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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