水泵的节能改造与经济运行分析

水泵的节能改造与经济运行分析

杨明

摘要：通过对配水泵房水泵和管网实际运行数据进行科学的分析，制订了管网经济运行参数和配水泵节能改造方案。采取叶轮切削、加装变频器和科学配车等方式，对配水泵进行了改造，达到了经济运行的目的，实现了企业节能降耗的目标。

关键词：配水泵 节能 变频器 叶轮切削 经济运行

水泵是自来水厂最主要的耗能设备，其效率高低直接影响水厂的电耗和制水成本。由于受用户生产生活等用水情况变化的影响，在设计水厂配水泵房时所依据的管网运行参数与实际管网运行数据有一定的差别，导致配水泵运行效率低、不节能、管网运行压力不稳定等情况时有发生。笔者以新疆阿克苏市供排水公司新城泵站为例，介绍配水泵房水泵节能与经济运行。

1水泵运行情况

新城泵站是阿克苏东城区供水的一个加压泵站，供水能力4.3×104m3/d，配水泵房安装有6台250s-39型卧式离心泵，该厂于1991年投产，最高配水量曾达4×104m3/d。但随着阿克苏市对水价的几次调整，广大用户的节水意识不断增强。同时受地方经济的影响，大量高耗水企业减产或转产，水厂的日配水量大幅降低。改造前，配水泵房设定的压力为0.4Mpa，配水泵的千吨水综合电耗高达440kw.h/Mpa，每年都会出现爆管现象。

在配水泵调配运行上，由于6台配水泵型号一致，在配水上经常出现日间供水高峰时段，运行2台配水泵时压力会偏低，运行3台配水泵时出水厂水压又高于管网的要求，夜间也同样存在类似的问题。为保障管网的安全运行，运行人员通常采取调节出水口阀门开度的方法来调节出厂水压力。这样长期运行，配水泵不仅未运行在高效区域内，还将以部分能量消耗在阀门上，造成能源的浪费。因此，从节能角度出发，配水泵的这种运行状态不利于企业节能降耗的发展需求。

2节能改造方法

配水砂的节能改造主要通过改变配水泵的运行工况点，使配水泵始终运行于高效区间内，且运行工况与配水管网实际所需要的一致。改变配水泵的工况点，通常可通过调速运行和叶轮切削两条途径来实现。

调速运行通过改变水泵的转速来改变水泵的工况点，使水泵的出水压力与管网实际所需一致，同时配水泵工作在Q—H曲线的高效区域内，从面达到节能的目的。调速运行大大扩展了离心泵的高效工作范围，是泵站运行中十分合理的调节方式。变频调速通过改变电机供给频率从而改变电机的同步转速，达到电机调速的目的。它采用先进的控制技术，根据电动机负荷的变化实现自动、平滑的增速或减速。调速特性基本保持异步电动机固有特性，即转差率小的特点，因而其效率高、调速范围宽、精度高且能无级调速，是异步电动机最理想的调速方法，尤其适合于水泵。由于变频技术大大提高了调速效率和精度，且节能潜力大，噪声小，使供水管网压力稳定，维护管理方便，故障少，因此得到了广泛的应用，并且取得了很好的经济效益。

在一定条件下，叶轮经过切削，水泵性能参数按一定规律发生变化。根据目前配水管网运行过程中所需的供水 压力和流量，按照叶轮切削定律，计算出叶轮所需的切削量，通过改变叶轮外径，使配水泵特性曲线按要求发生变化，从而使水泵运行在与管网实际所需一致的高效区间内，达到节能的目的。叶轮切削是改变水泵性能的一种简单易行的方法，在水厂的改造中已得到广泛的应用。

3改造措施

3．1确定科学的运行工况点

新城泵站自投入运行以来，水泵出水压力长期控制在0.42Mpa左右。近几年来，随着公司对配水管网实施了逐步的更新和改造。管网结构得到了优化，管网水头损失明显下降。2005年，通过对配水管网结构形状和服务区域地形进行全面系统的分析，制订了7个管网压力控制点。通过近1个月的管网压力与配水泵出口压力流量的比对，制定出了管网较为安全、经济的运行参数，即：白天8：00—20：00，配水泵房的出厂压力控制在0.40Mpa，平均出水量为1500m3/h：夜间20：00—次日8：00，配水泵房的出水压力控制在0.37Mpa左右，平均供水量为900m3/h，即可满足管网的运行要求。

3．2水泵叶轮切削

250sh—39型双吸离心泵的额定流量Q=485 m3/h，H=39m,P=63.3kw,n=145r/min,叶轮直径D=367mm,配用电机为Y280—4型，功率为75kw。通过比较水泵的实际运行参数与性能曲线可以看出，该配水泵的实际运行效率较低，特别是在夜间配水量较小的时段，只有65%左右。因此，根据目前供水管网的实际工况要求，首先对配水泵进行叶轮切削改造。计算得出该水泵的比转速n, =124.4 5，由叶轮切削限量表可确定该水泵的最大切削量应控制在15%以内。根据目前水泵运行的数据，经过计算得出D′=338mm，Q′=0.124 m3/d, H′=33m，N′=49.3kw， n=81%。

因此，将原配水泵的叶轮切削8%后，在满足管网运行参数的情况下，配水泵将运行在较高的区间内，可达到节能的目的。

叶轮切削后，在实际运行中，将出水阀门完全打开，配水泵的出口压力基本降至与管网的需求压力相一致，运行效率得到很大的提高。改造后水泵的千吨水平均综合电耗也大幅度降低，由原来的440kwh/Mpa降至400kwh/Mpa，经济效益显著。

3．3加装变频控制装置

当用户用水量增加时，水泵的配水量相应提高，但扬程随之下降。由于用水量的变化不具有规律性，因此运行人员很难做到及时根据管网运行参数调度水泵运行。为了进一步优化现有水泵的运行。而变频控制技术则能很难地解决这一问题。为了进一步优化现有水泵的运行，使之能更广泛地适应配水管网运行的需求，对水泵进行了变频调速改造。

（1）轮切削后的运行方案

对已切削叶轮的水泵，以及未切削叶轮的水泵，有5种组合方案：a单独运行一台叶轮切削过的配水泵；b单独运行一台未切削叶轮的水泵；c同时运行1台已切削过叶轮的水泵和1台未切削叶轮的水泵；d同时运行2台已切削过叶轮的水泵和1台未切削叶轮的水泵；e同时运行1台已切削过叶轮的水泵和2台未切削叶轮的水泵。

为了拓宽水泵的经济调节范围，以适应不断变化的管网运行参数，对1#、2#水泵组加装了一台变频控制器，变频可通过转换开关对两台水泵进行分别控制。

（2）变频控制恒压供水原理

水泵转速与供电频率成正比的关系，压力变送器检测到的压力信号转换成电流信号送到变频控制柜中，控制器将该信号与预设的信号进行比较和处理，相应调整输出的电源频率，从而控制电动机的转速。配水泵的调速运行既保持了管网的恒压供水，又节约了电耗。

（3）改造方案

根据事先测定的管网经济运行压力，通过一个PLC可编程控制器，按时间段来控制变频器的输出频率，进而控制配水泵的运行转速和出口压力。变频器依据安装在出厂水干管上的压力传感器在线测定的出厂水压力，通过计算不断调节配水机组的运行转速，使水泵的运行工况满足管网运行需要，实现管网恒压供水，使配水管网长期稳定运行在一个相对恒定的压力下，从而达到管网和配水泵的经济运行。

安装在出厂水干管上的压力变送器实时地将检测到的压力信号传输给变频控制器，变频控制器根据对比压力变送器检测到的压力值P与事先设定的标准运行压力值P0，调节水泵转速，使系统供水压力基本维持在设定的压力范围内进行供水，也就形成了闭环式恒压供水。

4 水泵调速运行的制约条件

水泵在调速运行时，转速不应低于额定转速的60%。提高转速时，应满足水泵气蚀性能和机械强度的要求，即不能超过额定转速的5%。因此在恒压供水的同时，还需要考虑水泵工作在高效区域。有关技术资料统计表明，供水行业中的水泵调速范围一般在70%以上才是最经济合理的。

改造后配水泵运行情况：

（1）叶轮切削后，1#、3#、5#水泵的平均运行单耗由0.137 kw.h / m3降至0.113 kw.h /m3，节电效果明显。

（2）通过对1#、2#配水泵进行变频控制，以及切削泵和未切削泵的定速泵之间的不同组合，增加了配车的组合方式，拓宽了配水泵房配水量变化范围，实现了配水管网压力的相对稳定。

（3）在日常运行中，采取清水池高水位运行的方式，将泵前清水池水位由3m 左右提高到 4.0m，在同样的管网压力下，降低了配水泵房的电耗。

（4）于每台泵的单耗不同，在选择配水泵时，优先选择电耗低的配水泵投入运行。

（5）根据一年中季节的变化，在保障管网服务压力的情况下，冬季和夏季分别对出厂水压力做适当的调节，以降低运行成本。

（6）改造完成后，经过近两年的运行，通过每月对配水泵运行数据报表的分析，千吨水配水综合电耗由440kwh / Mpa 降至380kwh /Mpa。改造后水泵每年所消耗的电量比改造前节约21.6×104kwh,节省电费约11.9 万元，不到两年即可收回改造费用。

5 结论

（1）通过对配水泵房运行工况的分析得出，在设计城市给水泵房时既要满足最高日最大时供水量的需求，同时还应充分考虑到非最大供水量时的经济运行，在配水泵选型时应考虑能够更可能多地适应供水量变化的工况。

（2）对配水泵进行适当的叶轮切削和转速调节，可较好的实现配水泵的节能运行。但叶轮切削和转速调节应控制在一定的比例范围内，否则配水泵的实际运行效率反而会下降。

（3）配水泵房的经济运行应与配水管网的实际运行相结合，通过制定管网经济运行参数，实现科学动态管理，合理调节配水泵的运行，避免配水泵将过多的能量消耗在管网上，以减少能源的浪费并防止爆管的发生。

参考文献：

[1] 姜乃昌—水泵及水泵站（第4版）【M】.北京：中国建筑工业出版社，1998

[2] 严煦世，范瑾出.给水工程（第4版）【M】.北京：中国建筑工业出版社，1999

[3] 段成君，唐莉，孟用吉.简明给排水手册【M】.北京：机械工程出版社，2000