广西城乡规划设计院 南宁 530022
摘要：文章以某市51万m³/d设计规模取水泵站为例，对水泵选型、数量组合、安装高度、水泵能耗分析与节能手段等关键节能设计点进行了探讨分析，为今后相似工程设计提供借鉴。
关键词：取水泵站；水泵选型；变频调速；节能
1.概述
城市建设供水先行，城市供水是保障城市经济发展和人民生活水平持续提高的重要基础设施，取水泵站作为城市供水系统的重要组成部分，其运行成本占供水系统可变成本的60%，以节能降耗为目标，优化设计取水泵站设计具有重要意义，本文结合某市51万m³/d规模取水泵站设计实例，总结了取水泵站设计中的经验，为今后相似工程设计提供借鉴。
2.取水泵站概况
某市取水泵站设计规模为51万m³/d，土建一次建设完成，设备按近期（2023年）30万m³/d规模装配；泵站取水水源为河流地表水，取水河段最高水位（2011年）10.27m，最低水位（2016年）7.67m，设计洪水位（p=2）10.7m，校核洪水位（p=0.5）11.76m，常水位8.5m，死水位6.0m，多年平均流量55.1m³/s；泵站分别向该市第一、二水厂供水，其中至第一水厂设计及现状供水规模均为10万m³/d，水厂进水水位18.38m，至第二水厂近期设计供水规模20万m³/d，现状供水规模7.5万m³/d，水厂进水水位18.73m。泵站近期管道水力计算简图如下：
.png)
图1：泵站近期管道水力计算简图
3.水泵能耗分析
众所周知，水泵Q-H性能曲线是一条扬程随流量增加而减小的曲线，管道Q-Σh特性曲线是一条压力随流量增加而增加的曲线，两条曲线的交点便是水泵的运行工况点。给水系统中用水量是随城市发展逐渐增长的，原水输水管道中水头损失又与用水量大小有关，对于取水泵站水泵所需扬程还将随水源水位的涨落而变化，水泵运行工况不是一个固定的工况点，而是一个变化的范围，水泵工作示意如下图：
.png)
图2：水泵工作示意图
目前，大多数泵站是按最不利工况点d进行水泵选型和水泵数量确定的，此种方法存在以下弊端：①最不利工况点d对应的流量qd为设计期限内预测的最高日用水量，与现状水平年实际取水量q存在一定差距，取水泵站建设时，管道实际需要工况点f位于水泵运行工况点m以下，通过调节阀门增大管道损失将多余的能量消耗在阀门上的运行方式造成巨大的能耗浪费；②在国内实际工程中，水源水位和用水量的变化受季节的影响，夏季是用水高峰期，也是河流丰水期，净扬程最低；一年中冬季用水量相对最少，这期间恰是河流枯水期，净扬程最大，也就是说最高日用水量和最枯水位取水出现的概率是十分低，若按此最不利工况点f设计水泵机组也会造成较大的能耗损失；③就一年供水量来说，最高日用水量出现的机率并不是很多，绝大部分时间用水量和所需扬程均小于最大工况点，长期运行中也会造成很大的能量浪费。
由水泵工作示意图可知，取水泵站水泵主要存在三个能量浪费区段。首先主要是由设计与现状取水量差引起的缓慢滑移区（aceg围合区）；其次是用水水量和取水水位受季节影响而变化的波动区（abfg围合区），该区又可分为常现区（abg围合区）和最高日用水量和最枯水位取水同时出现的小概率区（bfg围合区）。取水泵站能量浪费主要源于滑移区和小概率区。
4.取水泵站设计
4.1水泵安装高度
水泵安装高度是泵站能否正常运行和确定泵房埋深及影响泵站管理的关键因素，安装高度过高，水泵非自灌充水时，需增加抽真空装置，不利于运行管理，也浪费能耗，甚至出现水泵不能正常吸水导致泵站不能正常运行；安装高度过低，又会增加泵房深度，造成建设投资浪费。
水泵安装高度计算公式为：
Hss≤Ha-Hav-∑hs-Hsv
式中，Hss—泵轴中心与吸水处水面高差；
Ha—吸水井表面大气压；
Hav—实际水温下饱和蒸气压；
∑hs—水泵进水管道水损；
Hsv—水泵气蚀余量；
根据计算本项目水泵安装最大高度为10-0.24-1.47-5=3.59m，最大安装高程为9.59m，小于水源常水位8.5m，为方便运行管理，泵站设计将水泵安装高程定为7.9m，水泵大部分时间能自灌充水，泵房埋深增加不大，建设投资增加不多的情况下，较大提高了泵站运行管理便利性。
4.2水泵选型
根据水泵运行示意图，选用性能不同的水泵的台数越多，不同水泵组合运行工况点越多，就越能适应水量、水位变化的要求，浪费的能量就越少，但这又会增加泵房平面面积，对于取水泵站，平面造价较贵，取水泵站工况变化不像送水泵站那样大。因此，取水泵站水泵选型时，通过变频调速在现状及设计工况下均能获得较好节能效果的条件下，可使用较少的水泵机组组合，减小泵房大小，节约建设投资。本项目取水泵站近期选择安装5台水泵，其中3台为工频大泵，2用1备，水泵参数为Q=4500-6200-7200m³/h，H=28-24-19m，P=500kw，η=84-89.5-84%；2台为变频小泵，水泵参数为Q=1780-2250-3200m³/h，H=30-28-20m，P=250kw，η=83.5-89-83.5%。不同水泵组合运行工况如下图：
.png)
图3：水泵并联特性曲线图
根据水泵并联特性曲线图，启动2台大泵1台小泵可以满足近期设计30万m³/d取水需求，现状取水量为17.5万m³/d时，只需要启动1台大泵1台小泵，至近期设计取水规模前，通过不同型号和数量水泵组合可以将滑移区能量损耗分割成三段，也能获得很好的节能效果。
4.3水泵调速
从水泵并联特性曲线可知，通过水泵选型可以较好的适应水量和水位变化要求，但仍存在通过调节阀门浪费能量的现象，合理水泵选型和数量组合仅是一种简单粗矿的节能手段。水泵变频调速可实现无极连续调速目的，是一种精准的水泵节能手段，其基本原理是根据交流电动机工作原理中的转速关系：n＝６０ｆ（１－ｓ）/ｐ均匀改变电动机定子绕组的电源频率ｆ，就可以平滑地改变电动机的同步转速。电动机转速变慢，轴功率就相应减少，电动机输入功率也随之减少，这就是水泵变频调速的节能作用。
以现状取水量17.5万m³/d为例，调速前开启一台大泵和一台小泵，通过调节阀门的方式取水，水泵机组输出总功率为635kw（小泵：220kw，415kw），对小泵变频调速后，死水位时，将小泵电机转数调为840rpm，水泵机组输出总功率降为562kw（小泵：122kw，440kw），常水位时，将小泵电机转数调为770rpm，水泵机组输出总功率进一步降低至548kw（小泵：93kw，455kw），按当地电价0.62元/（kw·h）计算，每年可节约电费40~47万元。水泵变频调速特性曲线如下图：
.png)
图4：水泵变频调速特性曲线图
通过分析节能效果，变频调速后，变频水泵工况点往左移动。工频水泵工况点右移，根据水泵特性曲线图水泵效率随流量先增大后减小，说明泵站在水泵选型搭配时，工频泵选择高效段左侧工况点与调速泵搭配可进一步提高水泵运行效率获得更好节能效果；而对于变频调速泵，同一型号水泵最高效率点只出现在某一特定转速下，在其他转速时效率均有所下降，水泵转速调节范围不宜过大，通常应不低于额定转速的50％，最好在70％～100％之间。当水泵的转速低于额定转速的40％～50％时，水泵效率明显下降，节能效果也大大下降，因此取水泵房水泵型号和数量确定时应在避免水泵大范围调速条件下使用较少的水泵机组组合。
5.总结
取水泵站水泵安装高度应利用水位变化兼虑建设投资和运行管理；取水泵站能量浪费主要源于设计与现状取水量差引起的缓慢滑移区和最高日用水量和最枯水位取水同时出现的小概率区；通过不同型号和数量水泵组合获得较好的节能效果，是一种简单粗犷的节能手段，水泵变频调速则可实现无极连续调速目的，是一种精准的水泵节能手段；取水泵房水泵型号和数量确定时应在避免水泵大范围调速条件下使用较少的水泵机组组合以节约投资建设，水泵选型搭配时，工频泵选择高效段左侧工况点与调速泵搭配可进一步提高水泵运行效率获得更好节能效果。
参考文献：
[1] 李柱、高乃云、张根良、张远军.城镇水厂供水泵房机泵节能改造工程实践，[中国给水排水]，02，2016；
[2] 李云、张龙、杨仲侃、蒋松年.给水泵站节能优化浅析，[供水技术]，4，2014；
[3] 田伟峰.某大型原水取水泵房设计总结，[江西建材]，20，2015；
[4] 魏旭、黄兴、路兵华.某水源地取水泵站水泵选型设计和工况分析，[净水技术]，34，2015；
[5] 许仕荣.取水泵站的工况特点及运行控制，[湖南大学学报]，23，1996；《泵与泵站》。