輸水至水廠。本工程水庫水位變幅較大，最高運行水位為634.89 m，設計運行水位為606.18 m，最低運行水位為605 m，水庫水位變幅約30 m。

1.1 年供水量

本工程設計水平年為2020年，參考用水區域的供水現狀、區域內水利規劃、需水預測、再生水利用規劃等參數，對其進行分析計算，推測2020年受水區所需的年缺水量，并以此數據為依據進行泵站參數設計。依據上述參數，本工程受水區年缺水量確定為1314萬m3。

依據供需平衡分析，受水區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m3。泵站年供水量與水廠年供水量關系如下：

W1=W2×(1+η1)/(1-η2)

(1)

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

水廠年供水量1314萬m3是指到達末端水廠時的水量，本工程采用管道輸水，考慮管道輸水損失、自來水廠用水損失等因素，泵站供水量應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按3%計，水廠自用水損失系數按4%計。由式(1)可知，泵站年供水量為1408.8萬m3。

1.2 設計流量

泵站設計流量根據設計水平年供水對象的用水量、日變化系數等綜合確定。設計流量計算公式如下：

Q=k×W1×10 000/(3.15×107)

(2)

式中：Q為泵站設計流量，m3/s；k為日變化系數；W1為泵站年供水量，萬m3。

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

2 機組參數

泵站型式主要包括庫內泵站、庫外泵站。其中，庫內泵站主要包括排架式泵站、浮船式泵站、圓筒豎井式泵站；庫外泵站為常規地面式泵站。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

依據工程特點，該泵站為庫內泵站，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挖至水庫最低水位以下，泵站高度約40 m。該泵站型式存在以下問題：工程開挖量大、泵站廠房防滲處理復雜、機組運行維護不方便、通風麻煩等。因此，本工程不推薦采用圓筒豎井式泵站型式。對浮船式泵站、排架式泵站兩種泵站型式進行比較，見表1。

通過對浮船式泵站、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軸泵，則仁懷共和泵站水泵泵型選用技術成熟、效率較高的長軸深井泵，水泵型號選用400VY2M。

表1 泵站型式比較表 萬元

2.2 水泵臺數

水泵臺數選擇需要綜合考慮水泵的制造水平并結合供水水量變化，在滿足兩者的前提下，宜盡量減少臺數，降低運行成本。仁懷共和泵站供水流量為0.626 m3/s，水泵為常規泵型，對于設備的設計制造不存在較大的難度。

初選2臺工作泵，1臺備用泵，則水泵單泵流量為0.313 m3/s。

2.3 水泵特征揚程

按初選水泵型號及臺數，對泵站及管路進行布置設計，并計算相關水頭損失[3]。經計算，泵站總水頭損失為3.17 m，見表2。水泵特征揚程見表3，可知最低揚程為130.1 m，設計揚程為161.0 m，最高揚程為161.3 m。

2.4 水泵運行方式選擇

水泵工頻運行特性曲線、水泵變頻運行特性曲線如圖1、圖2所示。

(1)水泵采用工頻運行通過臺數調節流量。由圖1所示，在最低揚程處水泵單泵流量為0.45 m3/s，此時開啟一臺水泵不能滿足泵站總的供水流量，差額為0.176 m3/s；開啟兩臺水泵提水流量過大，差額為0.274 m3/s。且高位水池容積較小，若通過水泵臺數調節總供水流量，則水泵開關機較為頻繁。

(2)水泵采用工頻運行通過增設調流閥調節流量。在最低揚程處需開啟兩臺水泵，通過調節調流閥開度來滿足流量需求。由圖1所示，兩臺機在最低揚程處提水流量為0.90 m3/s，若想通過調流閥將提水流量減少至0.626 m3/s，則調流閥開度需做相應調整，通過調流閥調節消耗水能較為浪費，此時管道內水流流態較差，對機組運行也會產生一定影響，因此不建議采用。

表2 水頭損失計算成果表

表3 特征揚程計算成果表 m

圖1 水泵工頻運行特性曲線

圖2 水泵變頻運行特性曲線

(3)水泵采用變頻運行通過變頻器調流。在最低揚程處通過調節水泵轉速，即調節水泵的性能曲線來調節水泵運行工況點[4]。由圖2所示，則每臺水泵提水流量為0.313 m3/s，泵站總提水流量滿足供水要求。

(4)對水泵工頻、變頻運行進行比較分析。工程直接投資工頻運行方式比變頻運行方式節約277萬元；但考慮到年運行費用工頻運行方式高于變頻運行方式，變頻運行方式年運行費用節約44萬元，見表4。

綜合上述因素，仁懷共和泵站水泵推薦采用變頻運行方式。

表4 水泵工頻、變頻運行比較表

2.5 水泵運行工況

2.5.1 管路特性曲線確定

管路水頭損失隨通過管中的流量的增大而增大，上升曲線即為管路阻力曲線，在凈揚程的基礎上對應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)、最低揚程管路特性曲線(Hmin～Q)、最低高揚程管路特性曲線 (Hmax～Q)見式(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為最低凈揚程，m；H2為最高凈揚程，m。

由表3可知，泵站最低凈揚程為126.9 m，最高凈揚程為158.1 m。

2.5.2 水泵運行工況復核

依據工程特點，泵站型式采用排架式泵站，水泵泵型選用長軸深井泵，水泵型號為400VY2M，水泵臺數為3臺(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行方式。兩臺水泵并聯運行特性曲線如圖3所示。

圖3 水泵并聯運行特性曲線

水庫水位處于低水位，水泵提水揚程較高時水泵轉速處于高轉速檔位。由圖3所示，此時由最高揚程管路特性曲線(Hmax～Q)、高轉速2臺泵并聯運行特性曲線、高轉速水泵運行特性曲線確定水泵運行工況點，此時開啟兩臺泵時單臺水泵工作點處于A點。

水庫水位處于高水位，水泵提水揚程較低時，由變頻器調節水泵轉速使水泵轉速處于低轉速檔位；由圖3所示，此時由最低揚程管路特性曲線(Hmin～Q)、低轉速2臺泵并聯運行特性曲線、低轉速水泵運行特性曲線確定水泵運行工況點，開機兩臺泵時單臺水泵工作點處于B點。

綜上分析，水庫水位變幅較大時，可通過增加變頻器來調節水泵運行特性曲線。水庫水位較高時，通過變頻器調節水泵機組，使其處于低轉速檔位，由管路特性曲線及水泵運行特性曲線確定水泵運行工況點，以此實現調節流量的目的。

3 結 論

依據仁懷共和泵站工程相關資料，對泵站提水流量、機組選型、機組運行方式特點進行設計，從而闡述了對水泵的節能設計。通過對泵站進行節能技術分析設計，可有效降低泵站的運行成本，對供水系統的全局節能具有重大意義。

[1] 陳德強,馬敬.供水泵站水泵節能改造及其效益分析[J].中國給水排水,2010, 26(16):135-140.

[2] 楊洋,郭仁寧.改善水泵運行的節能技術[J].遼寧工程技術大學學報,2005,24(S2):219-220.

[3] 付英杰.孫家窩鋪排水站泵站設計[J].黑龍江水利,2017,3(2):59-63.

[4] 馬新華,李娟,桑建國.變頻調速在水泵節能技術中的應用研究[J].排灌機械,2006,24(1):34-36.

[5] 欒鴻儒.水泵及水泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

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

貴州省水利科技經費項目(KT201610)

范小娟(1988-)，女，河南新鄉人，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