連云港某水廠二泵房效率分析研究

劉保超

(連云港市自來水有限責任公司第三水廠，江蘇連云港222000)

1 研究背景

水廠是電能消耗大戶，其中二級送水泵房又占水廠總用電量的75%以上。對二泵房運行情況進行分析，提高機組的級配運行效率，可有效降低水廠的運營總成本，為下一步泵房運行和改造提供指導，也為即將擴建的水廠的水泵選型提供資料，具有重要的研究意義。

2 二級泵房概況

連云港第三水廠二泵房分為茅口和三水廠2個泵房，其中茅口泵房有4臺機組，設計供水能力為10×104m3/d；三水廠泵房有5臺機組，設計供水能力為20×104m3/d。正常運行時2座泵房同時向管網供水，供水主管聯(lián)通。近年來，二泵房陸續(xù)更新改造了送水機組7套，新增高壓變頻器1臺，改造后各水泵的具體型號參數(shù)見表1。2016—2018年二泵房占全廠電耗的百分比和成本情況見表2，電耗占比分別為77.38%、82.06%和77.95%，占供水總成本的25%以上。

3 研究方法

以第三水廠近3年的實際運行數(shù)據(jù)為基礎，選取典型時段和級配，對水量、水壓和電耗等指標進行分析研究。一是分析水泵和機組單獨運行時的效率；二是分析研究不同級配下泵房的供水效率，得出高效的機組或級配組合，為日后運行提供依據(jù)和指導。

表1 第三水廠二泵房水泵參數(shù)Tab.1 Pump parameters of the second pump station of the 3rd Waterworks

表2 2016—2018年第三水廠二泵房電耗 Tab.2 Electricity consumption of the second pump station of the 3rd Waterworks from 2016 to 2018

選擇數(shù)據(jù)時，單臺機組工況分析盡量選擇可以單獨計量的運行時段，選取瞬時值和累計值進行混合分析，以反應真實的運行情況，其中供水壓力采用統(tǒng)計時段平均值。

4 結果與討論

4.1 機組單獨運行時的效率分析

二泵房9臺機組的效率情況見表1。可以看出，茅口二泵房的機組效率較高，水泵效率均在90%以上，機組效率大部分在85%以上，1#機組由于電機功率因數(shù)較低，導致機組效率和水泵效率相差較大。三水廠二泵房共5臺機組，其中5#機組為調配機組，從未獨立運行，不做單獨分析；7#機組未改造，效率較低，近幾年開機率低，未做分析。三水廠二泵房的其他3臺主力機組平均效率在75%左右。

2座泵房向同一個管網供水，管網特性一致，但其機組平均效率相差10%左右。分析原因可能是在改造泵選型時，茅口二泵房的額定揚程為41、42 m，而三水廠的額定揚程為45 m。實際運行時，泵出口壓力常年在41 m左右，茅口二泵房運行在額定高效頂點，三水廠二泵房則運行在高效點右側，效率略低。

4.2 8#機組變頻運行工況分析

為方便管網調壓，提高運行效率，2018年下半年對8#機組進行了變頻改造。統(tǒng)計了2018年10—12月8#機組的工況，核算出其頻率-水泵平均效率情況，見圖1。

圖1 8#水泵變頻情況下的效率曲線 Fig.1 Efficiency curve of the 8# pump with frequency conversion

由圖1可知，水泵效率隨頻率呈拋物線變化，存在最高效率點。變頻運行提高水泵效率，主要利用相似原理改變水泵特性曲線以適應管路[1]，擴展了水泵的高效運行區(qū)間，因而不同管路與水泵系統(tǒng)存在不同的高效頻率范圍。統(tǒng)計的供水單位電耗也存在相似規(guī)律，見圖2。由圖1和圖2可知，在三水廠二泵房所處的管路系統(tǒng)中，8#機組在45 Hz左右運行時效率最高，在42～48 Hz之間運行時效率高于工頻，建議變頻器在此頻率范圍運行。

圖2 8#水泵變頻情況下的電單耗曲線 Fig.2 Electric unit consumption curve of the 8# water pump with frequency conversion

根據(jù)2018年的數(shù)據(jù)，8#機組工頻平均效率為75.52%，變頻平均效率為76.98%，效率提高。若按照每年運行200 d計算，每年可節(jié)電約3.8×104kW·h。

4.3 不同機組級配情況下的效率分析

茅口二泵房的效率較高，為發(fā)揮茅口二泵房機組的最大供水能力，常年開2#和3#機組，只在檢修維護時停機。因此重點分析三水廠二泵房的級配效率，以降低能耗。三水廠不同級配條件下的供水效率和電單耗見表3，其中7#機組因未改造，效率較低，只在其他機組檢修時開啟，不做討論。

表3 三水廠二泵房機組不同級配條件下的效率情況Tab.3 Efficiency of units in second pump station of the San Waterworks under different gradation conditions

由表3可知，8#和9#機組并聯(lián)運行的效率最高，達到81.05%，同時開啟茅口2#和3#機組保證供水壓力(0.4 MPa)，最大供水流量約為11 500 m3/h。

4.4 變頻和定頻泵并聯(lián)運行分析

同一泵房內，機組額定揚程一般相同且高于運行壓力。變頻泵和定頻泵并聯(lián)運行時，變頻泵特性曲線左移，定頻泵特性曲線右移以達到管路特性點；或調節(jié)定頻泵出口閥門與變頻泵共同達到管路特性點，2種情況下均會浪費電能[2]。

討論機組組合效率時，統(tǒng)計了8#機組和其他機組并聯(lián)時的運行效率。6#+8#工頻、6#+8#變頻和9#+8#工頻、9#+8#變頻組合的效率分別為76.41%、76.97%和79.16%、81.05%，表明兩定的運行效率小于一定一變。據(jù)報道[2]全變頻效率高于定變組合的方式，即兩定<一定一變<兩變。

4.5 月度平均供水電耗分析

此外，對2017年和2018年的月平均供水電耗進行了分析，如圖3至圖6所示。

根據(jù)近2年的運行情況，泵房配水單耗和泵出口壓力呈正相關，即泵出口壓力越大，配水單耗越高；但從綜合單耗曲線可知，綜合單耗和泵出口壓力呈負相關，即泵出口壓力越大，機組效率越高。結合運行日志還可以發(fā)現(xiàn)，不同機組級配對供水單耗也有一定影響。

因此，分析可知：①配水電單耗隨管網壓力增大而升高；②由于機組額定揚程高于運行工況，泵出口壓力越大，機組效率越高；③泵房效率與機組級配有關。

圖3 2017年泵房綜合電耗Fig.3 Comprehensive power consumption of pump station in 2017

圖4 2018年泵房綜合電耗 Fig.4 Comprehensive power consumption of pump station in 2018

圖5 2017年泵房配水電耗 Fig.5 Electricity consumption of water distribution of pump station in 2017

圖6 2018年泵房配水電耗 Fig.6 Electricity consumption of water distribution of pump station in 2018

5 結語

① 二泵房機組改造后，三水廠二泵房的機組效率在75%以上，茅口二泵房達到85%以上。茅口二泵房機組的運行工況更接近額定點，效率明顯高于三水廠二泵房。建議機組選型時，額定點盡量接近管路的日常運行工況，遠期可采用更換機組或中途加壓方式解決揚程備用不足問題。

② 三水廠增加1臺變頻后，單獨或組合運行時電耗均有所降低，變頻運行最佳頻率為42～48 Hz。變頻調壓還方便了運行管理，根據(jù)2018年11和12月的運行日志，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)工頻運行和變頻運行時，開停泵次數(shù)由8.8次/d降至2.4次/d。為進一步優(yōu)化泵房運行工況，建議下一步對6#機組進行高壓變頻改造。

③ 傳統(tǒng)的供水泵站設計時采用大小泵配合，可以實現(xiàn)不同工況條件下的高效運行，但開停泵次數(shù)多，對操作人員要求高。隨著變頻技術的發(fā)展，同一型號、全變頻機組配置逐步成為大型泵站設計的趨勢。

④ 通過對水廠供水泵站運行情況的分析，找到運行特點，有針對性地進行改造并進一步分析改造后的運行工況，使機組運行更合理、精細和高效，是水廠技術管理人員必須開展的工作之一。