自来水厂取水泵站设计及节能分析

何孟基

（惠州市惠城区水利资源开发建设中心，广东 惠州 516000）

1 引言

现阶段，我国正在加快建设水利工程，并实现了工程管理的现代化变革[1]。水源泵房实际上就是取水泵站，当处于枯水位时，能够通过出水闸门井的设置更好的吸水[2]。设计取水泵站的思路能够直接影响取水泵站职能发挥的情况[3]。本文以惠城区为例，探究了该城区自来水泵站的设计内容，明确了水泵站基本参数以及供水管网配套二次加压泵站基本参数等，并基于此制定完善的泵站节能技术，帮助相关工作的快速推动。

2 工程概况

广东省惠州市惠城区共岭下、芦岚、横沥、大岚4座水厂，设计供水规模分别为8 500 m3/d、 2 200 m3/d、3 500 m3/d、1 500 m3/d。有3座配套取水泵站和3座出厂加压泵站；供水管网配套二次加压泵站共11座，其中岭下水厂配套岭下取水泵站1座、岭下一次加压泵站1座；同时设置1座供水管网配套黄沙洞二次加压泵站。

3 水泵站设计要点分析

3.1 水泵电耗计算基础公式分析

在前期设计中，通过计算提水泵站水泵电耗，可实现衡量提水泵站各项能效指标的功能。如公式（1）所示：

公式中，水泵功率、运行时间、电耗分别表示为P（kW）、t（h）、θ（kW·h），当水泵流量保持稳定，且扬程变化不大时，将会得到准确性更高的计算结果。但在取水泵实际抽水时，将会出现流量和扬程的持续大幅度变化[4]。当增大扬程后，单台水泵的流量将会降低，同时功率也会降低。一般来说，水泵最大功率决定了选配电机的功率[5]。对于水泵来说，其转速变化、电压波动将增加轴功率，出现电动机超负荷的情况[6]，因此电机选配备用系数为1.05~1.1。

3.2 水泵电耗计算衍生公式推导过程及分析

3.2.1 衍生公式

在进行提水泵站水泵电耗衍生计算时，可通过公式（2）进行：

其中，H（m）表示泵的扬程；W（m3）表示工作时间内，抽水装置可实现的抽送水体积；有如公式（3）所示计算公式：

其中，电机效率、水泵效率、动力变压器及电缆效率、动力机与泵之间传动装置效率分别为ηΠB、η、ηC、ηnep，其中ηC取0.96~0.98，ηnep取1。

3.2.2 衍生公式来源分析

水泵实际上能够转换动力机的机械能，完成被抽送液体的抽送，一般来说，会通过电能的转换得到动力机械能[7]。在能量转换的基础上，水泵可将电能转换为机械能，并进一步转换为重力势能与动能，从而实现提水的功能[8]，图1所示为其工艺流程。

图1 工艺流程示意图

能量方程见式（4）：

公式中，z1（m）、z2（m）表示水泵进口与出口断面位置水头；H（m）表示水泵扬程；p1（mH2O）、p2（mH2O）均表示绝对压强；v1（m/s）、v2（m/s）表示流速；重力加速度为g（m/s2）；水的密度为ρ（kg/m3）。通过公式（5）能够计算出水泵的输出功率Pu：

公式中，重力加速度为g（m/s2）；水的密度为ρ（kg/m3）；水泵扬程、流量、输出功率分别为H（m）、Q（m3/s）、Pa：电能转换势能的过程就是水泵提水的核心原理：Pu=PaηH·y，因此可得：Pa=9.81QH/ηH·y；衍生公式为：θ=9.81（QH/ηH·y）·t，Q=W/（3 600t）。

4 惠城区自来水取水泵站及加压泵站设计

4.1 水泵站基本参数

泵站流量确定：惠城区水厂设计供水规模为8 500 m3/d，取水泵站按照每天运行24 h计算，考虑10%自用水量，泵站取水流量为390 m3/h。取水泵站与絮凝池之间存在一根直径350 mm、长度40 m的上山输水钢管进行连接。取水泵站处的设计水位、最低水位、最高运行水位分别为14.90 m、11.57 m、23.79 m。出水池正常运行水位为集水槽出水水位，水位变化很小，基本可以忽略不计，因此，出水池设计水位、最高及最低水位均可取31.35 m，出水处为上山钢管最高点及最远点。取水水泵扬程计算：管道糙率为0.012，沿程钢管、局部水头损失分别为0.2 m、2 m，自由水头取2 m。计算泵站最高扬程指的是进水池最低水位和水池最高水位之间的差值，为23.98 m。泵站设计扬程指的是进水站、出水池设计水位差值，为20.45 m。计算泵站最低扬程得出结果为11.56 m。表1所示取水泵站相关参数。

表1 惠城区取水泵站基本参数表

4.2 惠城区自来水一次加压泵站

根据惠城区水厂出厂水压及水量要求，出厂净压力为48.2 m，设计流量为192.18 L/s。清水池设计水位最高水位24.80 m，设计水位24.00，最低水位22.50 m，加压点地面高程为26.00 m。水泵扬程计算：加压泵站水头损失按1.5 m估算。泵站最高扬程取加压点高程与清水池最低水位差值加上水头损失及出厂净压力计算，为53.2 m。泵站设计扬程取加压点高程与清水池设计水位差值加上水头损失及出厂净压力计算，为51.7 m。泵站最低扬程取加压点高程与清水池最高水位差值加上水头损失及出厂净压力计算，为50.9 m。表2所示为一次加压泵站基本参数情况。

表2 惠城区一次加压泵站基本参数表

表3所示为供水管网配套二次加压泵站基本 参数。

表3 二次加压泵站基本参数表

4.3 泵型选择

4.3.1 取水泵站

惠城区取水泵站设计流量390 m3/h，设计扬程20.98 m。惠城区取水泵站的取水来源均为河道，扬程较低且接近，拟选用潜污泵与单级单吸卧式离心泵两种泵型做比较，两种泵型定性对比情况如表4所示。

表4 泵型比较

由表4知，潜污泵运行稳定性有保证，汽蚀性能、泵装置效率、维护检修等方面均有优势，设备投资虽然略高，但是由于水泵较小，台数不多，设备投资增加影响非常有限，而潜水泵采用湿式泵房，土建上节省投资更为明显，综合比较，惠城区取水泵站推荐选用潜污泵。

4.3.2 加压泵站

一次加压泵站3座，分别为惠城区一次加压泵站、芦岚一次加压泵站及横沥一次加压泵站；二次加压泵站共11座，分别为黄沙洞、大兴村、岚田村、岚石村、小岚村、輋洞村、欧陂村、下苦竹村、大良村、军田村、黄洞小组。经分析，大兴村、岚田村、岚石村、欧陂村、下苦竹村、军田村、黄洞小组二次加压泵站不存在进水管负压情况，拟选用恒压变频供水成套设备。而黄沙洞、小岚村、輋洞村、大良村二次加压泵站可能存在进水管负压情况，拟选用无负压恒压变频供水成套设备。

4.3.3 水泵台数选择

水泵站工程规模都比较小，因此不能设置数量过多。本阶段结合泵站实际情况，拟采用2台（一用一备）方案与3台（两用一备）方案进行比较，根据不同时期的供水量调整开机台数，同时采用变频运行等方式，经清水池调蓄等，可满足不同水量要求，结果见表5。

表5 工作水泵台数比较表

由表5知，两方案技术上均可行；方案1较经济，取水泵站均推荐方案1：2台（一用一备）。由于加压泵站需根据用户需水量进行动态调节水量及水压，供水水量变化范围较大，加压泵站均拟采用变频供水成套设备，配套稳压气罐方式，台数结合厂家成套设备配套及流量分配要求进行选取。

4.3.4 水泵安装高程确定

在设计自来水厂取水泵站的过程中，一般选择最不利点为水管最远点，并基于该点计算泵组扬程，随后再根据管段最高点进行复核，确保准确性；若复合发现最高点出现最不利点，此时就以最高点进行泵组扬程的计算[9]。但与实际运行工况相比，该方法得出的水泵扬程偏大，会出现能量富余现象[10]。惠城区取水泵站，根据设备要求，水泵叶轮淹没于最低运行水位以下0.5 m即可满足吸水及汽蚀要求。最低运行水位为11.57 m，为保证取水安全，根据实际情况，适当预留淹深，本工程取水泵安装高程确定为10.00 m。加压泵站均拟采用地面布置方式，加压泵进出水管中心高程要求高于地面0.4 m，满足安装要求即可。

4.3.5 泵组参数

惠城区取水泵站水泵型号参数：选用潜污泵200WQ400-25-45，配套电机功率45 kW，水泵设计工况点扬程20.98 m，单机流量400 m3/h，能满足本工程的使用要求。泵组基本参数见表6。

表6 惠城区取水泵站水泵技术参数

选取恒压变频成套设备作为惠城区一次加压泵站：设计工况点扬程51.7 m，额定流量700 m3/h，配套气压罐容积1.66 m3，总功率240 kW。配套加压主水泵型号参数：选用S型单级双吸卧式离心泵DFSS200，配套电机75 kW，水泵设计工况点扬程51.70 m，单机流量350 m3/h，可以为工程开展提供需求的水泵和电机。选择3台水泵设备，其中2台为正常运行，1台为备用机；稳压水泵选用1台，流量宜与主水泵相配套选取50 m3/h，选用立式单吸多级分段式离心泵，型号为80DL50-20×2，配套电机15 kW，水泵设计工况点扬程52 m，单机流量50.4 m3/h。泵组基本参数见表7。

表7 惠城区一次加压泵站水泵技术参数

5 水泵工作点能源单耗数学模型及节能分析

5.1 水泵工作点

水泵工作点指的是管路特性曲线和水泵基本特性曲线的交点。只有确定稳态工作点，才能实现泵站节能优化的目的，不对称并联工作示意图见图2所示。

图2 不对称并联工作点示意图

如图所示，曲线Ⅰ、曲线Ⅱ分别表示单台与并联两台同型号水泵特性曲线，当单台水泵出水管路损失系数为S1时，出水管路特性为曲线Ⅲ，当损失系数为S2时，出水管路特性为曲线Ⅳ，并联S1、S2两条输水管路，出水管路特性曲线为Ⅴ，且损失系数为S1+2。A1（Q1，H1）和A3表示单泵单管输水方式工作点，点B1（Q3，H3）和B3表示双泵单管输水方式工作点；点A2（Q2，H2）、B2（Q4，H4）分别表示单泵双管、双泵双管并联输水方式的工作点。单泵（双泵）双管并联输水方式比单泵（双泵）单管输水方式有更大的工作流量，有Q2＞Q1，Q4＞Q3；同时二者相比，前者的工作扬程更小，有H2＜H1，H4＜H3，即当保持净扬程H净不变，双管并联输水比单管输水水泵工作点右移，有效提高管路效率。

计算并联管路损失系数方法为：在双管并联运行时，以点A2（Q2，H2）为例：由H2=H净+S1+2Q22可得 到；由H2=H净+S1Q221可得到Q21=；由H2=H净+S2Q222可得到；因Q2=Q21+Q22，因此有，简化可得

此外，管路损失系数S1+n，当n≥2条管路并联时，有公式（6）所示的计算公式：

5.2 能源单耗数学模型

能源单耗可将泵站设备、配套、工况等综合性经济指标呈现出来。所以，假设输送清水，密度为1 000 kg/m3，此时水泵工作点为（Q，H），运行时间为T，此时能源单耗情况如下：

公式中，水泵工作点扬程为H（m）；水泵工作点流量为Q（m3/s）；泵站消耗总功率为N总（kW）；水泵有效功率为N效（kW）；水泵运行时间为T（h）；泵站消耗电量为E（kW·h）；能源单耗为e[kW·h/(m3·m)]；泵站T时间内输水总量为Q总（m3）；传动效率为η传；泵站效率为η站；水泵效率为η泵；电机效率为η电；水池效率η池；管路效率为η管。在泵站系统中，保持η传、η电、η池不变，公式（7）可表示水泵机组能源单耗e随管路效率η管、水泵效率η泵变化的情况，其中能源单耗e与管路效率η管、水泵效率η泵为反比关系。若提高管路效率η管、水泵效率η泵，可有效降低水泵机组能源单耗e。

5.3 水泵站节能分析

对于变压器而言，惠城区水厂配套1套容量315 kW美箱式户外终端型变电站，变压器的选择为最新型号的S11系列，可实现最高的运行效率和最小的电能损耗，节能效果明显。对于低压配电柜而言，采用成套柜，以较小空间容纳较多功能单元，装置空气断路器，节省配电柜。0.4 kV配电采用单母线接线，进线及馈电回路均设断路器。分层设置配电箱，集中供电，减少供电回路及电缆等材料。基于节能原理，设计泵站照明系统和机组运行，光源可使用节能型LED光源等。泵站装机容量较小，水泵控制宜简化配置，考虑具有规律性，可进行流量的调节时，运行方式更加灵活，符合节能设计要求。

6 结论

惠城区自来水取水泵站进行设计，明确了水泵站基本参数以及供水管网配套二次加压泵站基本参数等，得出如下结论：

（1）确定泵站取水流量为390 m3/h，设计水位、最低水位、最高运行水位分别为14.90 m、11.57 m、23.79 m。设计水位、最高及最低水位均可取31.35 m，泵站最高扬程为23.98 m，设计扬程为20.45 m，最低扬程为11.56 m。

（2）出厂净压力为48.2 m，设计流量为192.18 L/s。清水池设计水位最高和最低水位分别是24.80 m、22.50 m，加压点地面高程为26.00 m。泵站最高扬程和最低扬程分别是53.2 m、50.9 m。

（3）取水泵站采用2台（一用一备）方案，选用潜污泵200WQ400-25-45，配套电机功率45 kW，水泵设计工况点扬程20.98 m，单机流量400 m3/h，潜污泵设计效率76%，满足节能需求。