大型直抽给水加压泵站的工艺设计及运行分析
1 前言
广州市自来水公司于1997年在广州东部新建了西洲水厂，供水量为50万m3/d，新塘水厂也位于广州东部，供水量为70万m3/d，即广州东部的自来水厂供水能力有120万m3/d。由于受近几年宏观经济调整的影响，广州东部的用水量比预期有较大的减少，至1999年底，最大日供水量90万m3/d。因此，广州东部的自来水厂还有30万m3/d的富余水量。另一方面，由于珠江水源近几年来日益受到污染，以珠江为水源的西部几间水厂源水水质比以前有些变差。为保证自来水的出厂水水质指标，西部几间水厂投药量不断增加，如西部水厂投氯量为东部水厂投氯量的一至二倍，大大增加了生产成本。
东部两间水厂离市区较远，有近40公里，两水厂靠两条钢管（分别为DN1800，DN1600）输送至市区。水厂出厂水压力为0.54—0.65MPa，出厂水压力较高。从优化调度、节能降耗的角度考虑，可以在市区和两间水厂之间合理设置接力式加压站：一方面可以起到东水西调的目的，即充分发挥水源水质较好、成本较低的东部水厂的生产潜力，把自来水输到市区；另一方面，也可适当降低东部两间水厂不必要的过高压力，达到节能降耗的目的。
管网运行状态的不确定性因素很多，虽经过大量的管网平差计算，大型加压站的设计仍存在相当大的困难，尤其是工艺参数的确定、泵组的选择、其它关键设备的选型。这些既直接关系到今后泵站运行的实际调水效果、泵组运行的效率，也关系到泵站的运行安全。所以，对大型加压站设计的每一个环节、每一个层次都必须认真对待，高度重视。
2 大型直抽式给水加压泵站的工艺设计
2.1 总体设计
我公司有相当一部分加压站为带水库加压站。该类型加压站有两种功能：直抽功能和水库加压功能。直抽功能就是由泵组直接加压管网来水，来水加压后，再送入管网中。这样可充分利用管网的来水能量，泵组的扬程低，加压电耗也低。但这必须有一个前提条件，即管网必须有足够的来水，直抽加压不能影响加压站前用户用水所需的管网压力。水库加压功能就是在管网的供水低峰期（通常是深夜以后）放水入库，在供水高峰期加压，把水库内自来水加压至市政管网。这可充分发挥对管网压力削峰填谷的作用，但入库时有相当的来水能量白白浪费，而且要求加压泵组扬程高，加压电耗也高。
这次加压站设计的目的主要是调水，即两间东部水厂可提供充分的市政来水。很显然，选择管网直抽加压是最佳选择，这是因为：①该两条主干市政供水管（DN1800、DN1600）压力较高，放水入库再加压浪费大量能源，如按加压水量57万m3/d、来水压力0.28 MPa、直抽加压压力0.25 MPa计，直抽式加压比抽库式加压一年可节约1600万kWh。②修建水库需要占用大量土地，如修建10万m3的水库将占地15亩左右，投资费用会大大增加。③如采用既有直抽又有抽库功能，固然便于供水的灵活调度，但必须设计两套加压泵组，泵站机电和土建投资将增加一倍，显然从技术经济的角度出发也是不可取的。
在确定采取管网直抽加压的加压方式后，我们对相关管网的流量和压力进行了测量，初步选定三个预选地址为加压站的建设地址。经过大量的管网平差计算和技术经济分析对比，最后确定在丰乐路附近兴建该加压站，这是因为：①交通方便，容易征地。②经过管网平差计算后，在保证满足调水量的前提下，可以保证加压站前来水压力达到0.28 MPa，从而对站前用户用水无影响。③加压站在保证加压水量的前提下，只需加压压力0.25 MPa左右，出水压力保持在0.55MPa以下，有利于选择水泵和保证管网的运行安全。经过计算后，确定了该直抽加压站的工艺设计参数。
表1：工艺设计参数
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单位
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最大日平均时
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最大日最大时
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平均日平均时
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备 注
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流 量
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m3/h
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24000
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26150
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22630
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设计采用最大日平均时
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加压扬程
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m
|
25
|
27.5
|
23.7
|
根据设计工艺参数，该加压站设计流量大，因此，泵站泵型的选择也必须考虑使用大型泵组，这样可以减少泵站泵组的数量，也相应减少泵房面积和节省土建投资。同时泵型选择也必须考虑泵组搭配运行有足够的水量调节能力，最好泵站的流量搭配可以在适用的工况条件下任意调整。经过分析，我们这样考虑：①泵站设两种泵型，大小搭配。大泵组流量为5600—6000 m3/h左右，小泵组流量2500—3000 m3/h左右，即大泵组流量为小泵组的两倍左右。但泵的规格、型号也不能太多，型号太多不利于今后设备的维护和保养。②泵站总共设6台泵组，大泵组设4台，小泵组设2台，大泵之间可以备用，小泵之间也可以备用，两台小泵可以实现对大泵的备用。③为适应流量和扬程在小范围经常变化的要求，对两台大泵组实行变频调速，使其流量的调节范围保持在（Q额-1500—Q额+1500）m3/h以上。
因此，为适应直抽加压泵站运行工况点多变的特点，我们设计目标是：该泵站在保证理论计算工艺设计参数的前提下，泵站流量的可调范围为22500—25500m3/h，泵站加压扬程的可调范围为28—23m。并且在此范围内该加压站不仅要安全可靠运行，而且要求水泵运行效率达到78%以上，即达到经济运行的目的，同时要求泵组运行在该范围内电机的功率均匀，不会有很大变化，特别是轴功率不会超过最佳工况点时电机的许用轴功率。
2.2 关键设备的调研和选型
（1）水泵
水泵的选型是加压泵站设备选型的关键。根据总体设计的要求，水泵选型的参数为：Q1=5500—6500m3/h，H1=28—33m，4 台；Q2=3000—3600 m3/h，H2=28—33m，2台。上述规格型号的水泵国内外厂家均能生产，但性能差异较大。该直抽加压站对水泵有更高的要求：一方面，由于直抽加压泵站在开机前管网来水压力高，为0.4MPa左右，所以刚开机时，水泵闭止水头将达到0.85MPa左右，这对水泵泵体材质有更高的要求；另一方面，由于直抽加压泵站来水压力变化大，小泵运行时流量和扬程大幅变化，总体设计要求泵组轴功率均不能超过电机的许用轴功率，因为一但超出，必须采取相关措施，如关小出水阀门，这势必给生产工人带来极大不便，也浪费能量。
通过对国产、合资、国外有代表性的大型生产厂家的调研和分析，我们选择了上海KSB的水泵，型号、性能参数如表2。
表2：水泵型号及性能参数
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流 量
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扬程
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效率
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必需汽蚀余量
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轴功率
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转速
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电机功率
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叶轮直径
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备 注
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m3/h
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m
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%
|
m
|
kW
|
r/min
|
kW
|
mm
|
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RDL800-970B
|
7000
|
27
|
86.0
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4.6
|
604
|
585
|
800（变频）710（恒速）
|
Φ890
|
|
|
6400
|
30
|
87.9
|
3.9
|
598
|
|||||
|
5700
|
33
|
88.9
|
2.9
|
570
|
|||||
|
RDL600-710A
|
4000
|
27
|
87.1
|
5.0
|
343
|
738
|
400
|
Φ695
|
|
|
3600
|
30
|
88.0
|
4.3
|
338
|
|||||
|
3100
|
33
|
86.5
|
3.1
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328
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上海KSB上述两种泵型能充分满足该加压泵站的总体设计要求，在水泵价格、备件供应和售后技术服务上均具有优势。RDL型号水泵为德国技术上海生产，这也为今后该直抽加压站工况点出现很大变化后对该水泵及时改造提供了便利。根据广州市城市管网运行的经验，直抽加压站在运行多年后，进行适应性改造不可避免的。
在水泵关键部件材质的选择上，由于该加压站的重要地位，我们对生产厂家提出了较高要求：水泵叶轮材质选择ZCuSn5Pb5Zn5，泵轴选择45#钢，水泵轴承选择SKF轴承，并且要求水泵泵体试验压力达到1.3MPa，可以大大提高直抽加压泵站的供水可靠性。
（2）止回阀
为有效消除泵站开、停机泵站水锤及管网小锤，该直抽加压泵站设有两处止回阀，即泵站内各台机组出水管路安装有液控止回阀，加压站的旁通管路上安装有蝶式缓冲止回阀。
泵站内采用液控止回阀，这是因为：①该阀采用快关、慢关设置，在关阀的前部分角度，采用快关，可防止水泵倒转，在关阀的后部分角度，慢关可有效防止水锤，且快关、慢关角度可任意调整。②该阀阻力系数小，相当于普通蝶阀，由于有自锁和自动补压功能，蝶板不存在摆动，有利于出水流态的稳定，降低泵组振动和噪音。③该阀有完善的电气控制系统，有利于整个泵站实现自动化。
该加压泵站旁通管路上采用蝶式缓冲止回阀，这是因为：①该阀为机械式，结构简单，设有大、小蝶板，各自独立动作，可靠消除水锤。②该阀大小蝶板关闭时具有各自独立的液压油缸，有利于关阀时的平稳及减少振动，液压油缸为全封闭式，运行可靠，基本不需维护。③虽然过流时阻力系数较大，但由于该阀平时都处于关闭状态，因此仍不失为一种较好的泵站旁通阀门，④价格便宜，比同规格的液控止回阀价格便宜50%以上。
2.3 直抽式加压泵站工艺设计图及说明：
说明：该加压站共设6台泵组，1#、2#、4#、5#泵组为大型泵组，3#、6#泵组为小型泵组，其中2#、5#泵组为变频泵组变频范围为42—51Hz。整个泵组布置为单列式，简洁大方。水泵吸水管设检修用蝶阀；出水管设液控止回阀和检修用蝶阀。吸水总管分别与市政来水管相接，吸水总管公称直径为DN2200，适当大于市政来水管公称直径，有利于改善直抽式水泵的吸水条件。吸水总管和出水总管均安装有自动排气阀。设10t单梁式电动吊车一台，有巡视走廊和维修平台，便于值班工人观察设备运行情况和方便就地维修。
3 加压站实际运行参数及分析
该加压站运行近二年来，主要设备运行良好，充分实现了工艺设计的要求，达到了广州市东水西调的目的，泵站实际运行参数见表3。
表3 不同运行策略时的泵站实际运行参数
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运行策略
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频率（Hz）
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流量（m3/h）
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扬程（m）
|
用电量（kWh）
|
泵站效率（%）
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备 注
|
|
三大一小
|
50
|
23940
|
28
|
2511
|
72.7
|
数据直接来自生产报表，记录可能有误差。
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|
48
|
23330
|
28
|
2343
|
75.9
|
||
|
46
|
22850
|
28
|
2318
|
75.2
|
||
|
三大二小
|
50
|
25650
|
31
|
2766
|
78.3
|
|
|
48
|
25800
|
31
|
2672
|
81.5
|
||
|
46
|
24180
|
31
|
2565
|
79.6
|
||
|
四大
|
50
|
25560
|
31
|
2697
|
80.0
|
|
|
48
|
25220
|
31
|
2663
|
80.0
|
||
|
46
|
23720
|
31
|
2526
|
79.3
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从实际运行参数可以得出：该加压泵站的泵组搭配可以充分满足管网工况的变化要求，并且在各工况条件下，泵站运行效率通常保持在75%以上，对比以往运行的直抽加压站泵站效率，这么高的效率是难能可贵的，该加压站在过去运行的最不利工况，即加压站刚开始投运一至二台机组低扬程大流量前提下，大泵泵轴功率为628kWh，小泵泵轴功率为350kWh,仍在电机轴功率的承受范围内，大大方便了工人操作和生产管理，也有利于设备的安全运行。
4 结论
（1） 在大型的以调水为目的的给水加压泵站，采用直抽式不仅可以减少占地面积和节省投资，而且可以节约电能，充分利用加压站来水压力，但在工艺设计和设备选型上考虑要更慎重、更周到。
（2） 水泵的选型是提高给水加压泵站运行效率的关键。特别是对直抽式加压泵站，要求水泵必须有更宽的高效区，同时在较宽的供水扬程范围内轴功率曲线必须平缓，不能超出所选电机所能承载的最大轴功率。
（3） 变频调速是适应直抽式加压泵站不断变化的来水压力、保证合理的出水压力的有效手段。根据加压泵站来、出水压力的变化情况自动调整变频机组的频率，通过自动控制方法，实现了变频恒压供水。
（4） 该直抽式加压泵站的防水锤措施是有利的。泵站内水泵出水管处采用液控蝶阀，泵站旁通管路采用蝶式缓冲止回阀，双重有效地消除了泵站水锤和管网水锤。