多级给水加压泵站泵组优化选型研究

史伟1  唐涌1

（1-芜湖华衍水务有限公司 资产管理中心，安徽 芜湖  241000）

摘要：针对南方某城市采用三级串联给水泵站沿途分配供水和转输水能耗大的问题，结合区域用水特点和水力校核计算方法，分别提出现状三级泵站运行模式和跨越中间B泵站下的泵组改造选型方案，实现泵站运行能耗经济的目标。

关键词：串联，沿途分配，跨越，能耗

1、概况

为加快推进城乡供水一体化建设，南方某平原城市将城镇生产自来水通过市政管网和给水泵站向市区临近县城供水。因城市到县城距离较远，沿途分别设置加压泵站A、B两座和调蓄泵站C一座，其中A、B泵站和B、C泵站之间均敷设管道直径为600mm球墨铸铁管，距离均为15公里。A、B泵站主要向沿途的大用户和居民分配水量，而C泵站加压后直接供向县城部分区域。

三座泵房内均设有4台低压卧式离心泵（同型号2大2小），A和B泵站增压方式为管道直接增压，供水高峰时1大1小运行即可满足供水需求。C泵站增压方式为水池增压，供水量根据县城用水需求调度控制。下表1.1为三座泵站泵组配置情况表。

表1.1  三座泵站水泵配置表

泵站	大泵（配变频调速装置）		小泵（配变频调速装置）
	流量（m3/h）	扬程（m）	流量（m3/h）	扬程（m）
A	790	58	485	65
B	790	58	485	65
C	1260	44	684	43

同时为使三座泵站沿途关键压力点压力满足需求，设定保证服务水头H0到H1区间（参考《室外给水设计标准》GB50013-2018和《建筑给水排水设计标准》GB 50015-2019，设定管网压力关键控制点的自由水压或安全服务水头为0.14MPa到0.2Mpa，特别情况无减压条件时为0.14MPa到0.35Mpa）内，避免低峰时段的能耗浪费。

2、分区给水理论分析及泵站运行现状

2.1串联分区系统能量组成

   在多座串联泵站系统中，动力费成本占比较大，节约不必要的能量消耗对经济安全的运行泵站具有重大的意义。泵站提供的总能量（E= E1+E2+E3）主要由三部分组成：（1）保证最小服务水头所需的能量E1；（2）克服水管摩阻所需的能量E2；（3）未利用的能量E3 (因各用水点的水压过剩而浪费的能量)。

由于分区后E1和E2用于满足用户的服务水头和克服沿程局部水头损失，都是必须消耗的能量，因此为了提高能量利用率，只有设法降低E3，最终实现节约能量、优化运行的目标。

2.2泵站进出水量现状

为进一步优化泵站运行方法，对年度内三座泵站的供水量进行了统计。从下表统计看，A泵站至B泵站之间日平均日水量差值约为1.5万m3/d，如按日变化系数1.1考虑，则最高日水量差值约为1.65万m3/d，平均时流量约为687 m3/h。B泵站与C泵站平均日水量差值为2494m3/d，平均时流量约为104m3/h。

表2.1  某年三座泵站运行水量统计表

泵站	日平均（m3/d）	最高日（m3/d）	最低日（m3/d）
A泵站	42848	47168	37742
B泵站	27765	29363	17513
C泵站	25271	28113	20872

从下表2.2数据看，A泵站各月份出流量均较为稳定，各月平均日出流量为40760~44159m3/d，全年平均日出流量为42848 m3/d。B泵站各月平均出流量为24186~31950m3/d，全年平均日出流量为27765 m3/d。两座泵站平均出流量差值为15083 m3/d。

表2.2  三座泵站按月运行水量统计表

时间	A泵站总量 （m³）	B泵站总量 （m³）	C泵站总量 （m³）
1月	1316505	850561	768273
2月	1224326	826532	774744
3月	1263564	852138	696977
4月	1324785	868741	733782
5月	1316723	851122	736173
6月	1260647	873961	819585
7月	1322913	768941	724734
8月	1331591	840050	778571
9月	1314905	833278	795623
10月	1315356	749783	780664
11月	1319954	958480	831376
合计	14311269	9273587	8440502

2.3泵站进出水压现状

目前A泵站的实际进水压力0.09~0.15Mpa之间，出水压力0.38~0.45Mpa之间，水泵实际扬程在26~36m之间。B泵站进水平均压力为0.15~0.20MPa之间，出水平均压力为0.32~0.38Mpa之间，水泵实际扬程12~23m之间。C泵站进水压力范围为0.13~0.14 Mpa，出水压力范围为0.42~0.43Mpa，水泵实际扬程28~30m之间。根据给水串联分区理论分析，三座泵站实际运行中工况点均偏离高效段，且未利用的能量E3较大，直接造成了三座泵站运行能耗较高。

2.4泵站水力计算及分区能量校核

基于三座泵站运行不经济的问题，对A、B两座泵站串联加压供水方式和A、B、C三座泵站串联加压供水方式（B泵站停运）进行了对比试验研究。

试验选择在高峰用水时段进行，试验时记录A泵站出站流量为0.5075m3/s，进站压力0.12Mpa，出站压力0.43Mpa。B泵站出站流量0.3097m3/s，进站压力0.19Mpa，出站压力0.29Mpa。试验检测数据结果与表2.1、表2.2及水压情况基本一致。

2.4.1泵站水力计算

由于管网的实际比阻情况未知，因此通过A和B泵站间的已知水头损失和管网长度来逆推阻力系数，并用B和C泵站间的已知水头损失和管网长度来进行校核和调整，调整以后的阻力系数将适合于本管网的模拟平差计算。管网水力计算采用海曾威廉公式如下：

式中： h——水头损失（m）q——管道流量（m3/s）L——管道长度（m）          D——管道口径（m）C——阻力系数

（1）A泵站至B泵站间的计算

A泵站下游约3.5km处安装第一块DN150水表，下游13km处安装最后一块DN80水表。将沿线流量均匀折算到此两点后经过计算得出阻力系数C=188。

  ++=24

 

（2）B泵站至C泵站间的计算

B泵站下游约1.3km处安装第一块DN100水表，下游14.3km处安装一块DN80水表。将沿线流量均匀折算到此两点 ，通过将阻力系数188带入验证，计算压力13m与实际水头14m误差为1m，因此校核后的阻力系数基本可以用来进行模拟水力计算。

 

++

=13m

（3）模拟超越B泵站的水力计算

 

经跨越B泵站的水力计算，如需满足C泵站对的进站压力在0.15Mpa以上，那么A泵站至少需要的自由水头为51.4m，由于C泵站的位置标高比A泵站的位置标高高出0.8m，因此A泵站的出口压力应为0.52Mpa及以上。考虑时不均匀系数为1.2，因此最不利时A泵站出站压力应在0.63Mpa以上。考虑到A泵站进站压力在0.09~0.15Mpa之间，因此超越B泵站情况下的A泵站水泵扬程应该在48~54m之间。

2.4.2两种分区方式的能量对比

目前三座泵站均处于运行状态，且设备备用率都在50%左右，以下图2.3到2.5是不同模式下的运行能耗图（红色区域为现状扬程情况，蓝色区域为超越B泵站扬程情况,黄色区域为超越B泵站富裕的扬程）。

 

 

 

 

 

图2.3  现状运行能耗图

 

 

 

 

图2.4  跨越B泵站运行能耗图

图2.4  跨越B站能耗图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2.5  现状运行和跨越B站能耗对比图

3、优化运行方案

3.1超越B泵站运行方案的设备选型

超越B泵站后A岗泵站将承担全部的增压工作，其中主要包括两部分的流量，一是由A泵站转输到C泵站的转输流量，另一部分是A泵站至C泵站间的沿途分配流量，下图是A泵站近期的运行数据汇总。

图3.124小时A泵站运行流量

从上图可以看出A泵站该日的时变化系数为1.035，若考虑日变化系数为1.15，则A泵站目前的出流流量在1400~2200m3/h之间，若要满足C泵站的进水条件，则A泵站的出水压力在0.63Mpa左右，A泵站的进站压力在0.09~0.15Mpa之间，因此水泵的实际扬程在48~54m之间。因此满足设备备用率在50%的前提下设备选型如下所示。

图3.2  A泵站泵组选型

选泵依据参数
Qmin	1400m3/h	Qmax	2200 m3/h
Q	800 m3/h
H	48~54m	备用率	50%
选泵结果
小泵流量	750~850 m3/h	大泵流量	1300~1500 m3/h

从上表可以看出，A泵站现有两台大泵（Q=790 m3/h、H=58m）刚好可以满足优化方案中小泵的型号，因此只需考虑对原先两台小泵进行增容即可。

3.2现状运行方案下的设备选型

目前A泵站的实际进水压力0.09~0.15Mpa之间，出水压力0.38~0.45Mpa之间，水泵实际扬程在26~36m之间，实际工况点偏离水泵运行高效段。B泵站进水平均压力为0.15~0.20MPa之间，出水平均压力为0.29~0.32Mpa之间，水泵实际扬程9~17m之间，实际工况点偏离水泵运行高效段。

通过实际运行情况可以看出，B泵站水泵运行严重偏离额定工况点，因此对B泵站的水泵选型进行优化是维持现状运行的最佳方式，B泵站出站流量分为两部分，一是由B泵站转输到C泵站的转输流量，另一部分是B泵站至C泵站间的沿途分配流量，下图是B泵站近期的运行数据汇总。

图3.324小时B泵站运行流量

由于从B泵站到C泵站间的沿途分配流量比较小，从B泵站的出流流量主要是转输到C泵站的转输流量，因此B泵站的出站流量比较稳定，从下图的近期运行数据可以看出 ，B泵站的日变化系数为1.04，若考虑日变化系数为1.15，则B泵站目前的出流流量在900~1450m3/h之间，若要满足C泵站的进水条件，则B泵站的出水压力在0.30Mpa左右，B泵站的进站压力在0.15~0.20Mpa之间，因此水泵的实际扬程在10~15m之间。

根据上述数据并满足设备备用率在50%的前提下设备选型如下所示。

图3.4  B泵站泵组选型

选泵依据参数
Qmin	900m3/h	Qmax	1450 m3/h
Q	550 m3/h
H	10~15m	备用率	50%
选泵结果
小泵流量	450~550m3/h	大泵流量	800~900 m3/h

从上表可以看出，B泵站需要配备的水泵为小扬程泵，B泵站现状配置的均为大扬程泵（1#、2#为65m，3#、4#为58m），均不能满足优化选型的要求。

4结论

（1）现状三级给水泵站串联供水模式下，可采用对B泵站四台泵组重新选型，新配置的泵组为2台大泵800~900 m3/h，2台小泵450~550m3/h，扬程均为15m，可降低泵站运行能耗和安全。

（2）跨越B泵站运行模式下，可采用对A泵站2台泵组进行更换的方法，新配置的泵组为2台大泵1300~1500 m3/h，2台小泵750~850 m3/h，扬程均为48-54m，不仅可提高运行可靠性，还能降低泵站运行人力成本。

参考文献：

[1] 严煦世，高乃云．给水工程第五版

[通讯作者]　史伟，17355352656，[e-mail]。