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某工業園區給水泵組改造實施方案及泵組高效運行初步探討

來源:泵友圈
文| 董建安 蘭州城市供水集團
摘要:隨著國家環保政策不斷加強,節能減排已成為國家層面發展戰略,工業企業發展不斷調整導致供水需求不斷變化,本文結合蘭州市某工業園區供水泵組改造工程,對改造過程及節能效果進行分析,并對泵組如何高效運行進行思考。
關鍵詞:泵組改造升級 高效運行 節能效果

01 引言

隨著國家環保政策不斷加強,節能減排已成為國家層面發展戰略,工業企業發展不斷調整導致供水需求不斷變化,目前許多供水廠及泵站設計普遍偏大,經過多年運行后設備效率進一步降低,很多已不能夠滿足供水需求。為了提高供水能力,確保供水質量和安全,需要對泵組進行改造升級。
現階段常采用以下幾種方式進行改造,以提高泵組運行效率:
1.更換高效節能水泵:采用新型高效節能水泵替換原有老舊水泵,提高泵組的運行效率,降低能耗。
2.優化泵組布局:根據水廠的實際運行情況,合理調整泵組的布局,減少管道損耗,提高供水能力。
3.增加變頻調速裝置:在泵組安裝變頻調速裝置,實現對泵組的精確控制,降低能耗,提高供水質量。
4.更新控制系統:采用先進的自動控制系統,實現對泵組的遠程監控和故障診斷,提高運行安全性?,F結合蘭州市某工業園區水泵改造工程,對改造過程及節能效果進行分析。

02 概況

某工業園區給水泵房建于80年代,主要為工業園區企業供給生產用水,隨著國家節能減排政策的實施,該園區內部分企業搬遷,用水量大幅減少。該泵房泵組實際運行曲線已嚴重偏離最佳工況點,且該泵房部分設備年代久遠,效率偏低,故障頻發,故技術部門決定對該泵房部分設備進行更新換代,已達到節能高效的運行效果。

03 工業園區近幾年供水特點

1. 近年來用水量整體呈下降趨勢,工業水量隨時間變化幅度較大,供水量不穩定,規律性不強,生產運行調泵較為頻繁。
2. 每年從10月下旬開始至次年3月底,隨著冬季供暖季的到來,水量有一定幅度增加,每小時增加500m3至600m3。
3. 對2015年至2020年數據進行統計分析,工業水平均小時水量為2055m3/h。
工業泵組年平均供水量和平均供水壓力情況統計表:

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04 整體工藝狀況分析

目前工業泵組共有五臺,由于供水量和壓力變化較大,單臺泵組運行均不太理想,經常需要并聯或頻繁調泵才能滿足客戶用水需求。
1. 根據工業泵組配置,供水流量壓力工況,基本滿足近幾年當工業用水量變化的需求。
2. 1-3#泵是近幾年的工業供水主要泵組,組合運行利用率最高。
3. 當工業水供水量在2300m3/h時運行1#或2#泵組管網壓力會降至0.30~0.35MPa之間,0#泵和3#泵并聯運行效率會降到65%以下,單獨運行4#泵同樣很不經濟。

05 泵組參數及運行分析

工業泵組高效運行范圍一覽表

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工業泵組全年累計運行小時數統計

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1. 1#和2#泵組運行分析
1#和2#泵原設計型號為20sh-9,電機額定功率550kw。后將葉輪由682mm切削至640mm,泵組改為20sh-9A型,流量為2160m3/h,額定揚程52米,配套電機額定功率550kW已明顯偏大,負載率下降;1#和2#泵在供水量1700m3/h以下時,工業管網壓力值略高。
工業用水量大于2300m3/h時,運行1#/2#泵組管網壓力會降至0.35~0.30MPa之間,泵組運行效率會降到70%以下。
2. 3#泵組運行分析
3#泵slow300-550c在工業用水量1000m3/h至1600m3/h時,滿足管網壓力在0.4MPa-0.56MPa以上,運行區間效率在75%以上,供水量超過1600m3/h后,水泵必需的汽蝕余量NPSHR超過泵組可用氣蝕余量NPSHA,有較大噪聲及震動,且水量偏小不能滿足供水需求。

06 擬改造泵組2#泵水力特性計算

經技術部門討論后,決定對2#工業泵組進行改造,進行運行分析擬定改造方案。
1. 2#泵吸水管路水頭損失
2#泵組進水水管為DN800,長40米,在供水量Q=2400m3/h工況下,查表管內流速為1.33m/s,計算得1000i=2.54,沿程水頭損失H沿= 0.040×2.54= 0.12m。
2#泵DN800吸水管流速為1.33m/s,V2/2g=0.099局部水頭損失:
H局=§V2/2g=2.6×0.099 = 0.26m。

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2. 水泵出水管路總水頭損失
Hf= 0.12+0.26= 0.4 m
3. 2#泵軸標高到最低水位時水面的垂直高度
2#泵軸標高:1535.925
2#、3#二次集水井基準水位:1530.20m
2#、3#二次集水井最低工作水位:1535.20m
2#泵軸標高到最低水位時水面的垂直高度:1535.95-1535.20=0.75m
4. 2#水泵本身具有可用的汽蝕余量NPSHA
NPSHA= Hg-Hz–hs+Zs =8.5-0.4-0.3-0.75-0.5(安全余量)=6.55m
5. 2#泵吸水管路必需的汽蝕余量NPSHR<6.5m。

07 2#工業泵組改造方案

方案一:利用閑置設備,更新為Y系列電機
將2#泵電機更換為閑置Y4501-6電機,功率為450KW,盡快恢2#泵生產要求。
優點:
  • 滿足近幾年工業用水量變化范圍內運行要求,每年運行時間較長。
  • 提升設備可靠性。
  • 與舊電機比較有良好 節電效果。
  • 總投資少,見效快,包括電機測試維護加安裝費2萬,改造工期10天。

缺點:
  • 節能效果沒有充分挖掘。
  • 水泵本體構成維修不便且水泵效率不高的問題沒有解決。

方案二:將2#泵整體更新為高效節能泵
依據近幾年工業水年平均小時供水量和工業園區發展狀況,經過綜合分析和趨勢預測,確定以下改造高效水泵的技術條件:
  • 水泵型式: 雙吸臥式水平中開式離心水泵
  • 額定流量:2000 m3/h。
  • 水泵額定揚程:40m。
  • 配用電機:315kW。
  • 泵組流量在1700m3 /h至2600m3 /h之間范圍,水泵運行效率滿足85%以上,輸出揚程在45m至30米之間。
  • NPSHR小于5.2m(流量在2500 m3/h時)。
  • 配用電機采用YE2以上高效能電機,效率大于94.9 %。
  • 可接入變頻自控運行。

按照以上選泵條件,對模擬選用水泵工況參數和2#泵2019年能效測試參數對比,更換一臺高效節能泵后運行經初步測算一年可節約電費支出30萬元左右,購置安裝一臺高效節能泵的總投資估算40萬元,投入后一年半可回收投資。

08 2#工業泵組改造效果

技術部門對初步改造方案進行綜合比選論證,確定更新一臺新型高效節能泵的方案,對2#工業泵組整體進行改造。改造選用上海凱泉高效泵組KQSN500-M13/530泵組,額定流量2000m3 /h。揚程40米,泵組理論效率90.7%,匹配315kW電機。
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改造完成運行后分析:2020年后半年改造完成后2#泵組共計運行 2742小時,對19年和20年數據進行分析,2020年工業二次水平均小時供水量1983 m3/h ,年實際電基完成 172.42 kWh/km3,相比2019年同期189.29 kWh/km3下降8.9 %。
改造后的2#泵組單臺運行電基在160 kWh/km3左右,平均電基較2019年下降29kWh/km3,按照年供水量1800萬m3計算,年節約電量約52萬kWh,折合電費約26萬。設備投資回收期為一年半,符合設想,節能效果明顯。
截止2023年11月,該泵組運行狀況良好,符合外部供水需求。
09 泵項目改造經驗
該項目通過近3個月的改造工作,使泵組運行很好的匹配的工況實際需求,取得很好的節能效果,有效的保障了工業企業安全供水。
項目改造前,根據管網狀況,閥門彎頭等配件及供水壓力通過理論計算泵組參數,該計算過程復雜,系數選取取決于設計人員的經驗及偏好,往往選型都偏大,節能效果有限,存在可能改造后任然需要再次改造的情況。經過討論認定,根據實際工藝運行中流量儀表、壓力表、水位計數據來選擇新泵組參數更加符合實際,并且準確度很高,基本排除人員經驗誤差。
通過此次設備改造項目,對節能改造工作有重要指導意義。在后續公司節能改造過程中,凡是水量逐步增加,工藝運行不確定的項目多采取泵組葉輪切削或加裝變頻器,逐步改變運行方式,提高運行效率。而對工況穩定,長期不變的工況,整體更換成符合新工藝條件的泵組效果更好。
10 關于如何高效運行的思考
1. 設計階段
泵組高效運行最主要取決于實際需求,目前許多新建泵組數據收集不完善,實際用水需求往往比設計水量小,有時偏差還很大,造成新建泵站往往在低負荷高能耗的狀況下運行,所以設計人員要充分考慮本地區實際用水及經濟發展狀況,嚴格按照近期遠期大小泵組搭配運行的設計思路進行新建工程設計,避免出現嚴重偏離實際的狀況。
2. 運行階段
在運行階段,加強設備維護管理:建立完善的設備維護管理制度,定期對泵組進行檢查、維修和保養,延長設備使用壽命,降低維修成本。其中容易忽視的是:1、在實際泵組效能測試中發現部分泵組進口存在負壓,但多數泵組未加裝進口壓力表,不能及時判斷排除故障,不但影響進水情況,還加劇了葉輪汽蝕狀況。2、對于部分揚程穩定的供水需求,選擇合適的定速泵比加裝變頻器運行更節能投資更少。
參考文獻:
  • GB50013-2018室外給水設計標準
  • 姚雅明 中水二次加壓泵站節能改造 城鎮供水   2022.3
  • 泵站節能標準和控制方法的發展歷史和趨勢 城鎮供水 2021.2