锦凌水库供水工程加压泵站水泵选型设计探讨

马世波

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

0 引言

锦凌水库供水工程是从锦凌水库取水，经泵站加压后送往净水厂，经净化处理后自流向锦州市区供水，泵站位于水库大坝下游650 m处，将锦凌水库原水提升至净水厂内稳压配水井。泵站最高日提升水量为25.5万m3/d，平均日提升水量为20.73万m3/d。水库设计最低水位为41.00 m，正常蓄水位为60.00 m，多年平均水位56.44 m，净水厂稳压配水井最低水位为76.5 m，泵站至水库段管道长度0.65 km，采用2×DN1400钢管输水，高日流量时水力坡降为0.54‰，水头损失0.35 m；平均日流量时水力坡降为0.35‰，水头损失0.23 m；取水泵房至净水厂稳压配水井管道长度为0.9 km，采用2×DN1200钢管输水，高日流量时水力坡降为1.1‰，水头损失1.21 m；平均日流量时水力坡降为0.73‰，水头损失0.80 m。工程布置示意图见图1。

图1 工程布置示意图

1 泵站设计条件

根据锦凌水库运行水位特征及水泵管路系统布置，综合泵站运行特点，确定以泵站运行常用工况的平均日供水量运行工况以及最高日供水量运行工况计算确定泵站设计主要边界条件，经水力计算，该泵站运行中最高日及平均日各供水流量下的水泵主要设计参数见表1和表2。

表1 最高日供水量工况水泵设计参数表

表2 平均日供水量工况水泵设计参数表

2 水泵选型论证

通过表1以及表2水泵设计基本参数表可得出，该泵站主要特点为流量变化幅度相对较小，但扬程变化幅度相对较大，并且同一运行流量时，水泵扬程差距也较大，扬程最大差值约为19 m。根据该泵站的主要设计参数情况，为满足泵站运行要求，水泵选择重点分析论证了以下几种方案。

2.1 水泵台数方案论证

水泵台数的合理确定，对工程投资以及运行安全、灵活具有较大的影响，本泵站水泵台数方案选择主要原则如下[1]：①优先选择效率值较高，气蚀余量值较小的泵型；在经常运行流量区段时，水泵应在高效区运行；在最大与最小流量时，水泵应能安全、稳定运行。水泵特性曲线的高效率范围应尽量大而平缓，以适应各种工况的流量和扬程要求；②在满足运行可靠的前提下，应尽可能选取减少水泵的台数，以降低泵房的土建投资；③充分考虑水泵初期流量运行时的灵活性、安全性；④充分考虑厂区实际征地面积以及厂区布置合理等因素。

本工程限于征地面积较小，重点比较如下两种水泵台数方案：方案1，3台水泵方案，2台水泵运行，1台备用；水泵额定流量为5313 m3/h，额定扬程39.16 m，电机功率800 kW，额定效率89.5%；方案2，4台水泵方案，3台水泵运行，1台备用。水泵额定流量为3542 m3/h，额定扬程39.16 m，电机功率560 kW，额定效率87.0%。

(1)技术比较

方案1水泵的台数少，所需泵房面积较小，运行管理方便，并且运行总功率较小，水泵效率较高。

(2)经济比较

按照平均日流量，多年平均水位对应的水泵扬程工况对两个方案进行经济比较，两方案经济比较见表3。经济比较采用总现值法，运行年限按照20年计。

表3 方案经济指标分析表

从表3可看出，方案1水泵台数少，泵房长度小，土建投资、设备购置费用、年运行电费均低于方案2。

综合技术经济比较，方案1为本工程最优台数方案。

2.2 变频调速方案论证

通过变频器改变电机的供电频率以改变电机转速来调节水泵运行工况。使水泵在多种运行工况下，均在较高的效率范围内运行，并能连续调节[2]。变频调速方式不仅可减少能量损失和提高水泵效率，而且有利于水泵启动和改善水泵的气蚀现象，尤其是本工程运行工况中平均日流量工况下水泵扬程最大差值约19 m，变频调速方式的高效、节能以及灵活性更能得到很大的体现。合理的变频调速装置数量既要保证运行灵活性强，同时还需兼顾经济合理。本文以泵站平均日流量(Q=20.73万m3/d)和多年平均水位扬程(H=30.31 m)工况，综合水泵台数以及厂区征地条件，重点对如下三种不同变频方案进行技术经济比较：A，2台工频水泵+泵后阀门调节控制方案；B，1台工频水泵+1台变频调速水泵运行方案；C，2台变频调速水泵运行方案。

拟选水泵特性曲线见图2，三种方案经济比较见表4。经济比较采用总现值法，运行年限按照20年计。

图2 水泵特性曲线

通过图2和表4可看出：水泵在平均日工况下运行时，方案C由于通过改变运行频率以适应运行工况要求，水泵运行效率较高，尽管设备费用最高，但投资总现值最小；方案A为满足运行流量要求，水泵运行工况点需往曲线左侧方向偏移，导致水泵扬程超过需要水头，因此需要将富余的水泵扬程通过泵后阀门进行调节消能，以满足运行要求，因此能耗较高，尽管设备投资最低，但投资总现值依然最高。因此本工程推荐采用方案C，即全变频调速方案。

表4 各方案经济比较表

2.3 多泵型组合方案论证

通过配置不同参数的多种泵型方案，从理论上分析可使水泵能实现不同运行工况间的灵活分配组合，可实现泵站在不同工况下高效运行。该方案优点是通过合理的搭配，可实现不同工况的高效灵活调度，各型水泵运行效率较高；缺点是由于需要配置的水泵类型较多，使运行调度方案较复杂，运行管理难度较大，厂房平面尺寸较大[3]。由于是本工程泵站占地面积较小，厂区形状亦不规则，需要泵房面积尽可能小，故此本方案不适合本工程。

2.4 配置多型号叶轮方案

为适应不同的供水工况，更换经过切削过的不同直径水泵叶轮，来满足运行要求，但更换叶轮需要停机拆泵，费时费力，无法实现连续调节，更换叶轮期间，工程需要停水或减产，供水保证率下降，而且本工程为城市供水型取水泵站，对供水水量的连续调节能力及供水保证率要求均较高，因此该方案不适合本工程[4]。

2.5 泵站配置方案确定

通过以上各配置方案的技术经济比较，本工程推荐采用3台全变频设计方案。该设计方案具有运行方式灵活，投资总现值最小，工程综合性能较好的特点。

3 结论

本文结合锦凌水库取水泵站，针对泵站运行扬程变幅大的特点，综合技术经济分析比较，确定了该泵站最优水泵设计方案，目前工程已安全运行超过3年时间，工程运行状况良好。