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某工业园区给水泵组改造实施方案及泵组高效运行初步探讨

来源：泵友圈
文| 董建安 兰州城市供水集团
摘要：随着国家环保政策不断加强，节能减排已成为国家层面发展战略，工业企业发展不断调整导致供水需求不断变化，本文结合兰州市某工业园区供水泵组改造工程，对改造过程及节能效果进行分析，并对泵组如何高效运行进行思考。
关键词：泵组改造升级 高效运行 节能效果

01 引言

随着国家环保政策不断加强，节能减排已成为国家层面发展战略，工业企业发展不断调整导致供水需求不断变化，目前许多供水厂及泵站设计普遍偏大，经过多年运行后设备效率进一步降低，很多已不能够满足供水需求。为了提高供水能力，确保供水质量和安全，需要对泵组进行改造升级。
现阶段常采用以下几种方式进行改造，以提高泵组运行效率：
1.更换高效节能水泵：采用新型高效节能水泵替换原有老旧水泵，提高泵组的运行效率，降低能耗。
2.优化泵组布局：根据水厂的实际运行情况，合理调整泵组的布局，减少管道损耗，提高供水能力。
3.增加变频调速装置：在泵组安装变频调速装置，实现对泵组的精确控制，降低能耗，提高供水质量。
4.更新控制系统：采用先进的自动控制系统，实现对泵组的远程监控和故障诊断，提高运行安全性。现结合兰州市某工业园区水泵改造工程，对改造过程及节能效果进行分析。

02 概况

某工业园区给水泵房建于80年代，主要为工业园区企业供给生产用水，随着国家节能减排政策的实施，该园区内部分企业搬迁，用水量大幅减少。该泵房泵组实际运行曲线已严重偏离最佳工况点，且该泵房部分设备年代久远，效率偏低，故障频发，故技术部门决定对该泵房部分设备进行更新换代，已达到节能高效的运行效果。

03 工业园区近几年供水特点

1. 近年来用水量整体呈下降趋势，工业水量随时间变化幅度较大，供水量不稳定，规律性不强，生产运行调泵较为频繁。
2. 每年从10月下旬开始至次年3月底，随着冬季供暖季的到来，水量有一定幅度增加，每小时增加500m3至600m3。
3. 对2015年至2020年数据进行统计分析，工业水平均小时水量为2055m3/h。
工业泵组年平均供水量和平均供水压力情况统计表：

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04 整体工艺状况分析

目前工业泵组共有五台，由于供水量和压力变化较大，单台泵组运行均不太理想，经常需要并联或频繁调泵才能满足客户用水需求。
1. 根据工业泵组配置，供水流量压力工况，基本满足近几年当工业用水量变化的需求。
2. 1-3#泵是近几年的工业供水主要泵组，组合运行利用率最高。
3. 当工业水供水量在2300m3/h时运行1#或2#泵组管网压力会降至0.30~0.35MPa之间，0#泵和3#泵并联运行效率会降到65%以下，单独运行4#泵同样很不经济。

05 泵组参数及运行分析

工业泵组高效运行范围一览表

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工业泵组全年累计运行小时数统计

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1. 1#和2#泵组运行分析
1#和2#泵原设计型号为20sh-9，电机额定功率550kw。后将叶轮由682mm切削至640mm，泵组改为20sh-9A型，流量为2160m3/h，额定扬程52米，配套电机额定功率550kW已明显偏大，负载率下降；1#和2#泵在供水量1700m3/h以下时，工业管网压力值略高。
工业用水量大于2300m3/h时，运行1#/2#泵组管网压力会降至0.35~0.30MPa之间，泵组运行效率会降到70%以下。
2. 3#泵组运行分析
3#泵slow300-550c在工业用水量1000m3/h至1600m3/h时，满足管网压力在0.4MPa-0.56MPa以上，运行区间效率在75%以上，供水量超过1600m3/h后，水泵必需的汽蚀余量NPSHR超过泵组可用气蚀余量NPSHA，有较大噪声及震动，且水量偏小不能满足供水需求。

06 拟改造泵组2#泵水力特性计算

经技术部门讨论后，决定对2#工业泵组进行改造,进行运行分析拟定改造方案。
1. 2#泵吸水管路水头损失
2#泵组进水水管为DN800，长40米，在供水量Q=2400m3/h工况下，查表管内流速为1.33m/s，计算得1000i=2.54，沿程水头损失H沿= 0.040×2.54= 0.12m。
2#泵DN800吸水管流速为1.33m/s，V2/2g=0.099局部水头损失:
H局=§V2/2g=2.6×0.099 = 0.26m。

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2. 水泵出水管路总水头损失
Hf= 0.12+0.26= 0.4 m
3. 2#泵轴标高到最低水位时水面的垂直高度
2#泵轴标高：1535.925
2#、3#二次集水井基准水位：1530.20m
2#、3#二次集水井最低工作水位：1535.20m
2#泵轴标高到最低水位时水面的垂直高度：1535.95-1535.20=0.75m
4. 2#水泵本身具有可用的汽蚀余量NPSHA
NPSHA= Hg-Hz–hs+Zs =8.5-0.4-0.3-0.75-0.5（安全余量）=6.55m
5. 2#泵吸水管路必需的汽蚀余量NPSHR<6.5m。

07 2#工业泵组改造方案

方案一：利用闲置设备，更新为Y系列电机
将2#泵电机更换为闲置Y4501-6电机，功率为450KW，尽快恢2#泵生产要求。
优点：
  • 满足近几年工业用水量变化范围内运行要求，每年运行时间较长。
  • 提升设备可靠性。
  • 与旧电机比较有良好 节电效果。
  • 总投资少，见效快，包括电机测试维护加安装费2万，改造工期10天。

缺点:
  • 节能效果没有充分挖掘。
  • 水泵本体构成维修不便且水泵效率不高的问题没有解决。

方案二：将2#泵整体更新为高效节能泵
依据近几年工业水年平均小时供水量和工业园区发展状况，经过综合分析和趋势预测，确定以下改造高效水泵的技术条件：
  • 水泵型式: 双吸卧式水平中开式离心水泵
  • 额定流量：2000 m3/h。
  • 水泵额定扬程：40m。
  • 配用电机：315kW。
  • 泵组流量在1700m3 /h至2600m3 /h之间范围，水泵运行效率满足85%以上，输出扬程在45m至30米之间。
  • NPSHR小于5.2m(流量在2500 m3/h时)。
  • 配用电机采用YE2以上高效能电机，效率大于94.9 %。
  • 可接入变频自控运行。

按照以上选泵条件，对模拟选用水泵工况参数和2#泵2019年能效测试参数对比，更换一台高效节能泵后运行经初步测算一年可节约电费支出30万元左右，购置安装一台高效节能泵的总投资估算40万元，投入后一年半可回收投资。

08 2#工业泵组改造效果

技术部门对初步改造方案进行综合比选论证，确定更新一台新型高效节能泵的方案，对2#工业泵组整体进行改造。改造选用上海凯泉高效泵组KQSN500-M13/530泵组，额定流量2000m3 /h。扬程40米，泵组理论效率90.7%，匹配315kW电机。
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改造完成运行后分析：2020年后半年改造完成后2#泵组共计运行 2742小时，对19年和20年数据进行分析，2020年工业二次水平均小时供水量1983 m³/h ，年实际电基完成 172.42 kWh/km³，相比2019年同期189.29 kWh/km³下降8.9 %。
改造后的2#泵组单台运行电基在160 kWh/km³左右，平均电基较2019年下降29kWh/km³，按照年供水量1800万m3计算，年节约电量约52万kWh,折合电费约26万。设备投资回收期为一年半，符合设想，节能效果明显。
截止2023年11月，该泵组运行状况良好，符合外部供水需求。
09 泵项目改造经验
该项目通过近3个月的改造工作，使泵组运行很好的匹配的工况实际需求，取得很好的节能效果，有效的保障了工业企业安全供水。
项目改造前，根据管网状况，阀门弯头等配件及供水压力通过理论计算泵组参数，该计算过程复杂，系数选取取决于设计人员的经验及偏好，往往选型都偏大，节能效果有限，存在可能改造后任然需要再次改造的情况。经过讨论认定，根据实际工艺运行中流量仪表、压力表、水位计数据来选择新泵组参数更加符合实际，并且准确度很高，基本排除人员经验误差。
通过此次设备改造项目，对节能改造工作有重要指导意义。在后续公司节能改造过程中，凡是水量逐步增加，工艺运行不确定的项目多采取泵组叶轮切削或加装变频器，逐步改变运行方式，提高运行效率。而对工况稳定，长期不变的工况，整体更换成符合新工艺条件的泵组效果更好。
10 关于如何高效运行的思考
1. 设计阶段
泵组高效运行最主要取决于实际需求，目前许多新建泵组数据收集不完善，实际用水需求往往比设计水量小，有时偏差还很大，造成新建泵站往往在低负荷高能耗的状况下运行，所以设计人员要充分考虑本地区实际用水及经济发展状况，严格按照近期远期大小泵组搭配运行的设计思路进行新建工程设计，避免出现严重偏离实际的状况。
2. 运行阶段
在运行阶段，加强设备维护管理：建立完善的设备维护管理制度，定期对泵组进行检查、维修和保养，延长设备使用寿命，降低维修成本。其中容易忽视的是：1、在实际泵组效能测试中发现部分泵组进口存在负压，但多数泵组未加装进口压力表，不能及时判断排除故障，不但影响进水情况，还加剧了叶轮汽蚀状况。2、对于部分扬程稳定的供水需求，选择合适的定速泵比加装变频器运行更节能投资更少。
参考文献：
  • GB50013-2018室外给水设计标准
  • 姚雅明 中水二次加压泵站节能改造 城镇供水   2022.3
  • 泵站节能标准和控制方法的发展历史和趋势 城镇供水 2021.2