何孟基

（惠州市惠城區(qū)水利資源開發(fā)建設(shè)中心，廣東 惠州 516000）

1 引言

現(xiàn)階段，我國正在加快建設(shè)水利工程，并實(shí)現(xiàn)了工程管理的現(xiàn)代化變革[1]。水源泵房實(shí)際上就是取水泵站，當(dāng)處于枯水位時(shí)，能夠通過出水閘門井的設(shè)置更好的吸水[2]。設(shè)計(jì)取水泵站的思路能夠直接影響取水泵站職能發(fā)揮的情況[3]。本文以惠城區(qū)為例，探究了該城區(qū)自來水泵站的設(shè)計(jì)內(nèi)容，明確了水泵站基本參數(shù)以及供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站基本參數(shù)等，并基于此制定完善的泵站節(jié)能技術(shù)，幫助相關(guān)工作的快速推動(dòng)。

2 工程概況

廣東省惠州市惠城區(qū)共嶺下、蘆嵐、橫瀝、大嵐4座水廠，設(shè)計(jì)供水規(guī)模分別為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座出廠加壓泵站；供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站共11座，其中嶺下水廠配套嶺下取水泵站1座、嶺下一次加壓泵站1座；同時(shí)設(shè)置1座供水管網(wǎng)配套黃沙洞二次加壓泵站。

3 水泵站設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1 水泵電耗計(jì)算基礎(chǔ)公式分析

在前期設(shè)計(jì)中，通過計(jì)算提水泵站水泵電耗，可實(shí)現(xiàn)衡量提水泵站各項(xiàng)能效指標(biāo)的功能。如公式（1）所示：

公式中，水泵功率、運(yùn)行時(shí)間、電耗分別表示為P（kW）、t（h）、θ（kW·h），當(dāng)水泵流量保持穩(wěn)定，且揚(yáng)程變化不大時(shí)，將會(huì)得到準(zhǔn)確性更高的計(jì)算結(jié)果。但在取水泵實(shí)際抽水時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)流量和揚(yáng)程的持續(xù)大幅度變化[4]。當(dāng)增大揚(yáng)程后，單臺(tái)水泵的流量將會(huì)降低，同時(shí)功率也會(huì)降低。一般來說，水泵最大功率決定了選配電機(jī)的功率[5]。對(duì)于水泵來說，其轉(zhuǎn)速變化、電壓波動(dòng)將增加軸功率，出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)超負(fù)荷的情況[6]，因此電機(jī)選配備用系數(shù)為1.05~1.1。

3.2 水泵電耗計(jì)算衍生公式推導(dǎo)過程及分析

3.2.1 衍生公式

在進(jìn)行提水泵站水泵電耗衍生計(jì)算時(shí)，可通過公式（2）進(jìn)行：

其中，H（m）表示泵的揚(yáng)程；W（m3）表示工作時(shí)間內(nèi)，抽水裝置可實(shí)現(xiàn)的抽送水體積；有如公式（3）所示計(jì)算公式：

其中，電機(jī)效率、水泵效率、動(dòng)力變壓器及電纜效率、動(dòng)力機(jī)與泵之間傳動(dòng)裝置效率分別為ηΠB、η、ηC、ηnep，其中ηC取0.96~0.98，ηnep取1。

3.2.2 衍生公式來源分析

水泵實(shí)際上能夠轉(zhuǎn)換動(dòng)力機(jī)的機(jī)械能，完成被抽送液體的抽送，一般來說，會(huì)通過電能的轉(zhuǎn)換得到動(dòng)力機(jī)械能[7]。在能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，水泵可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能與動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)提水的功能[8]，圖1所示為其工藝流程。

圖1 工藝流程示意圖

能量方程見式（4）：

公式中，z1（m）、z2（m）表示水泵進(jìn)口與出口斷面位置水頭；H（m）表示水泵揚(yáng)程；p1（mH2O）、p2（mH2O）均表示絕對(duì)壓強(qiáng)；v1（m/s）、v2（m/s）表示流速；重力加速度為g（m/s2）；水的密度為ρ（kg/m3）。通過公式（5）能夠計(jì)算出水泵的輸出功率Pu：

公式中，重力加速度為g（m/s2）；水的密度為ρ（kg/m3）；水泵揚(yáng)程、流量、輸出功率分別為H（m）、Q（m3/s）、Pa：電能轉(zhuǎn)換勢(shì)能的過程就是水泵提水的核心原理：Pu=PaηH·y，因此可得：Pa=9.81QH/ηH·y；衍生公式為：θ=9.81（QH/ηH·y）·t，Q=W/（3 600t）。

4 惠城區(qū)自來水取水泵站及加壓泵站設(shè)計(jì)

4.1 水泵站基本參數(shù)

泵站流量確定：惠城區(qū)水廠設(shè)計(jì)供水規(guī)模為8 500 m3/d，取水泵站按照每天運(yùn)行24 h計(jì)算，考慮10%自用水量，泵站取水流量為390 m3/h。取水泵站與絮凝池之間存在一根直徑350 mm、長度40 m的上山輸水鋼管進(jìn)行連接。取水泵站處的設(shè)計(jì)水位、最低水位、最高運(yùn)行水位分別為14.90 m、11.57 m、23.79 m。出水池正常運(yùn)行水位為集水槽出水水位，水位變化很小，基本可以忽略不計(jì)，因此，出水池設(shè)計(jì)水位、最高及最低水位均可取31.35 m，出水處為上山鋼管最高點(diǎn)及最遠(yuǎn)點(diǎn)。取水水泵揚(yáng)程計(jì)算：管道糙率為0.012，沿程鋼管、局部水頭損失分別為0.2 m、2 m，自由水頭取2 m。計(jì)算泵站最高揚(yáng)程指的是進(jìn)水池最低水位和水池最高水位之間的差值，為23.98 m。泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程指的是進(jìn)水站、出水池設(shè)計(jì)水位差值，為20.45 m。計(jì)算泵站最低揚(yáng)程得出結(jié)果為11.56 m。表1所示取水泵站相關(guān)參數(shù)。

表1 惠城區(qū)取水泵站基本參數(shù)表

4.2 惠城區(qū)自來水一次加壓泵站

根據(jù)惠城區(qū)水廠出廠水壓及水量要求，出廠凈壓力為48.2 m，設(shè)計(jì)流量為192.18 L/s。清水池設(shè)計(jì)水位最高水位24.80 m，設(shè)計(jì)水位24.00，最低水位22.50 m，加壓點(diǎn)地面高程為26.00 m。水泵揚(yáng)程計(jì)算：加壓泵站水頭損失按1.5 m估算。泵站最高揚(yáng)程取加壓點(diǎn)高程與清水池最低水位差值加上水頭損失及出廠凈壓力計(jì)算，為53.2 m。泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程取加壓點(diǎn)高程與清水池設(shè)計(jì)水位差值加上水頭損失及出廠凈壓力計(jì)算，為51.7 m。泵站最低揚(yáng)程取加壓點(diǎn)高程與清水池最高水位差值加上水頭損失及出廠凈壓力計(jì)算，為50.9 m。表2所示為一次加壓泵站基本參數(shù)情況。

表2 惠城區(qū)一次加壓泵站基本參數(shù)表

表3所示為供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站基本 參數(shù)。

表3 二次加壓泵站基本參數(shù)表

4.3 泵型選擇

4.3.1 取水泵站

惠城區(qū)取水泵站設(shè)計(jì)流量390 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程20.98 m?；莩菂^(qū)取水泵站的取水來源均為河道，揚(yáng)程較低且接近，擬選用潛污泵與單級(jí)單吸臥式離心泵兩種泵型做比較，兩種泵型定性對(duì)比情況如表4所示。

表4 泵型比較

由表4知，潛污泵運(yùn)行穩(wěn)定性有保證，汽蝕性能、泵裝置效率、維護(hù)檢修等方面均有優(yōu)勢(shì)，設(shè)備投資雖然略高，但是由于水泵較小，臺(tái)數(shù)不多，設(shè)備投資增加影響非常有限，而潛水泵采用濕式泵房，土建上節(jié)省投資更為明顯，綜合比較，惠城區(qū)取水泵站推薦選用潛污泵。

4.3.2 加壓泵站

一次加壓泵站3座，分別為惠城區(qū)一次加壓泵站、蘆嵐一次加壓泵站及橫瀝一次加壓泵站；二次加壓泵站共11座，分別為黃沙洞、大興村、嵐田村、嵐石村、小嵐村、輋洞村、歐陂村、下苦竹村、大良村、軍田村、黃洞小組。經(jīng)分析，大興村、嵐田村、嵐石村、歐陂村、下苦竹村、軍田村、黃洞小組二次加壓泵站不存在進(jìn)水管負(fù)壓情況，擬選用恒壓變頻供水成套設(shè)備。而黃沙洞、小嵐村、輋洞村、大良村二次加壓泵站可能存在進(jìn)水管負(fù)壓情況，擬選用無負(fù)壓恒壓變頻供水成套設(shè)備。

4.3.3 水泵臺(tái)數(shù)選擇

水泵站工程規(guī)模都比較小，因此不能設(shè)置數(shù)量過多。本階段結(jié)合泵站實(shí)際情況，擬采用2臺(tái)（一用一備）方案與3臺(tái)（兩用一備）方案進(jìn)行比較，根據(jù)不同時(shí)期的供水量調(diào)整開機(jī)臺(tái)數(shù)，同時(shí)采用變頻運(yùn)行等方式，經(jīng)清水池調(diào)蓄等，可滿足不同水量要求，結(jié)果見表5。

表5 工作水泵臺(tái)數(shù)比較表

由表5知，兩方案技術(shù)上均可行；方案1較經(jīng)濟(jì)，取水泵站均推薦方案1：2臺(tái)（一用一備）。由于加壓泵站需根據(jù)用戶需水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水量及水壓，供水水量變化范圍較大，加壓泵站均擬采用變頻供水成套設(shè)備，配套穩(wěn)壓氣罐方式，臺(tái)數(shù)結(jié)合廠家成套設(shè)備配套及流量分配要求進(jìn)行選取。

4.3.4 水泵安裝高程確定

在設(shè)計(jì)自來水廠取水泵站的過程中，一般選擇最不利點(diǎn)為水管最遠(yuǎn)點(diǎn)，并基于該點(diǎn)計(jì)算泵組揚(yáng)程，隨后再根據(jù)管段最高點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，確保準(zhǔn)確性；若復(fù)合發(fā)現(xiàn)最高點(diǎn)出現(xiàn)最不利點(diǎn)，此時(shí)就以最高點(diǎn)進(jìn)行泵組揚(yáng)程的計(jì)算[9]。但與實(shí)際運(yùn)行工況相比，該方法得出的水泵揚(yáng)程偏大，會(huì)出現(xiàn)能量富余現(xiàn)象[10]?；莩菂^(qū)取水泵站，根據(jù)設(shè)備要求，水泵葉輪淹沒于最低運(yùn)行水位以下0.5 m即可滿足吸水及汽蝕要求。最低運(yùn)行水位為11.57 m，為保證取水安全，根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)預(yù)留淹深，本工程取水泵安裝高程確定為10.00 m。加壓泵站均擬采用地面布置方式，加壓泵進(jìn)出水管中心高程要求高于地面0.4 m，滿足安裝要求即可。

4.3.5 泵組參數(shù)

惠城區(qū)取水泵站水泵型號(hào)參數(shù)：選用潛污泵200WQ400-25-45，配套電機(jī)功率45 kW，水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程20.98 m，單機(jī)流量400 m3/h，能滿足本工程的使用要求。泵組基本參數(shù)見表6。

表6 惠城區(qū)取水泵站水泵技術(shù)參數(shù)

選取恒壓變頻成套設(shè)備作為惠城區(qū)一次加壓泵站：設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程51.7 m，額定流量700 m3/h，配套氣壓罐容積1.66 m3，總功率240 kW。配套加壓主水泵型號(hào)參數(shù)：選用S型單級(jí)雙吸臥式離心泵DFSS200，配套電機(jī)75 kW，水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程51.70 m，單機(jī)流量350 m3/h，可以為工程開展提供需求的水泵和電機(jī)。選擇3臺(tái)水泵設(shè)備，其中2臺(tái)為正常運(yùn)行，1臺(tái)為備用機(jī)；穩(wěn)壓水泵選用1臺(tái)，流量宜與主水泵相配套選取50 m3/h，選用立式單吸多級(jí)分段式離心泵，型號(hào)為80DL50-20×2，配套電機(jī)15 kW，水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程52 m，單機(jī)流量50.4 m3/h。泵組基本參數(shù)見表7。

表7 惠城區(qū)一次加壓泵站水泵技術(shù)參數(shù)

5 水泵工作點(diǎn)能源單耗數(shù)學(xué)模型及節(jié)能分析

5.1 水泵工作點(diǎn)

水泵工作點(diǎn)指的是管路特性曲線和水泵基本特性曲線的交點(diǎn)。只有確定穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)泵站節(jié)能優(yōu)化的目的，不對(duì)稱并聯(lián)工作示意圖見圖2所示。

圖2 不對(duì)稱并聯(lián)工作點(diǎn)示意圖

如圖所示，曲線Ⅰ、曲線Ⅱ分別表示單臺(tái)與并聯(lián)兩臺(tái)同型號(hào)水泵特性曲線，當(dāng)單臺(tái)水泵出水管路損失系數(shù)為S1時(shí)，出水管路特性為曲線Ⅲ，當(dāng)損失系數(shù)為S2時(shí)，出水管路特性為曲線Ⅳ，并聯(lián)S1、S2兩條輸水管路，出水管路特性曲線為Ⅴ，且損失系數(shù)為S1+2。A1（Q1，H1）和A3表示單泵單管輸水方式工作點(diǎn)，點(diǎn)B1（Q3，H3）和B3表示雙泵單管輸水方式工作點(diǎn)；點(diǎn)A2（Q2，H2）、B2（Q4，H4）分別表示單泵雙管、雙泵雙管并聯(lián)輸水方式的工作點(diǎn)。單泵（雙泵）雙管并聯(lián)輸水方式比單泵（雙泵）單管輸水方式有更大的工作流量，有Q2＞Q1，Q4＞Q3；同時(shí)二者相比，前者的工作揚(yáng)程更小，有H2＜H1，H4＜H3，即當(dāng)保持凈揚(yáng)程H凈不變，雙管并聯(lián)輸水比單管輸水水泵工作點(diǎn)右移，有效提高管路效率。

計(jì)算并聯(lián)管路損失系數(shù)方法為：在雙管并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，以點(diǎn)A2（Q2，H2）為例：由H2=H凈+S1+2Q22可得 到；由H2=H凈+S1Q221可得到Q21=；由H2=H凈+S2Q222可得到；因Q2=Q21+Q22，因此有，簡(jiǎn)化可得

此外，管路損失系數(shù)S1+n，當(dāng)n≥2條管路并聯(lián)時(shí)，有公式（6）所示的計(jì)算公式：

5.2 能源單耗數(shù)學(xué)模型

能源單耗可將泵站設(shè)備、配套、工況等綜合性經(jīng)濟(jì)指標(biāo)呈現(xiàn)出來。所以，假設(shè)輸送清水，密度為1 000 kg/m3，此時(shí)水泵工作點(diǎn)為（Q，H），運(yùn)行時(shí)間為T，此時(shí)能源單耗情況如下：

公式中，水泵工作點(diǎn)揚(yáng)程為H（m）；水泵工作點(diǎn)流量為Q（m3/s）；泵站消耗總功率為N總（kW）；水泵有效功率為N效（kW）；水泵運(yùn)行時(shí)間為T（h）；泵站消耗電量為E（kW·h）；能源單耗為e[kW·h/(m3·m)]；泵站T時(shí)間內(nèi)輸水總量為Q總（m3）；傳動(dòng)效率為η傳；泵站效率為η站；水泵效率為η泵；電機(jī)效率為η電；水池效率η池；管路效率為η管。在泵站系統(tǒng)中，保持η傳、η電、η池不變，公式（7）可表示水泵機(jī)組能源單耗e隨管路效率η管、水泵效率η泵變化的情況，其中能源單耗e與管路效率η管、水泵效率η泵為反比關(guān)系。若提高管路效率η管、水泵效率η泵，可有效降低水泵機(jī)組能源單耗e。

5.3 水泵站節(jié)能分析

對(duì)于變壓器而言，惠城區(qū)水廠配套1套容量315 kW美箱式戶外終端型變電站，變壓器的選擇為最新型號(hào)的S11系列，可實(shí)現(xiàn)最高的運(yùn)行效率和最小的電能損耗，節(jié)能效果明顯。對(duì)于低壓配電柜而言，采用成套柜，以較小空間容納較多功能單元，裝置空氣斷路器，節(jié)省配電柜。0.4 kV配電采用單母線接線，進(jìn)線及饋電回路均設(shè)斷路器。分層設(shè)置配電箱，集中供電，減少供電回路及電纜等材料。基于節(jié)能原理，設(shè)計(jì)泵站照明系統(tǒng)和機(jī)組運(yùn)行，光源可使用節(jié)能型LED光源等。泵站裝機(jī)容量較小，水泵控制宜簡(jiǎn)化配置，考慮具有規(guī)律性，可進(jìn)行流量的調(diào)節(jié)時(shí)，運(yùn)行方式更加靈活，符合節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

惠城區(qū)自來水取水泵站進(jìn)行設(shè)計(jì)，明確了水泵站基本參數(shù)以及供水管網(wǎng)配套二次加壓泵站基本參數(shù)等，得出如下結(jié)論：

（1）確定泵站取水流量為390 m3/h，設(shè)計(jì)水位、最低水位、最高運(yùn)行水位分別為14.90 m、11.57 m、23.79 m。設(shè)計(jì)水位、最高及最低水位均可取31.35 m，泵站最高揚(yáng)程為23.98 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為20.45 m，最低揚(yáng)程為11.56 m。

（2）出廠凈壓力為48.2 m，設(shè)計(jì)流量為192.18 L/s。清水池設(shè)計(jì)水位最高和最低水位分別是24.80 m、22.50 m，加壓點(diǎn)地面高程為26.00 m。泵站最高揚(yáng)程和最低揚(yáng)程分別是53.2 m、50.9 m。

（3）取水泵站采用2臺(tái)（一用一備）方案，選用潛污泵200WQ400-25-45，配套電機(jī)功率45 kW，水泵設(shè)計(jì)工況點(diǎn)揚(yáng)程20.98 m，單機(jī)流量400 m3/h，潛污泵設(shè)計(jì)效率76%，滿足節(jié)能需求。