连云港某水厂二泵房效率分析研究

刘保超

(连云港市自来水有限责任公司第三水厂，江苏连云港222000)

1 研究背景

水厂是电能消耗大户，其中二级送水泵房又占水厂总用电量的75%以上。对二泵房运行情况进行分析，提高机组的级配运行效率，可有效降低水厂的运营总成本，为下一步泵房运行和改造提供指导，也为即将扩建的水厂的水泵选型提供资料，具有重要的研究意义。

2 二级泵房概况

连云港第三水厂二泵房分为茅口和三水厂2个泵房，其中茅口泵房有4台机组，设计供水能力为10×104m3/d；三水厂泵房有5台机组，设计供水能力为20×104m3/d。正常运行时2座泵房同时向管网供水，供水主管联通。近年来，二泵房陆续更新改造了送水机组7套，新增高压变频器1台，改造后各水泵的具体型号参数见表1。2016—2018年二泵房占全厂电耗的百分比和成本情况见表2，电耗占比分别为77.38%、82.06%和77.95%，占供水总成本的25%以上。

3 研究方法

以第三水厂近3年的实际运行数据为基础，选取典型时段和级配，对水量、水压和电耗等指标进行分析研究。一是分析水泵和机组单独运行时的效率；二是分析研究不同级配下泵房的供水效率，得出高效的机组或级配组合，为日后运行提供依据和指导。

表1 第三水厂二泵房水泵参数Tab.1 Pump parameters of the second pump station of the 3rd Waterworks

表2 2016—2018年第三水厂二泵房电耗 Tab.2 Electricity consumption of the second pump station of the 3rd Waterworks from 2016 to 2018

选择数据时，单台机组工况分析尽量选择可以单独计量的运行时段，选取瞬时值和累计值进行混合分析，以反应真实的运行情况，其中供水压力采用统计时段平均值。

4 结果与讨论

4.1 机组单独运行时的效率分析

二泵房9台机组的效率情况见表1。可以看出，茅口二泵房的机组效率较高，水泵效率均在90%以上，机组效率大部分在85%以上，1#机组由于电机功率因数较低，导致机组效率和水泵效率相差较大。三水厂二泵房共5台机组，其中5#机组为调配机组，从未独立运行，不做单独分析；7#机组未改造，效率较低，近几年开机率低，未做分析。三水厂二泵房的其他3台主力机组平均效率在75%左右。

2座泵房向同一个管网供水，管网特性一致，但其机组平均效率相差10%左右。分析原因可能是在改造泵选型时，茅口二泵房的额定扬程为41、42 m，而三水厂的额定扬程为45 m。实际运行时，泵出口压力常年在41 m左右，茅口二泵房运行在额定高效顶点，三水厂二泵房则运行在高效点右侧，效率略低。

4.2 8#机组变频运行工况分析

为方便管网调压，提高运行效率，2018年下半年对8#机组进行了变频改造。统计了2018年10—12月8#机组的工况，核算出其频率-水泵平均效率情况，见图1。

图1 8#水泵变频情况下的效率曲线 Fig.1 Efficiency curve of the 8# pump with frequency conversion

由图1可知，水泵效率随频率呈抛物线变化，存在最高效率点。变频运行提高水泵效率，主要利用相似原理改变水泵特性曲线以适应管路[1]，扩展了水泵的高效运行区间，因而不同管路与水泵系统存在不同的高效频率范围。统计的供水单位电耗也存在相似规律，见图2。由图1和图2可知，在三水厂二泵房所处的管路系统中，8#机组在45 Hz左右运行时效率最高，在42～48 Hz之间运行时效率高于工频，建议变频器在此频率范围运行。

图2 8#水泵变频情况下的电单耗曲线 Fig.2 Electric unit consumption curve of the 8# water pump with frequency conversion

根据2018年的数据，8#机组工频平均效率为75.52%，变频平均效率为76.98%，效率提高。若按照每年运行200 d计算，每年可节电约3.8×104kW·h。

4.3 不同机组级配情况下的效率分析

茅口二泵房的效率较高，为发挥茅口二泵房机组的最大供水能力，常年开2#和3#机组，只在检修维护时停机。因此重点分析三水厂二泵房的级配效率，以降低能耗。三水厂不同级配条件下的供水效率和电单耗见表3，其中7#机组因未改造，效率较低，只在其他机组检修时开启，不做讨论。

表3 三水厂二泵房机组不同级配条件下的效率情况Tab.3 Efficiency of units in second pump station of the San Waterworks under different gradation conditions

由表3可知，8#和9#机组并联运行的效率最高，达到81.05%，同时开启茅口2#和3#机组保证供水压力(0.4 MPa)，最大供水流量约为11 500 m3/h。

4.4 变频和定频泵并联运行分析

同一泵房内，机组额定扬程一般相同且高于运行压力。变频泵和定频泵并联运行时，变频泵特性曲线左移，定频泵特性曲线右移以达到管路特性点；或调节定频泵出口阀门与变频泵共同达到管路特性点，2种情况下均会浪费电能[2]。

讨论机组组合效率时，统计了8#机组和其他机组并联时的运行效率。6#+8#工频、6#+8#变频和9#+8#工频、9#+8#变频组合的效率分别为76.41%、76.97%和79.16%、81.05%，表明两定的运行效率小于一定一变。据报道[2]全变频效率高于定变组合的方式，即两定<一定一变<两变。

4.5 月度平均供水电耗分析

此外，对2017年和2018年的月平均供水电耗进行了分析，如图3至图6所示。

根据近2年的运行情况，泵房配水单耗和泵出口压力呈正相关，即泵出口压力越大，配水单耗越高；但从综合单耗曲线可知，综合单耗和泵出口压力呈负相关，即泵出口压力越大，机组效率越高。结合运行日志还可以发现，不同机组级配对供水单耗也有一定影响。

因此，分析可知：①配水电单耗随管网压力增大而升高；②由于机组额定扬程高于运行工况，泵出口压力越大，机组效率越高；③泵房效率与机组级配有关。

图3 2017年泵房综合电耗Fig.3 Comprehensive power consumption of pump station in 2017

图4 2018年泵房综合电耗 Fig.4 Comprehensive power consumption of pump station in 2018

图5 2017年泵房配水电耗 Fig.5 Electricity consumption of water distribution of pump station in 2017

图6 2018年泵房配水电耗 Fig.6 Electricity consumption of water distribution of pump station in 2018

5 结语

① 二泵房机组改造后，三水厂二泵房的机组效率在75%以上，茅口二泵房达到85%以上。茅口二泵房机组的运行工况更接近额定点，效率明显高于三水厂二泵房。建议机组选型时，额定点尽量接近管路的日常运行工况，远期可采用更换机组或中途加压方式解决扬程备用不足问题。

② 三水厂增加1台变频后，单独或组合运行时电耗均有所降低，变频运行最佳频率为42～48 Hz。变频调压还方便了运行管理，根据2018年11和12月的运行日志，统计发现工频运行和变频运行时，开停泵次数由8.8次/d降至2.4次/d。为进一步优化泵房运行工况，建议下一步对6#机组进行高压变频改造。

③ 传统的供水泵站设计时采用大小泵配合，可以实现不同工况条件下的高效运行，但开停泵次数多，对操作人员要求高。随着变频技术的发展，同一型号、全变频机组配置逐步成为大型泵站设计的趋势。

④ 通过对水厂供水泵站运行情况的分析，找到运行特点，有针对性地进行改造并进一步分析改造后的运行工况，使机组运行更合理、精细和高效，是水厂技术管理人员必须开展的工作之一。