赵建国 陈雨
包钢钢联动供总厂给水二厂 内蒙古 包头 014010
摘要：在实际生产中，水泵长时间偏离高效区间运行，造成电能极大浪费的现象在很多工业水厂的生产中普遍存在，它是传统水泵选型方法带来的弊端。通过水泵叶轮切削改造等方法可改变水泵的运行工况点，使水泵运行于高效区间内，达到节能的目的。同时切削后的叶轮在运行过程中，由于流量、压力的下降，致使需求配用电机的功率也相应下降，可更换相匹配低功率的电机，杜绝了大马拉小车的现象，具有较好的经济效益。
关键词：节能；水泵选型；高效区间；叶轮切削
1 前言
包钢某车间加压泵站二组泵是供应白云矿区澄清水的源头泵站，内设四台型号为350S125A的泵组，原设计为三运一备。自2009年10月投产以来，由于巴润公司二期项目尚未建设，用水量小，该泵组只运行一台水泵，且还需控制出水阀门（13°左右），造成能源浪费。2019年10月通过切削201#泵叶轮的方式，解决了控制出水门供水的难题，为下一步更换较低功率的电机奠定基础，是一项节能的好举措，产生了较好的经济效益。
2 问题提出
巴润公司长远规划按550万吨铁矿生产能力设计用水量为2500m3/h，一期按300万吨铁矿生产能力建设，2009年投产后，白云矿区的实际平均用水量仅为1000m3/h。而加压泵站泵组及配用电机的参数见表1。
表1 加压泵站二组泵及配用电机的参数
从表面上看，用户的用水量和运行一台水泵的流量数值相接近。但在实际运行中，运行一台水泵的流量可达到1550米3/时，远远超过用户的用水量，为满足用户的需求，只能将运行的泵组进行控制出水阀门供水(见表2)。根据用户近两年的用水量，该泵组出水阀门大都控制在13°左右供水，而且有部分能耗浪费在闸门上，不利于节能。
表2 加压泵组201#泵出水门开度与供水量的关系
5 90° 1550
3 原因分析
在工业水厂设计中，往往要按照长远规划来设计水泵较大流量、供水管道管径较大，水泵组选型时，首先考虑水泵组应满足最不利工况点的要求，即以长远规划的设计最大用水量和压力来计算水泵组并联运行时的设计流量和设计扬程。根据此法选型的水泵往往满足了长远规划的最不利工况点大流量的需求，却忽略了近期水泵小流量供水对能耗的考虑。
因此，在近期加压泵组二组泵的实际运行中，用户用水量较小，达不到设计水泵组运行的台数，绝大部分时间是低于设计泵台数或单台泵供水，泵组总供水量减小，管道内的流速降低、管阻减小〔由达西公式：hf=λ×Ｌ×Ｖ２/(２ｄ×ｇ)可知〕。为了满足泵的特性，只有通过控制出水门，减少管道送水断面，即改变了管道特性曲线将由“1设计的管道特性曲线”转变为“2单台泵控制出水门的运行的管道特性曲线”，水泵运行工况点由B点移至C点（见图1所示），水泵会在高扬程、小流量工况上运行。
上图中，Q~HⅠ+Ⅱ在长远规划时的三台泵并联运行时设计水泵的特性曲线，A点为长远规划时的三台泵并联运行时设计水泵运行的高效工况点；Q~HⅠ在近期时的一台泵单独运行时水泵的特性曲线，B点为单台泵运行工况点，此点明显偏离高效区间，此时水泵的泵轴功率已接近配用的电机功率，耗电量较大，而且水泵效率低，还容易发生汽蚀。在实际生产中，为了确保水泵的安全运行，也为了使水泵运行于高效区间内，只能通过关小出水阀门来改变管道特性曲线，从而改变水泵的运行工况点（上图C点）。此举使水泵安全运行于高效区间内，却致使大量的能量消耗在阀门上，造成电能很大的浪费。
4 改造措施
为了节约能耗，有必要对送水泵实施节能改造。水泵的节能改造，主要是通过改变水泵的运行工况点，使水泵始终运行于高效区间内，且运行工况与供水用户实际所需一致。改变水泵的工况点，通常可通过两条途径来实现：一是变频调速运行，即通过改变水泵的转速，来改变水泵的运行曲线，使水泵的出水压力与管道特性实际所需一致，从而达到节能的目的。变频调速是调速技术中最好的一种，它是解决能耗问题的最好方法之一，已在给水厂得以应用，且取得了很好的经济效益。但因变频调速设备造价较高，改造投入大，故此，变频调速装置暂时未能实施。另一种改变水泵工况点的途径是叶轮切削改造，其原理是经过切削的叶轮，其特性曲线会按一定规律发生变化。根据切削后的运行参数，计算切削量，改变叶轮的外径，使水泵特性曲线按要求发生变化，从而使水泵运行于与管网实际所需一致的高效区间内，减少了水泵电能消耗的目的。
根据比例定律及厂家提供原有叶轮的直径(D=630mm)，结合实际运行时的管道特性数据，可计算201#水泵叶轮的切削量：
(D′/ D)2 = H′/ H
D′= D×√(H′/ H)
D′=630×√0.89/1.07)
=575(mm)
故切削量为：D - D′= 630 – 575 = 55(mm)
切削后额定流量为：
Q′/ Q = D′/ D
Q′= Q×(D′/ D)
Q′=1157×(575/630)
=1056（m3/h）≥1000（m3/h） （满足用户需求）
额定轴功率：N′/ N = (D′/ D)3
N′= N×(D′/ D) 3
N′= N×(D′/ D) 3
=432×(575/630) 3
=359（KW）
其中：D′―切削后的叶轮直径(mm)
D ―切削前的叶轮直径(mm)
H′―切削后的实际扬程(m) （由运行实测压力数据可得）
H ―切削前的扬程(m)
Q′―切削后的额定流量(m3/h )
Q ―切削前的额定流量(m3/h )
N′―切削后的额定功率（KW）
N ―切削前的额定功率（KW）
5 改造后效果及经济效益分析
5.1 改造后效果
该水泵运行至今已近三个月，运行实际数据完全和理论计算相符合，既满足了用户用水量需求，又达到了水泵出水阀门全开的目的，适应了供水管网实际所需，同时运行稳定，噪音相比也低，值得向工业水厂推广。
5.2改造后经济效益分析
改造前后的效益分析可以通过两种方法计算：
一是从以上改造前后水泵的额定轴功率可以看出，改造后水泵的轴功率明显减少了73Kw（432-359=73Kw），每年节约用电73KW×24H×365T =639480Kw.h，折合人民币约287766元。
二是通过改造前后运行电流进行计算，改造前按1000m3/h控门供水时水泵运行电流为37A，改造后运行电流为32A，由此可得，改造前电机输出功率：P输=√3×UIcosφ=1.732×10000V×37A×0.86/1000=551Kw;改造后电机输出功率：P输=√3×UIcosφ=1.732×10000V×32×0.86/1000=477 Kw。改造后可每小时可节约用电74Kw.h，每年节约用电74 Kw×24H×365天 =648240Kw.h??，折合人民币约291708元。
由此可见，改造前后每年可节约近30万元，而水泵原有切削叶轮的加工费用仅仅为2000元，其经济效益显著。
由于水泵的轴功率降低，该水泵配用电机功率也相应降低，经测算只需配用470KW功率的电机即可满足改造后的水泵运行，而目前使用的电机功率为560 Kw。下一步，我们将计划更换该电机，避免大马拉小车现象，这里不再赘述。
6 结束语
在工业水厂设计中，进行水泵选型时，应对水泵的运行工况进行排列分析，从水厂的投产初期、中期至达到设计规模，以及不同时期的供水量要求，应有较深入的了解，以此来指导选用水泵，才能达到既满足供水要求，又能节约能耗。但传统的送水泵选型方法仅是以远期规划管网最不利工况点作为水泵的设计流量和设计扬程进行选泵，致使水泵近期长时间偏离高效段运行，造成电能极大的浪费。所以，在工业水厂的改造中，水泵的节能改造是重头戏，其中，叶轮切削改造技术是水泵节能改造技术中最简便可行，最有效的一种方法，在给水厂的改造中得以广泛应用。在给水厂的改造中，无论是水泵选型，还是实施叶轮切削改造，均应根据供水管网的实际所需，以管网用水的平均流量、平均压力作为水泵的设计流量和设计扬程进行选泵或叶轮切削计算，同时兼顾大流量点和小流量点二个工况点均处于水泵的高效区间内。这样，通过改造，水泵的实际运行效率将大大提高，可大大降低能耗，具有显著的经济效益，不失为供水单位节能增效的重要举措。
参考文献：
[1] 姜乃昌.水泵及水泵站.出版地：中国建筑工业出版社，1993.6
[2] 严煦世，范瑾初.给水工程.出版地：中国建筑工业出版社，1999.12
[3] 秦曾煌.电工学. 出版地：高等教育出版社，1992.9
作者简介：赵建国（1968- ）,男，河北大城县，冶金机械专业，高级技师，包钢钢联动供总厂给水二部从事技能大师工作。陈雨（1971- ）,男，内蒙古商都县，给水排水中级工程师，大学本科，包钢钢联动供总厂给水二部从事管理工作。