泵站机泵机组改造与效益分析及其运行工况应用

吴俊华WU Jun-hua

（上海城投原水有限公司长江原水厂T 泵站，上海 200000）

1 概况

上海城投原水有限公司长江原水厂T 泵站承担着将上海四大水源地之一的陈行水库优质原水经陈行输水泵站送达T 泵站增压后向W、Z、L 水厂供水，设计规模70 万m3/d，设有主泵6 台（其中2 台专供W水厂，4 台专供Z、L 水厂，T5#机泵如今改成超越管形式），青草沙系统投运后，6 台机泵二用四备，并联向W、Z 方向供水。2008 年10 月16 日原水公司在浦东威立雅、市北自来水公司的配合下，顺利完成了T 泵站90 万m3/d 能力的测试。长江系统T 增压泵站综合供水能力达到90 万m3/d。

对于我们原水厂来说，原水输水生产过程中最大的运行成本就是水泵电动机所产生的耗电量。根据相关报告，原水厂电费成本约占供水成本的50%以上，但是运行过程中水泵的效率大多不足60%，泵站的综合效率不足50%，存在的大量的电量能源浪费。节能降耗可以降低供水企业的生产运行成本，提高经济效益。

T 泵站自建造以来已运行近30 年，T2#T4#配套使用ABB 的1600kW 电机以及ABB 变频器。目前该机泵的实际运行工况与原设计工况不符，且该变频器型号早已淘汰，其零部件已停产多年，代替产品大小尺寸与现尺寸不符合，难以替换使用。由于设备老化，变频器故障率较高，谐波毛刺现象超标，所引起的损害也加快了电机的老化，虽然期间电机多次出厂大修，更换易损部件，但是在巡视过程中发现振动和异常响声，仍然呈现不断恶化趋势，且水泵叶轮等易损坏的部件也不同程度存在磨损，造成汽蚀现象严重，使水泵叶轮和壳体出现不同程度损坏，且机泵效率低下。随着年限的不断增加存在安全隐患，故对T4#机泵机组改造成变频调速控制系统。对T2#机泵机组更新改造，控制系统采用软启动全速运行。

T 泵站机泵机组的主要参数见表1 机泵及电机基本参数。

表1 机泵及电机基本参数

T 泵站供电系统有两路35kV 进线电源分别是X 泵I段和X 泵II 段。每一路母线下有3 台机泵，T1#、T3#、T7#机泵机组是X 泵I 段系统下运行，T2#、T4#、T6#机泵机组是在X 泵II 段系统下运行，如图1。

图1 T 泵站简易布置

通常情况下由于外电路可能出现单路失电或者机泵故障突然跳车又或者电网波动等故障，处于安全考虑，两端母线上分别运行一台机泵机组，以防止泵站产生安全事故中断向下游的W 水厂供水。

如今城投原水经过不断的升级已机泵实现了“两江并举、集中取水、水库供水、一网调度”的原水供应格局。三大原水供应系统中，青草沙原水系统与长江原水系统通过L支线实现互通，如出现应急突发重大事件，影响系统正常供应时，在上级相关部门和领导的统一指挥下，可通过原水一网调度实施相关水厂的水源切换，确保原水应急正常安全的供应。

2 变频调速

确保水泵在高效范围内运行是水泵节能的关键所在。适应不同的工况，确保水泵在高效节能的性能曲线上。水厂供水系统中，泵的选择必须满足供水对象所需的最大流量和最大压力的要求，由于水泵运转高效区范围不宽，而用户的实际需水量总是在不断变化，很难使水泵一直保持在高效区运行。所以T4#泵改成了变频调速。

变频调速具有调速范围广、平滑性好、效率最高、有优良的静态及动态特性，可以方便地实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速十分相似，是应用最广的一种高性能交流调速。变频调速已经成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域得到了广泛的应用。

3 软启动器

三相交流电动机以及优良的性能、简单的结构形式和免维护等优点，当三相交流电动机采用全压直接启动的方式时，电动机的启动电流很大，一般为电动机额定电流的5-8 倍，对供电电网造成较大冲击。软启动它可以使电动机在整个启动过程中实现无冲击平滑地启动，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数，软启动器所具有的软停止功能可有效地避免水泵停止时所产生的“水锤效应”。软启动器实际上是采用相位控制的交流调压电路，仅仅是改变输出电压，频率不变。

4 水泵工作效率曲线

水泵的工作效率主要取决于流量与转速之比。如图2可知，当通过关小阀门来减小流量时，由于转速不变，n*=1，比值Q*/n*=Q*，其效率曲线如图的曲线①所示。当流量Q*=60%，其效率将降至B 点。可见，随着流量的减小，水泵工作效率的降低十分显著的。而在转速控制方式下，由于阀门开度不变，流量Q*和转速n*是成正比的，比值Q*/n*不变。其效率曲线因转速而变化，在60%nN时的效率曲线如图曲线②所示。当流量Q*=60%时，效率由C 点决定，它和阀门控制时Q*=100%的效率（A 点）是相等的。也就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态。所以转速控制方式与阀门控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。所以这是变频调速供水系统具有节能效果的方面。由此可见，当T 泵站需要满足下游水厂水量时，如要单独运行一台机泵选择T2#或者T4#机泵时，因便于水量的随时变化，故优先选择T4#变频机泵机组。

图2 T4#变频机组和T2#软启动机组对比

对T2 泵和T4 泵做了数据分析，如表2，表3。

表2 T2 现场测试效率数据

表3 T4 现场测试效率数据

从T2 号和T4 号机组的测试流量扬程曲线同比可以得出，如图3，测试参数重复性好，精度可靠性比较好，同时T4 号机组的整体效率低于T2 号机组，效率偏差在15000m3的时候，T2 号机组比T4 号机组高2.3%。

图3 效率曲线对比

T2 和T4 水泵是同一型号，T2 是软启动恒速电动机拖动，当水量发生变化时，T 泵站需要采用开启T5 超越管以及调节T3 阀门节流的办法来调节流量，因此严重浪费电能。但是如果W 支线和L 支线在需要大水量情况下，如每小时14000-15000m3左右的水量。则不需要开启T4 变频机泵机组，一般情况下变频调速系统一般消耗3%-6%能量（其中包含电动机因效率降低造成的额外能量损失），若变频调速所带来的效益不足于抵消调速装置的损耗，则造成不但不节能、反而多耗能。平时一般情况下L 支线和W支线每小时需要10000m3左右水量。因此开启变频机泵机组能有效的节约耗电能，大大减少运行成本。

5 工况实例分析

T 泵站主要供W 支线和L 支线，近年来通常情况下泰和泵站日均出水量在20 多万吨。L 支线水量需求略高于W 支线。

对表4 运行工况进行分析。

2021 年6 月1 日至2021 年6 月18 日，T 泵站运行状况以及能耗和出水量如表4。

表4 运行工况表

18 天的工况，均是单独运行1 台机泵，没有同时运行2 台及以上机泵。

6 月15 日，由于每月有一天将进行防潮运行，所以T1、T2、T3、T6、T7 机泵分别进行了开车运行。如表5。

表5 单日运行工况

由此可见在满足水量需求的前提下，在低转速运行时，首先考虑变频调速机泵。这样更具有经济效益。

T4 和T7 是T 泵站常运行的主力机泵。

这18 天进水平均压力在0.115-0.130MPa 之间，送W支线压力在0.140-0.155MPa，送L 支线压力在0.090-0.140MPa，进水压力的大小对出水的水量有一定影响。

对比T4 泵和T7 泵。同样单泵运行5 日总共120 小时的情况下，见表6。

表6 5 日运行能耗对比

T4 泵，1、2、5、6、7 日运行，T7 泵，9、10、11、12、13 日运行。

由此可见，在全天同样运行一台泵的情况下，总出水流量在相差不多的情况下，开启T4 机泵是最具经济效益的。

效益分析：

根据工业用电价格夏季和非夏季的谷峰进行折算，折算后的平均电价为0.736 元/kW·h 计算。在5 日120 小时情况下，开启T4 泵要比开启T7 泵节约电费16169 元。如果在确保需求供水量的前提下以及水量很稳定的情况下，长时间开启T4 机泵机组，对于节能减耗是一笔很可观的效益。

在供水保高峰期间，确保不发生意外状况，如外线路单路失电，需要X I 段和X II 段，两路进线上每一路开启一台机泵，2 台机组同时进行对闸北支线和凌闸支线供水，进行分析。见表7 运行工况，表8 运行机组时间表。

表7 2020 年7 月运行工况

表8 2020 年7 月泰泵机组运行时间

2020 年7 月工况，主要以T4 和T7，两台机组同时运行向W 支线和L 支线供水，期间T1、T2、T3、T6、防潮运行，开启时间不多。

T1 单独运行1 小时（防潮运行）T2 单独运行1 小时（防潮运行），T3 和T6，两台同时开启运行70 小时；T4 和T7，两台同时开启运行672 小时。

由此可见，供水保高峰期间在确保水量的前提下，同时开启两台变频机泵机组并网向W 支线和L 支线供水，确保了在保高峰期间万一出现电网波动或者单路失电情况下，不会出现短时的断水情况。

我们以1 天24 小时T 泵站供水量为基准，比较在相近水量时，每台机泵及组合搭配机。

表9 泵的运行单耗情况

表10 泵的运行单耗情况

表11 泵的运行单耗情况

从以上3 组数据对比比较结果可以看出，在供水量较大的情况下我们一般不单独运行T3#和T6#；从运行单耗来看，T4 和T7 同时开启的单耗最低，T4 单独运行次之，之后排位分别为T3 和T6，T7，T3，T6。

6 结语

总结上述案例综合分析可知：

当T 泵站只开启一台泵供2 家水厂时，日供水量在30 万m3左右，T2 泵优先于T4 泵。

当T 泵站只开启一台泵供2 家水厂时，日供水量在20 万-30 万m3左右，T4 泵优先于T2 泵。

当供水量须频繁变动须开启变频调速机泵时T 泵站开启T4 机泵的经济效益高于T7 机泵。

如日供水厂量在20 万m3以上，同时开启T4#和T7#两台变频调速的经济效益比只开启T2 或者T4 一台机组更经济高效。

经过多次测算比较后，在满足下游水厂水量时，同时开启T4 和T7 机泵比同时开启T3、T6 机泵更具有经济效益。

T4 机泵机组改造成变频机组后运行，极大地平衡了T泵站两路供电与供水能力，很有效地提高了机泵的利用率，大大优化了机泵搭配的选择性。可根据W 支线以及L支线水量的需求选择性的开启合适的机泵机组，根据变频机泵的特性曲线，根据实际下游水厂的需求，合理选择最高效的机泵起到了节能降耗的作用，以及大大减少了在能耗电费上的支出。