青草沙水库长兴泵站运行模式探讨

奚培荣 李国俊

摘 要：本文介绍单级卧式双吸离心泵效率的计算方法，阐述影响离心泵效率的因素。结合青草沙水库长兴泵站在不同运行模式下的实际工况，参照国标，根据机泵运行数据，计算水泵及变频器运行效率，核算水泵选配电机功率。比较长兴泵站在不同运行模式下，机泵运行的效率、泵口压力及流速。继而判断水泵是否运行在高效区内，选择合适的运行模式，兼顾安全与节能，从而达到节能降耗的目的。通过不同运行模式的比较，将其他运行模式作为技术储备，科学合理地安排长兴泵站的运行管理。

关键词：离心泵 水泵效率 比转速 轴功率 运行模式

中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（b）-0000-00

上海市科学技术委员会科研计划项目中课题编号为14231200401项目内论文

0 前言

泵站担负着城市生产和生活供水的重要任务，在运行过程中消耗了大量电能。提高泵站的运行效率，可以节省日常运行的能耗。但在泵站运行中，供水量并不是一成不变的，泵站不可能始终处于最优的运行状态。通过运行方式的改变，使水泵尽量运行在高效区。

1 离心泵轴功率与电机功率

离心泵在实际运转过程中由于存在容积损失（泄露损失）、水力损失（水流在水泵内的摩阻、冲击损失）和机械损失（转动的叶轮和泵轴同固定泵壳等轴承的摩擦损失），造成了水泵效率的降低。

1.1 水泵效率

水泵效率是指泵的有效功率和轴功率之比。即。泵的功率通常指输入功率，即原动机传到泵轴上的功率，故又称轴功率，用P表示。

（1）

有效功率即泵的扬程和质量流量及重力加速度的乘积，用Pe表示。

（4）

ρ—泵輸送液体的密度（kg/m3）

g—重力加速度（m/s2）

H—提升液体高度（m）

Q—流量（m？/h）

1.2配套的电机功率

（2）

式中：N电机—配套电机功率（kw）

K—备用系数

N轴—水泵轴功率（kw）

备用系数也称富裕系数，它考虑了电机的机械效率等因素，其值随轴功率而异，一般可查表获得，见表1。

表1 K值的取值

N轴（kw）

<1

1～2

2～5

5～10

10～25

25～60

60～100

>100

K

1.7

1.7～1.5

1.5～1.3

1.3～1.25

1.25～1.15

1.15～1.1

1.1～1.08

1.08～1.05

2 离心泵的效率

2.1离心泵的效率标准

国家标准《离心泵效率》GB/T13007-2011规定了离心泵的效率标准，见表2。需要说明的是表2中A栏数值为水泵效率最高点，B栏数值为高效区临界点效率，超出临界点，水泵效率下降很快。表中的效率值是比转速在ns=120～210的数值。

表2 单级离心泵效率

Q，m？/h

1000

1500

2000

3000

4000

5000

6000

7000

η

A

85.7

86.6

87.2

88

88.6

89

89.2

89.5

B

78.7

76.6

77.2

78

78.6

78.9

79.2

79.4

2.2 比转速

水泵的比转速是体现水泵性能的重要参数，它与流量Q、扬程H、转速n有关，对于离心泵而言，比转速在120～210之间时，水泵效率最高。

比转速ns计算公式：

（3）

式中：Q—流量（m？/s）

H—扬程（m）

n—转速（r/min）

从公式（3）可知，比转速随扬程H增大而减小，随流量增大而增大，说明低比转速时，水泵扬程高、流量小；而高比转速时，水泵流量大、扬程低。

3 水泵效率计算

3.1 配套电机的选取

实例 青草沙水库长兴泵站采用卧式中开双吸离心泵，转速为740转/分，流量为3418m？/h，水泵设计效率88.2%，扬程为15.8m，求其水泵效率、轴功率和电机功率。

（1）求比转速ns

（2） 查《离心泵效率》中修正值ns=332，=3%（查GBT 13007-2011，因比转速ns取值范围为20～300，我们取比转速ns=300的对应修正值3%）

则

（3） 因此轴功率

查配套电机功率

长兴泵站水泵配套电机功率为200kw，与我们的计算值较为接近。

3.2 不同运行模式的比较

运行模式1（单泵单管） 青草沙水库长兴泵站某时采用单泵单管运行，调频30hz，流量2380m？/h，扬程4.8m，求此工况时水泵效率、轴功率。

（1）

（2）查得此工况下，变频器输出功率为37.6kw。

（3） 则此工况下水泵效率

（4） 查得此工况下，断路器输出功率为44kw，则变频器效率为

（5）从电源输入→变频器→电动机→水泵→出水，整个供水工艺的总效率为，计算结果见表3

表3 单泵单管运行模式效率计算值

有效功率Pe 变频器功率 P变频器 水泵效率η 变频器效率η 总效率η

31.1kw 37.6kw 82.7% 85.5% 70.7%

运行模式2（双泵单管） 青草沙水库长兴泵站某时采用双泵单管运行，两台机泵调频均为23hz，流量2170m？/h，扬程4.2m，此工况时水泵效率、轴功率。

根据上述计算方法，计算结果见表4

表4 双泵单管运行模式效率计算值

有效功率Pe 变频器功率 P变频器 水泵效率η 变频器效率η 总效率η

24.8kw 16.4*2 75.6% 78.1% 59.1%

运行模式3（双泵双管） 青草沙水库长兴泵站某时采用双泵双管运行，两台机泵调频分别为21hz、22hz，流量2344m？/h，扬程分别为3.36m、3.57m，此工况时水泵效率、轴功率。

根据上述计算方法，计算结果见表5

表5 双泵双管运行模式效率计算值

有效功率Pe 变频器功率 P变频器 水泵效率η 变频器效率η 总效率η

22.1kw 27kw 81.8% 83.1% 68%

目前长兴水厂需水量稳定在48000m？/d，与设计供水规模相差较大。三种不同运行模式下，流量、流速、压力计算值，见表6

表6不同运行模式下流量、流速、压力计算值

流量（m？/h） 流速（m/s） 压力（m）

单泵单管 2380 0.58 4.8

双泵单管 2170 0.53 4.2

双泵双管 2344 0.29 3.36

DN1200×2原水输水管能够满足各种工况的原水供应要求，各工况下的流速基本在合理范围内。但长兴支线2根DN1200原水管线若同时运行，则流速太小，原水管线内容易产生淤积。

3.3 运行模式的比较

通过对上述三种不同运行模式下，水泵效率、变频器效率、流速等的计算。水泵高效区范围大致在水泵最高效率的90%，按照目前供水水量，只有单泵单管运行模式下达到水泵高效区；由于长兴泵站配套变频器为260kw，目前因供水量较小，机泵负载较轻，整流损耗、逆变损耗占比较多，造成了变频器效率较低（一般效率为90%～95%）。三种运行模式优缺点见表7

表7 方案比较表

运行模式

比较

运行模式1

（单泵单管）

运行模式2

（双泵单管）

运行模式3

（双泵双管）

优点

1、水泵效率高

2、较为节能

供水可靠性高

1、供水可靠性高

2、水泵及变频器

效率相对较高

缺点

突发跳电故障，

将导致短时断水，安全可靠性低。

1、水泵及变频器

效率较低

2、为防止形成管道内死水，需隔天换泵换管运行。

管道内流速太低（0.28m/s），容易造成管道淤积。

综上，随着今后水量增加，水泵负载增大，变频器效率也将得以提高。作为供水企业，供水安全性、可靠性应摆在首位。

通过比较，认为运行模式3（双泵双管）较为合适。

参考文献

[1] 《離心泵效率》GB/T 13007-2011

[2] 马信国，选泵中效率计算问题—选泵的节能技术

[3] 上海城投原水有限公司原水调度中心，《长兴支线调试方案》