水源更换对自来水厂进水泵房给水泵的影响

2021-03-18

现代农机 2021年2期

（浙江同济科技职业学院机械与电气工程学院，310014，浙江杭州）

随着城市迅速发展以及产业、人口积聚，杭州市城市供水需求不断增加，近几年来日均供水量增速达10%，提升水资源的水质、提高供水保障能力成为必然。伴随着千岛湖、钱塘江等多水源供水，杭州市城市居民的饮水品质和供水安全得到提高，同时对水泵的性能要求也越来越高，设备的精密度也就越来越高。通过水源更换对设备的影响分析，同时将科学发展观作为引导，向节能减排目标发展，对杭州市清泰水厂进水泵房给水泵进行设计、更新改造，提升给水泵的使用效率。孙文龙通过对水泵各个部件的介绍和水质对设备的影响分析，提高了人们对这一部分的认识，从而提高了工作意识和能尽快找出问题所在[1]。近年来，在国内外研究者的不断努力下，水泵机组的可靠性及水泵性能的影响分析、进水泵房区域优化改造等方面的研究都取得了很大的成果，充分发挥其功能和效益[2-3]。

目前对自来水厂给水影响分析大多停留在制水工艺优化方面，对于水质提升对自来水厂内相关设备的影响研究欠缺。随着杭州市第二水源千岛湖配水工程的实施，实现了千岛湖、钱塘江等多水源供水，从根本上提高了杭州市主城区的饮水品质和供水安全[4]。水质提升后，有必要对设备的设计、更新改造进行研究。本文以杭州市清泰水厂进水泵房给水泵作为研究对象，通过对水源变化的理论研究和实验分析，研究了水质提升对水泵及相关设备的影响，并提出了在该水源下最佳的水泵选型设计。

1 水源情况

1.1 供水水源情况分析

为解决城市供水水源单一、应对水源突发污染事故能力低的问题，保障居民饮用水的安全和改善供水水质，杭州市委市政府开辟千岛湖作为新的水源。本次研究针对该水厂形成千岛湖、钱塘江两种水质不同水源的供水情况，结合厂内日供水量实际情况，提出符合该自来水厂条件的给水泵的选型设计、更新改造。杭州市主城区五大水厂的水源地及水厂状况见表1。

表1 杭州市主城区五大水厂供水情况

由表1 得知：杭州市主城区共有五大水厂，合计日供水量为170 万m3；清泰水厂共有7 台给水泵，日供水量为30 万m3，由钱塘江为单一水源供应，转变为以千岛湖为主、钱塘江为辅多水源供水，水质由轻度富营养转变为贫营养。

1.2 供水水源水质情况

目前，千岛湖水源引入后，清泰水厂多数时候把千岛湖作为水源，偶尔选择钱塘江水源，2020 年7 月在给水泵房分别取用两水源时，对两水源原水水质进行6 次取样测试，其主要水质指标见表2。

（1）浊度方面，千岛湖水源的平均浊度为2 NTU，远小于钱塘江水源的平均浊度64 NTU；亚硝酸盐体积质量，千岛湖水源为0.008 mg/L，远小于钱塘江水源的0.079 mg/L；耗氧量与需氯量方面，千岛湖水源均低于钱塘江水源；总大肠菌数，千岛湖水源平均值为240 CFU/mL，远低于钱塘江水源。

（2）钱塘江为江河水，水中有机物含量高，水质波动大，泥沙含量也高；千岛湖水属于湖泊水，水质清澈、稳定，其原水水质大大优于钱塘江的水质，同时在使用千岛湖原水时会减少药剂的投加量[5]。

表2 两种供水水源水质化验情况

2 水源更换对进水泵房给水泵的影响

2.1 给水泵的相关技术参数

清泰水厂的水源更换为千岛湖水源之前，进水泵房原给水泵已经运行长达8 年之久，设备已出现老化，技术人员通过使用BSC-3 手持式泵效率速测仪器对1#～5#给水泵效率测试，水泵效率下降到只有60%左右。另外钱塘江水源水质较低，已经对水泵造成空蚀、气蚀等伤害，因此给水泵出现偏离高效区运行的现象。

给水泵的技术参数主要是流量和扬程，水泵的选型设计要保证其流量和扬程能满足实际的生活和生产需求，并确保水泵能在高效区域长期稳定运行，满足节能减排降耗的经济运行要求。实际上，自来水厂进水时会涉及到多台水泵同时运行，不仅要考虑单台水泵的运行效率，还要考虑多台水泵在并联工作时也能高效运行[6]；因此需要对给水泵的整体运行效果进行综合考虑，避免水泵在实际生产运行中出现过载、空蚀、气蚀等问题，满足运行管理要求。

2.2 变频调速在水泵中的运用

清泰水厂日供水量为30 万m3，进水泵房由1# 进水泵房和2# 进水泵房两部分组成。1# 进水泵房装设有1#～5# 给水泵；2# 进水泵房装设有6# 和7# 给水泵，均为直接启动水泵，平时作为备用泵。根据清泰水厂供水要求，在用水低峰期2 台并联的水泵运行就可以满足供水量。用水高峰期要3 台或者3 台以上给水泵同时运行才能达到用水要求。通过分析研究给水泵的变频调速原理，根据外部需求要求给水泵调速运行，因此将1#～5#机组设计为变频机组[7]。对1#进水泵房由长沙水泵厂生产的5 台32SA-19D 老离心泵进行报废，对给水泵重新选型设计，选择卧式双吸离心泵，重新选型设计的1#～5#给水泵相关参数如表3。

对进水泵房给水泵重新选型设计后，清泰水厂为保证供水量，预设有两套运行方案：①用水高峰期，运行3 台给水泵，补充流量时开启6#或者7#给水泵；用水低峰期，运行2 台给水泵，补充流量时再开启1 台。其余作为备用水泵。

2.3 对水泵叶轮的影响

拆下原离心泵叶轮发现，水泵叶轮进口处发生严重的空蚀。研究表明，钱塘江水源中含有大量体积较小的气体微团及固体颗粒，例如尘土、泥沙、有机物等。压力下降时，水由于没有了抗张能力就会发生空化，在叶轮表面崩溃产生水击，使材料出现疲劳破坏，发生空蚀的现象[8]。而水泵叶轮发生空化现象与叶轮的形状设计相关，特别是叶片的设计。鉴于之前水泵叶轮已发生严重空蚀和气蚀，因此选用新的给水泵对提高给水泵抗空化的能力有很大的意义。

2.3.1 原设计给水泵特性曲线分析

根据设计要求，清泰水厂新的给水泵实际扬程为9.2 m，流量为3 500 m3/h。根据给水泵的检测报告，并按ISO 9906-1999 要求，该选型设计的给水泵扬程与实际扬程对比发现，五台给水泵都达到了检测标准，给水泵的选型满足要求。

在实际运行生产过程中经流量计测出，给水泵实际运行时的流量平均达到4 312 m3/h，高出原设计流量约13.5%，表明设计的给水泵实际运行工况与原设计工况不符。对应图1 给水泵的特性曲线可知，给水泵实际生产运行的工况点在特性曲线的右下端，不在泵的高效区，超过给水泵可接受的范围会造成水泵发生一些故障，因此对新选用的给水泵进行再设计改造。

根据管路现状及通过经济技术比较，选用切削叶轮的方式改变给水泵的特性曲线，使新的工况点处于高效区域内，确保给水泵安全生产运行。

2.3.2 给水泵切削方案的确定

（1）由相似定律确定水泵叶轮直径切削量[9]。根据相似定律：

式中：H 为切削前泵的扬程；H1切削后泵的扬程；D 为切削前叶轮直径；D1为切削后叶轮直径。

由于水源更换，水质提升，进水量必然会增多，在实际生产运行中，将会有多台水泵并联运行。因此，重新确认给水泵新的工况点：水位为5.15 m，即扬程为9.2 m，流量约为3 500 m3/h。将H=13 m，H1=9.2 m，D=700 mm 代入上式计算：D1=588 mm。

通过流量验算，根据切削调节验算公式计算出切削后的流量不能满足新的工况要求，即切削后的叶轮直径不能满足要求。

（2）由流量需求确定叶轮切削量[9]。流量与叶轮关系公式：

式中：Q 为切削前在新扬程下泵的流量；Q2为切削后在新扬程下泵的流量；D 为切削前叶轮直径；D2为切削后叶轮直径。

在原设计扬程H=9.2 m 时，切削前Q=3 500 m3/h，经过公式计算：D2=700×3 500/3 800=645 mm。计算切削量：ΔD=D-D2=700-645=55 mm。综合考虑在实际运行生产过程中会出现磨损等现象，最终确定叶轮实际切削量为40 mm，则切削后叶轮的直径为660 mm。对再设计改造后的3#给水泵进行试运行生产试验，见表4，新设计的给水泵满足流量要求。

表4 3#给水泵单台试车情况

2.4 对其他相关设备的影响

千岛湖水的引入，提高了水源的质量。钱塘江作为辅助水源水质不好会对给水泵造成伤害，如果水泵入口的滤网过粗或者过细都会对水泵造成影响。当给水泵滤网布过粗时，水中的颗粒物会进入到水泵内，易造成叶轮磨损；若给水泵滤网布过细会导致水泵入口阻力大，水泵入口的流量减小，叶轮易产生气蚀，严重情况下水泵机械密封出现过热磨损甚至卡死。因此滤网规格按照要求选择使用[11]。

进水泵房从原水取水离不开阀门的使用，对于阀门的选用主要考虑阀门的类型、控制方法[11]。原水取水阀门的特点是阀门口径比较大，且无需经常性操作，根据检修要求一般一年或者几年进行操作检修一次，因此阀门常态下是处于常开或者常闭的状态。这次水源更换时，在对进水泵房给水泵进行设计的基础上对阀门也进行重新选择。由于闸阀的水头损失低于蝶阀，因此头部阀门选择闸阀，闸阀的口径选择1 200～1 600 mm，控制方法选择手动类型。给水泵的出口阀门选择液控蝶阀。

3 工况对比分析

3.1 几种工况对比

根据清泰水厂现有运行工况及进出水位，常水位下静扬程为7.5 m，计算出管路阻力系数并绘制出阻力曲线，如图2 所示。

图2 新设计给水泵的阻力曲线

图中设计的七种工况为水泵在实际安装运行过程中实测流量扬程等性能和理论管路阻力方案。根据白天用水峰谷、夜间用水峰谷几种实际运行的常用工况，测出给水泵总流量、对应的给水泵进出口压力、进出水池水位、开泵数量，校核实际管路阻力，方便根据实际运行工况及管路阻力调整运行方案。现分析以上七种工况：

工况一：4 台水泵变频548 r·min-1/46.3 Hz 并联运行，常水位，极端最大用水量33 万t/d，单泵流量3 438 m3/h，扬程13.3 m，泵效率89%。

工况二：4 台水泵工频592 r·min-1并联运行，常水位，总供水量约31 万t/d，单泵流量3 229 m3/h，扬程9.2 m，泵效率85.5%。

工况三：4 台水泵变频538 r·min-1/45.4 Hz 并联运行，常水位，用水量30 万t/d，单泵流量3 125 m3/h，扬程10.6 m，泵效率81%。

工况四：3 台水泵变频485 r·min-1/41 Hz 并联运行，常水位，用水量25 万t/d，单泵流量3 472 m3/h，扬程9.8 m，泵效率83.5%。

工况五：3 台水泵变频435 r·min-1/36.7 Hz 并联运行，常水位，用水量20 万t/d，单泵流量2 778 m3/h，扬程8.9 m，泵效率85.5%。

工况六：2 台水泵变频455 r·min-1/38.4 Hz 并联运行，常水位，用水量15 万t/d，单泵流量3 125 m3/h，扬程8.3 m，泵效率85.5%。

工况七：2 台水泵变频400 r·min-1/33.8 Hz 并联运行，常水位，用水量10 万t/d，单泵流量2 083 m3/h，扬程7.9 m，泵效率82.3%。

在实际运行中，可能会因进出水位变化、系统阻力误差、电机转速波动等因素，实际工况有所偏差，可通过校核实际管路阻力，根据实际工况及管路阻力调整运行方案，保证水泵高效运行。

4.2 水源变化后设备正常顺利运行的保障

水源变化对自来水厂的设备产生最直接的影响。水厂生产设备的顺利正常运行才能为用户提供安全可靠的自来水[12]。虽然设备在出厂安装时已经过科学合理的调试和正式投入使用之前经过试运行及测试验证，但在后续运行过程中，仍需要进行合理的使用管理，保障设备的各个参数都在使用标准范围内；因此，应加强水厂设备的管理，运用科学合理的管理技术提升设备的工作效率，保障生产的自来水的质量，同时提供安全可靠的服务，提升经济效益。