仁怀共和泵站节能技术分析

范小娟，任启淼，郑录艳，宋培培

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550000)

仁怀共和泵站节能技术分析

范小娟，任启淼，郑录艳，宋培培

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550000)

以仁怀共和泵站为例对泵站型式、水泵参数、水泵布置等进行分析设计，选择高效水泵泵型、低耗能机组运行方式，在泵站设计中体现了节能因素。进一步对仁怀共和泵站相关参数进行分析比较，最终确定泵站型式为排架式泵站，泵型采用效率较高的长轴深井泵，机组均采用变频运行方式。通过对泵站进行节能技术分析设计，有效降低了泵站运行成本，对供水系统的全局节能具有重大意义。

泵站；节能技术；水泵

水泵是供水系统中主要的耗能设备，因此选择合适的水泵对提高整个系统运行效率、降低系统耗电量至关重要[1]。降低水泵的电耗包括选择高效率水泵泵型、选择合理的水泵运行方式[2]。

工程前期规划阶段，需水预测具有一定超前性，一般对某一区域用水的最终用水规模预测值偏大；且泵站需考虑不同时段用水变化情况，因此泵站供水流量都考虑有一定余量，以满足用水高峰期的用水水量；在对水泵进行选型时要综合考虑工程的供水需求、高峰期用水状况、年利用时间、常年运行工况等因素。

水泵运行方式主要包括工频运行方式、变频运行方式。工频运行有两种方式调节流量，一是通过开启关闭水泵台数来控制泵站总的提水流量。通过台数调节流量适用于台数较多的泵站，若泵站台数较少，则此方式效果不明显。二是在提水总管上设置调流阀门控制泵站提水流量。设置调流阀会增大水流阻力，改变水泵管路特性曲线，使水泵工况点发生变化，达到调节流量的目的，此方法会有一定的能源浪费。变频运行有两种方式，一是增加变频器，通过变频器调节机组转速达到调流目的，此方式较为普遍；二是直接使用变频电机，变频电机可以设置有几档转速，以此调节机组运行工况达到调流目的。

综合以上因素，水泵节能技术主要包括依据工程功能及需求合理选择水泵泵型、合理选用水泵运行方式。本文以仁怀共和泵站为例，对水泵节能技术进行分析说明。

1 设计流量

由受水区与水库相对位置，经技术经济比较后确定仁怀共和泵站为库内泵站，泵站通过长2080 m的输水管线将水提至762.0 m的高位水池，高位水池后通过管道重力流输水至水厂。本工程水库水位变幅较大，最高运行水位为634.89 m，设计运行水位为606.18 m，最低运行水位为605 m，水库水位变幅约30 m。

1.1 年供水量

本工程设计水平年为2020年，参考用水区域的供水现状、区域内水利规划、需水预测、再生水利用规划等参数，对其进行分析计算，推测2020年受水区所需的年缺水量，并以此数据为依据进行泵站参数设计。依据上述参数，本工程受水区年缺水量确定为1314万m3。

依据供需平衡分析，受水区的年缺水量即水厂每年所需的供水量，则水厂年供水量为1314万m3。泵站年供水量与水厂年供水量关系如下：

W1=W2×(1+η1)/(1-η2)

(1)

式中：W1为泵站年供水量，万m3；W2为水厂年供水量，万m3；η1为水厂自用水损失系数；η2为管道输水损失系数。

水厂年供水量1314万m3是指到达末端水厂时的水量，本工程采用管道输水，考虑管道输水损失、自来水厂用水损失等因素，泵站供水量应考虑一定余量以满足末端的用水需求。本工程管道输水损失系数按3%计，水厂自用水损失系数按4%计。由式(1)可知，泵站年供水量为1408.8万m3。

1.2 设计流量

泵站设计流量根据设计水平年供水对象的用水量、日变化系数等综合确定。设计流量计算公式如下：

Q=k×W1×10 000/(3.15×107)

(2)

式中：Q为泵站设计流量，m3/s；k为日变化系数；W1为泵站年供水量，万m3。

本工程泵站年供水量为1408.8万m3，日变化系数取值1.4，由式(2)可推求出泵站设计流量为0.626 m3/s。

2 机组参数

泵站型式主要包括库内泵站、库外泵站。其中，库内泵站主要包括排架式泵站、浮船式泵站、圆筒竖井式泵站；库外泵站为常规地面式泵站。泵站的型式直接影响水泵泵型，因此，在选择水泵泵型前需确定泵站的型式。

2.1 泵站型式

依据工程特点，该泵站为库内泵站，泵站型式主要考虑排架式泵站、浮船式泵站、圆筒竖井式泵站三种。由于水库水位变幅约为30 m，若选用圆筒竖井式泵站，则泵站底板高程需开挖至水库最低水位以下，泵站高度约40 m。该泵站型式存在以下问题：工程开挖量大、泵站厂房防渗处理复杂、机组运行维护不方便、通风麻烦等。因此，本工程不推荐采用圆筒竖井式泵站型式。对浮船式泵站、排架式泵站两种泵站型式进行比较，见表1。

通过对浮船式泵站、排架式泵站的比较，该工程推荐选择排架式泵站。排架式泵站适用的水泵泵型为长轴泵，则仁怀共和泵站水泵泵型选用技术成熟、效率较高的长轴深井泵，水泵型号选用400VY2M。

表1 泵站型式比较表 万元

2.2 水泵台数

水泵台数选择需要综合考虑水泵的制造水平并结合供水水量变化，在满足两者的前提下，宜尽量减少台数，降低运行成本。仁怀共和泵站供水流量为0.626 m3/s，水泵为常规泵型，对于设备的设计制造不存在较大的难度。

初选2台工作泵，1台备用泵，则水泵单泵流量为0.313 m3/s。

2.3 水泵特征扬程

按初选水泵型号及台数，对泵站及管路进行布置设计，并计算相关水头损失[3]。经计算，泵站总水头损失为3.17 m，见表2。水泵特征扬程见表3，可知最低扬程为130.1 m，设计扬程为161.0 m，最高扬程为161.3 m。

2.4 水泵运行方式选择

水泵工频运行特性曲线、水泵变频运行特性曲线如图1、图2所示。

(1)水泵采用工频运行通过台数调节流量。由图1所示，在最低扬程处水泵单泵流量为0.45 m3/s，此时开启一台水泵不能满足泵站总的供水流量，差额为0.176 m3/s；开启两台水泵提水流量过大，差额为0.274 m3/s。且高位水池容积较小，若通过水泵台数调节总供水流量，则水泵开关机较为频繁。

(2)水泵采用工频运行通过增设调流阀调节流量。在最低扬程处需开启两台水泵，通过调节调流阀开度来满足流量需求。由图1所示，两台机在最低扬程处提水流量为0.90 m3/s，若想通过调流阀将提水流量减少至0.626 m3/s，则调流阀开度需做相应调整，通过调流阀调节消耗水能较为浪费，此时管道内水流流态较差，对机组运行也会产生一定影响，因此不建议采用。

表2 水头损失计算成果表

表3 特征扬程计算成果表 m

图1 水泵工频运行特性曲线

图2 水泵变频运行特性曲线

(3)水泵采用变频运行通过变频器调流。在最低扬程处通过调节水泵转速，即调节水泵的性能曲线来调节水泵运行工况点[4]。由图2所示，则每台水泵提水流量为0.313 m3/s，泵站总提水流量满足供水要求。

(4)对水泵工频、变频运行进行比较分析。工程直接投资工频运行方式比变频运行方式节约277万元；但考虑到年运行费用工频运行方式高于变频运行方式，变频运行方式年运行费用节约44万元，见表4。

综合上述因素，仁怀共和泵站水泵推荐采用变频运行方式。

表4 水泵工频、变频运行比较表

2.5 水泵运行工况

2.5.1 管路特性曲线确定

管路水头损失随通过管中的流量的增大而增大，上升曲线即为管路阻力曲线，在净扬程的基础上对应加上管路阻力曲线得到管路特性曲线[5]。管路阻力曲线(h～Q)、最低扬程管路特性曲线(Hmin～Q)、最低高扬程管路特性曲线 (Hmax～Q)见式(3)～(5)。

h=8.1×Q2

(3)

Hmin=H1+h

(4)

Hmax=H2+h

(5)

式中：h为管路水头损失，m；Q为管路流量，m3/s；H1为最低净扬程，m；H2为最高净扬程，m。

由表3可知，泵站最低净扬程为126.9 m，最高净扬程为158.1 m。

2.5.2 水泵运行工况复核

依据工程特点，泵站型式采用排架式泵站，水泵泵型选用长轴深井泵，水泵型号为400VY2M，水泵台数为3台(2用1备)，单泵流量0.313 m3/s；仁怀共和泵站水泵采用变频运行方式。两台水泵并联运行特性曲线如图3所示。

图3 水泵并联运行特性曲线

水库水位处于低水位，水泵提水扬程较高时水泵转速处于高转速档位。由图3所示，此时由最高扬程管路特性曲线(Hmax～Q)、高转速2台泵并联运行特性曲线、高转速水泵运行特性曲线确定水泵运行工况点，此时开启两台泵时单台水泵工作点处于A点。

水库水位处于高水位，水泵提水扬程较低时，由变频器调节水泵转速使水泵转速处于低转速档位；由图3所示，此时由最低扬程管路特性曲线(Hmin～Q)、低转速2台泵并联运行特性曲线、低转速水泵运行特性曲线确定水泵运行工况点，开机两台泵时单台水泵工作点处于B点。

综上分析，水库水位变幅较大时，可通过增加变频器来调节水泵运行特性曲线。水库水位较高时，通过变频器调节水泵机组，使其处于低转速档位，由管路特性曲线及水泵运行特性曲线确定水泵运行工况点，以此实现调节流量的目的。

3 结 论

依据仁怀共和泵站工程相关资料，对泵站提水流量、机组选型、机组运行方式特点进行设计，从而阐述了对水泵的节能设计。通过对泵站进行节能技术分析设计，可有效降低泵站的运行成本，对供水系统的全局节能具有重大意义。

[1] 陈德强,马敬.供水泵站水泵节能改造及其效益分析[J].中国给水排水,2010, 26(16):135-140.

[2] 杨洋,郭仁宁.改善水泵运行的节能技术[J].辽宁工程技术大学学报,2005,24(S2):219-220.

[3] 付英杰.孙家窝铺排水站泵站设计[J].黑龙江水利,2017,3(2):59-63.

[4] 马新华,李娟,桑建国.变频调速在水泵节能技术中的应用研究[J].排灌机械,2006,24(1):34-36.

[5] 栾鸿儒.水泵及水泵站[M].北京:中国水利水电出版社,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

贵州省水利科技经费项目(KT201610)

范小娟(1988-)，女，河南新乡人，助理工程师，主要从事水泵及水泵站研究工作。E-mail: fanxiaojuan528787@163.com。

TV675

A

2096-0506(2017)07-0029-05