平山供水取水泵站水泵技术改造设计浅析

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)

葫芦岛市平山供水工程是葫芦岛市新区用水的两个供水水源之一，是将六股河原水，通过加压提升后输送至葫芦岛新区净水厂，工程设计规模10万 m3/d，线路总长度约67.90 km，采用压力管道+无压明渠联合输水。取水泵站位于葫芦岛市兴城市，采取河道挡水引至吸水前池，水泵从吸水前池直接取水，取水泵站于1999年投产运行，设有卧式双吸离心泵4台(3用1备)，型号为350S/125，其中变频水泵1台，恒速水泵3台。

受限于净水厂运行规则，取水泵站常年的输水流量为5～8万 m3/d，导致取水泵站运行工况一直无法达到设计规模，造成取水泵站的运行工况与原设计工况有较大的偏差，现状水泵已经很难满足目前的运行工况。此外现场水泵及电机已经运行15 a，设备老化等情况较严重。因此从保证供水安全性以及节能等方面考虑，急需对该泵站进行技术改造。

1 泵站概况及存在问题

1.1 现状水泵概况

现状水泵及电机资料如下：

(1)水泵资料

型号：350S/125；额定流量：1 260 m3/h；额定扬程：1 25 m；额定转速：1 480 r/min；效率：80%；汽蚀余量：5.5 m；轴功率：536 kW；出厂日期：1999年。

(2)电机资料

型号：YJS500-4；额定转速：1 480 r/min；额定功率：710 kw；额定电压：10 kV；额定电流：47.92 A；功率因数：0.893；出厂日期：1999年。

取水泵站吸水前池水位高程为80.8 m，最低水位为79.80 m，水泵轴线安装高程为77.8 m。最高日运行工况时水泵后出口压力高程为180.0 m。

1.2 现状运行存在主要问题

1.2.1 水泵出口阀门、水泵叶轮及泵壳气蚀现象较严重

由于常年运行工况远未达到设计供水量，并且每日运行流量都有所不同，因此需要频繁调整水泵运行方式，此种运行工况最佳的运行方式为水泵变频运行，而现状平山取水泵站仅有一台变频水泵，无法实现变频供水的运行方式。为了实现每日的运行工况，管理单位采用了变频水泵+恒速水泵联合调整泵后阀门开度的方式运行，由于恒速泵的运行流量较大、扬程较高，为消掉富余的扬程，必须调整恒速泵后阀门开度，以便使水泵扬程匹配。结合管理单位反映，目前该泵站主要存在如下几方面的问题：

(1)运行方式繁琐，灵活性较差。

(2)已严重影响了水泵出口阀门使用寿命，长期的小开度运行，水泵出口阀门已产生了较严重汽蚀。

(3)已严重影响了恒速水泵的叶轮的使用寿命，平均约每3个月需要对叶轮进行小修一次，每6个月需要对叶轮进行大修一次。通过对现场更换的叶轮的观察，发现在叶轮表面上有大量蜂窝状破损及较大直径的贯通空洞，说明该水泵在运行过程中，叶轮表面承受着很大的局部空化作用，发生过较严重的汽蚀现象。叶轮照片见图1所示。

图1 现场更换叶轮图片

(4)已严重影响了恒速水泵的蜗壳的使用寿命，在检修和更换叶轮时，发现泵壳内表面也局部存在蜂窝状裂缝和剥落，虽然没有叶轮的情况严重，但对运行安全也存在很大的隐患，容易发生泵壳被击穿的危险事故。

1.2.2 能耗浪费严重

目前平山取水泵站运行所采用的变频水泵+恒速水泵联合调整泵后阀门开度的方式运行，主要是依靠减少泵出口阀门开度，增加阀门阻力来克服恒速泵和变频泵运行扬程不匹配问题，运行中功率损耗较大，存在较严重的能源浪费。

表1 单台水泵更换运行费对比表

2 水泵改造方案及效果分析

本次泵站技术改造中，针对泵站目前存在的问题，分别对水泵更换、增加变频器台数方案以及泵后阀门更换选型等几方面效果进行了技术经济论证分析，具体如下。

2.1 水泵更换方案确定及效果分析

现场水泵及电机运行已经15 a左右，受技术及当时加工制造水平的限制，电机和水泵的效率均较低，电机制冷效果也出现了下降，导致电机和水泵的损耗功率较大，本次改造时拟将4台水泵全部更换为高效节能型水泵，改造前后水泵的运行费用对比见表1所示。

通过表1的计算结果可以得出，更换水泵后，水泵效率提高了5.5%，单台水泵年节约运行费用约17.65万元，节能效果较明显。

2.2 变频器改造方案确定及效果分析

根据运行单位调度运行规则，当供水量小于1 260 m3/h时，采用直接启动变频水泵(4#水泵)供水；当供水量超过1 260 m3/h时，将启动恒速泵+变频水泵联合运行，并且恒速水泵需要憋阀运行。每次流量调整，都要进行大量调整工作，动作繁琐，且由于憋阀运行的存在，存在较大的能源浪费。本次改造时重点以有监测数据的实际运行工况来对不同变频器台数水泵方案进行了详细技术经济分析，具体见表2所示。

通过表2的计算结果得出：全变频水泵方案年运行费用最低，现状配置方案运行费用最高，因此全变频方案从经济上是运行费用最优的方案，且在小流量工况时全变频方案经济优势将更加显著；从技术角度分析，全变频方案各台水泵可互为备用，可实现灵活切换，方便运行调度管理，增加供水安全性。综合分析，本次技术改造中变频器改造确定采用全变频改造方案。

表2 不同变频器台数水泵运行经济比较表

2.3 泵后回止阀改造

从平山泵站运行以来情况看，泵站的停泵及再启泵，都存在停泵水锤和启泵水锤，致使输水管道处于正压及负压波动剧烈问题，影响了供水的安全性。

本次改造设计首先对输水系统进行了水力过渡过程分析，通过对各种供水工况的计算发现突然停泵时，泵后会发生直接水锤，管道将大量进气；启泵时由于管道内存有大量气体，致使启泵时间过长或产生汽水弥合水锤。实际运行中发生过通水1 d后，产生爆管事故。

经过对泵后止回阀多类型分析，并结合水力过渡过程模拟计算结果，将泵后现状液控缓闭止回阀改为新型空气阻尼止回阀，并给出了该阀门的建议关闭规律，即第一阶段2S末关闭到95%开度，10 s末全部关闭。

3 结语

本次改造后该泵站达到了 “脱胎换骨”的变化，实现了水泵启动、停止与相关阀门操作自动运行，达到系统一键式自动化运行，使泵站和输水管道运行更安全，并达到节能目的。

目前，该工程已改造完成并运行近1年时间，其运行情况良好，能耗指标有较大的下降，取得了较好的改造效果。