泵站优化配置及其经济性评估方法研究

张文钢

(宝钢股份备件资材采购部 上海200941)

1 泵站现状及其分析

泵站在钢铁企业及核能发电厂的循环供水、城镇给排水等流体输送工程中，已被广泛应用。这些泵站在长期运行中，给各个部门乃至整个国民经济带来了不可低估的经济效益和社会效益，但也是以大量的投资和能源消耗为代价换取的。有关资料表明，全国大部分泵站都处于低效运行，效率低于50%的泵站占全国泵站总数的一半以上，也就是说泵站所消耗的能源一半以上做了无用功［1］。当然泵站效率低、能源消耗大的原因是多方面的，而规划设计、设备制造和运行管理对其影响较大。为此，泵站规划设计时，设备选型、配置尤为重要，而水泵作为系统中的主要耗能设备，其选型和运行模式对能耗的影响最大。

当前，全世界的泵制造商致力于在设计上提高泵效率，在运行中降低泵功率损失的研究开发。高效、环保、节能是国内一项重要的基本国策，国家积极投资鼓励开展这方面的研究。当前，传统的节能概念是不合理的，而正确的节能概念是减少泵产品总寿命期内的消耗成本，不仅仅是传统观念的效率指标，而是包括与产品有关的方方面面所需要的成本，需要积极开展泵产品设计、制造、运行、管理等方面的节能措施研究［2］。

泵站的主要设备是水泵，泵站的优化配置其核心是水泵的优化配置，也就是正确的选择水泵的型号、规格及数量，并根据工艺系统的需求罗列所有可能的方案，然后从投资和运行成本等方面的考量选择其中最佳的方案，这是进行泵站优化设计和配置的一种方法，而相似理论是这种方法的理论基础之一。泵站优化的重要内容是泵站组合及能耗的计算，最后把能耗、投资、备件、维修、保养等各种因素都考虑在内进行综合评估，选择最佳的配置方案。

2 水泵的相似律

在水泵的设计、改造、运行计算等工作中都要用到相似理论及其公式，其常用的三个公式:

第一相似律及其表达式

第二相似律及其表达式

第三相似律及其表达式

而对于同一台泵，由于结构相同，

DP=DM，ρP=ρM

式中DP—原有机泵有效直径;

DM—优化的水泵有效直径;

ρP—原有水泵中水密度;

ρM—优化后水泵中水密度。

其在不同的工况下它们间的关系可用比例律表示:

式中Q1、H1、P1—转速为n1时的流量、扬程和轴功率;

Q2、H2、P2—转速为n2时的流量、扬程和轴功率。

比例律非常实用，它可以反映转速改变时水泵性能变化的规律，也可用来进行变速调节计算。

3 泵站配置策略

对于工况变化大而频繁的泵站来说，要考虑采用调速泵和定速泵的并联运行问题。不同型号和数量的定速泵组合虽然能够适应多种流量变化，但还不是连续变化，仍然有能量损失。而调速泵和定速泵并联运行，则可实现流量的连续变化，把能量损失降低到最低。调速泵的数量及其调速范围对泵站的配置尤为重要。

3.1 调速泵台数的确定

首先通过需要的最大流量来确定泵站所需要的水泵数量ntotal，即

式中Qtotal—管网所需的最大流量;

Qone—恒速泵的额定流量。而调速泵的最少台数泵nmin为

式中ΔQ—调速泵的最佳范围，ΔQ=Qmax-Qmin;Qmax—调速泵高效区的最大可调流量;Qmin—调速泵高效区的最小可调流量。

3.2 调速泵最佳调速范围的确定

水泵最佳调流范围是指水泵在调速前后均在高效段内工作时所允许的流量最大变化范围。因为需水量是不断变化的，所以，确定水泵的调流范围有重大意义。

图1 水泵调流最佳范围确定图

在图1中，hA=kAq2，hB=kBq2分别表示水泵等效率高效段的左端和右端部分。A1B1是定速泵特性曲线的高效段，其额定转速为n1。当转速由n1调降到n2时，水泵特性曲线的高效段也相应下降到A2B2，此时工况点也由B1沿管道特性曲线下降到B2。为了确保抽水扬程而防止抽不上水，调速后特性曲线上的扬程HA2应超过定速泵工作时的最小扬程HB1，即要满足HA2＞HB1。又因为水泵的选取是按照最大设计流量设计，所以qB1是水泵调节流量的最大值，水泵调节流量的最小值也即调速泵的启动流量qA2。

由于A1、A2在同一等效曲线上，则由比例律式(4)可知

因为有HA2≥HB1，所以;由此可得水流调节的最佳范围为

3.3 案例分析

以宝钢热轧厂能源1880轧辊冷却水C系统要求供水扬程在174～155m，其流量范围在6000～9300m3/h。

以泵组中英国WEIR公司提供的水泵特性曲线为例，求取其最佳调速范围。该水泵的最高效率是79%，额定流量是1400m3/h，扬程是171m，这是额定工况点。运用比例律(4)作出转速为额定转速97%、94%、90%、85%时的四条Q-H特性曲线。以78%效率作为高效区两侧，以155m相应的转速为92%及定速泵特性曲线构成了其最佳调速运行区域。英国的WEIR最佳调速范围是92%～97%，两侧的等效率曲线是78%，这四条曲线所围的区域就是WEIR泵在宝钢C系统的最佳调速运行区域 ，如图2所示。

图2 英国WEIR公司水泵的特性曲线

图3 德国KSB公司水泵的特性曲线

根据泵站的最大流量以及单台恒速泵的额定流量，根据公式(5)可以计算出该泵站的并联水泵数为:9300/1400=6.64，取其整数为7台。

78%等效率曲线与恒速泵的特性曲线交点对应的流量分别为1200m3/h及1600m3/h。由于液力偶合器调速存在3%的滑差，则其最大可调流量为1552m3/h。而78%等效率曲线与调速下限交点处的流量为1118.2m3/h。

根据公式(6)可得出调速泵最少数量为:1552/(1552-1118.2)=3.6。

根据宝钢在使用的另外一进口厂家德国KSB公司的水泵特性曲线(额定流量1300m3/h，扬程为175m，效率为83%)，绘制出其最佳调速范围如图3所示。

图3中，KSB泵的最佳变速调流区域由水泵的固有特性线(转速100%)和转速为90%的特性线以及两侧81.5%的等效率曲线所围。

按照同样的方法，其泵组数量为9300/1300=7.15，最少调速泵数为1445/(1445-1002.8)=3.3。

以上数据如何取舍，参看表1。

4 泵站全成本模型

泵站运行成本一般包括运行费用(以电费为主)，检修、折旧等费用以及其他与泵站运行有关的费用。

4.1 泵站能耗计算公式

泵站在运行期间由于工况得变化其负荷也是变化的，假定其最大日用水量随时间变化曲线如图4所示。

图4 最大日用水量变化曲线

泵站由多台水泵并联运行时，则其中某一台恒速水泵i的功率消耗为:

式中Qi—水泵供水量(m3/s);

Hi—水泵i供水扬程(m);

γ—水的容重(N/m3);

ηdi—电机i的效率;

ηci—定速泵电动机后面与水泵间的联轴器i传动效率;

ηbi—水泵i的效率。

如果一个周期内可以划分为T个时段，每个时段内系统运行是稳定的，各个并联运行的水泵都有各自的流量和扬程。则在某一时段Δtj内所有并联运行的水泵所消耗的电能为

所以，在整个周期内所消耗的全部电能为根据公式(4)、(7)，在整个周期内泵站所消耗的全部电能为

式中Q0—定速泵初始流量;

H0—定速泵扬程;

n0和n＇—在该时段内投入运行的定速泵和调速泵的台数;

ηc—定速泵的传动效率，因为是直接传动，可以当作100%。

电机的效率ηd和水泵的效率ηb可以当作恒定的，调速泵的传动效率是随转速变化的，该效率与该时段的转速相对应。Q＇、H＇、η＇c分别为调速泵流量与扬程和效率。

4.2 全成本模型

泵站的全成本F为一段时间T内的总费用，包括水泵的能耗费用W×P，其所占比例最大而且是连续的量;一次性设备投资费用S;检修费用及其他费用K［4］。

式中P—电价。

将公式(10)代入后，

以泵产品总寿命期(或则折旧年限)作为时间T的话，转化为年度平均费用，用C表示为:

上式中，第一项用Ψ1表示，主要影响因素为水泵的效率及运行模式;第二项用Ψ2表示，主要因素为设备配置，诸如调速装置数量及调速型式等;第三项用Ψ3表示，主要因素为设备的性能。即C=Ψ1+Ψ2+Ψ3。

5 泵站经济性评估

根据公式(13)描述的泵站年度平均成本C，得知泵站的成本是可具体准确计算的。因此在对整个泵站进行经济性评估时，采用年度成本最小准则具有现实意义，具体如下:

式中Ci—第i种泵站方案的年度成本。

再以宝钢热轧1880 C系统冷却泵站为例，对英国WEIR和德国KSB公司两种方案进行评估。如表1所示。

表1 两种方案评估

而最终宝钢热轧1880C系统泵站选用了英国WEIR的水泵，泵站配置为9台水泵，其中恒速泵5台而调速泵为4台，这其中主要是考虑到能源车间没有故障时间而特别增加的备用水泵的问题。在此方案比较中，效率的稍微偏差不及价格偏差更有影响。

6 总结

泵站的泵组的设计和选型配置，需要根据系统需要的工艺参数决定，同时需要根据水泵的总寿命期内的消耗成本，或单位时间的泵站的平均费用，以运行成本最小为准则，对泵站的多种组合进行评估，选出最佳的组合方案，该方法具有较好的操作性和可行性。

［1］杨建军.泵站经济运行管理问题初探［J］.科技情报开发与经济，2007，Vol.13(33):295-297.

［2］牟介刚，黄忠红，张生昌，等.泵行业的基本概况及技术发展趋势［C］.中国农业机械学会2006年学术年会，镇江，2006:182-184.

［3］张文钢，黄刘琦著.水泵的节能技术［M］.上海:上海交通大学出版社，2010.

［4］冯晓莉，仇宝云.大型泵站系统运行优化模型与节能效果比较［J］.农业工程学报，2012，Vol.28(23):46-50.