在市政建设中, 泵站是城市给水和排水工程中必要的组成部分。它们通常是整个给水、排水系统正常运转的枢纽。水泵作为城镇给排水系统中应用最广泛的工艺设备, 其设计选型是否合理, 直接影响泵站建成后是否能安全、稳定、低耗运行。本文总结了两个已建泵站水泵运行中发生的实际问题, 并给出了相关解决措施, 可供相关工程参考。

　　 A市污水泵站工程包含:污水加压泵站1座 (10万m³/d) , 污水压力输送管道9 810 m (DN1 000) 。泵站内共设潜水离心泵4台 (型号WQ1600-50-355) , 3用1备, 单泵流量Q=1 600 m³/h, 扬程H=50 m, 配套电机功率355 kW。

　　 该工程于2010年1月20日开工, 于2012年7月开始运行, 因泵站运行初期进入泵站污水量较小, 故泵站初期仅启用1台水泵。运行后1年时间, 污水提升泵烧毁4台, 水泵叶轮气蚀严重, 对运行维护造成了诸多不便, 见图1。

　　 图2为水泵供应商所提供该潜水离心泵的特性曲线, 该型号水泵高效区流量范围 (1 250～2 000 m³/h) 。

　　 根据工程输水管道竣工图纸求得输水管路特性曲线方程见式 (1) :

　　 H_P=16.775+7.01×Q² (1)

　　 式中H_P——水泵扬程, m;

　　 Q ——管道流量, m³/s。

　　 依据输水管路特性曲线方程与水泵特性曲线绘制水泵并联工作曲线 (见图3) 。

　　 水泵在哪一点工作不是由水泵自己决定的, 而是由水泵和管路共同决定, 即水泵的工作点要由水泵特性曲线和管路特性曲线共同确定。从图3可以看出3台水泵并联工作曲线与管路特性曲线相交于M点 (5 900 m³/h, 35.9 m) , M点对应的流量远大于设计工况点O点 (流量4 167 m³/h) 。N点对应为3台水泵并联工作时单台水泵的流量Q=1 967 m³/h, 扬程H=35.9 m。N点处于该水泵高效区末端。

　　 因泵站运行初期进入泵站污水量较小, 故泵站初期仅启用1台水泵。P点为泵站内1台水泵工作时水泵特性曲线与管路特性曲线的交点。P点对应的流量Q=2 360 m³/h, 扬程H=20.0 m。根据图2水泵特性曲线图可知, 当该水泵在流量Q=2 360 m³/h运行时超出高效区范围, 水泵功率365 kW, 水泵效率下降至60%, NPSHR升高至10.5 m。

　　 该水泵配备的电机额定功率为355 kW, 当单泵运行时, 水泵工况点为P点, 水泵所需功率365 kW, 电机电流超过额定电流, 电机超载。当电机超载时“水泵综合检测控制器”会自动切断电源, 防止电机烧毁, 但本工程“水泵综合检测控制器”发生故障, 未能自动切断水泵电源, 造成水泵电机烧毁。

　　 同时由于P点流量Q=2 360 m³/h对应的汽蚀余量 (NPSHR) 为10.5 m, 远高于流量Q=1 600 m³/h对应的汽蚀余量5.6 m。水泵吸入口最低淹没水深由1 m需增大至3.6 m才可避免叶轮发生汽蚀;但泵房内液位无法满足水泵吸入口淹没水深大于3.6 m, 故导致水泵叶轮发生严重汽蚀。

　　 该泵站水泵设计扬程偏大, 设计扬程过大会导致实际运行工况点偏向大流量、低扬程工况点。针对本工程发生的问题采取以下整改措施:

　　 (1) 现状4台水泵, 对其中2台增加变频措施, 当污水量较小时采用2台变频水泵 (1用1备) 输送污水, 当污水量逐渐增大时, 变频泵与工频泵并联工作。

　　 (2) 更换“水泵综合检测控制器”, 当电机电流超过额定电流时, 自动切断电源, 防止电机烧毁。

　　 该项目按照以上措施整改后连续运行至今再未发生电机烧毁、叶轮汽蚀等问题。

　　 陕西省B县城区原水工程包含:取水泵房1座 (4万m³/d, 近期设备2万m³/d) , 输水管道单根长度5 011 m (2×DN600) 。取水泵房内安装卧式离心泵5台。3台大泵 (型号GSP200-125-380) , 2用1备, 单泵流量Q=367 m³/h, 扬程H=176 m, 配套电机功率280 kW。2台小泵 (型号GSP125-80-350) , 1用1备, 单泵流量Q=180 m³/h, 扬程H=176 m, 配套电机功率160 kW。

　　 取水泵房从已建水库取水, 水库丰水期与枯水期水位高差7.6 m, 取水泵房水泵扬程按照枯水期水位进行设计计算。

　　 该工程于2015年6月开工, 2016年8月全部完工进入调试运行阶段。调试运行阶段大泵在启泵过程出现跳闸停机现象。调试运行工况详见表1。

　　 图4为水泵供应商所提供小泵特性曲线, 该型号水泵高效区流量范围 (180～270 m³/h) 。

　　 图5为水泵供应商所提供大泵特性曲线, 该型号水泵高效区流量范围 (480～600 m³/h) 。

　　 根据大泵特性曲线图可以看出水泵供应商为大泵配280 kW电机功率偏小, 无法满足水泵在高效区末端运行的要求, 一旦水泵偏向大流量低扬程工况点, 电机将会发生超载。

　　 根据工程竣工图纸求得枯水期输水管路特性曲线方程见式 (2) :

　　 H_P1=165.4+177.74×Q² (2)

　　 式中H_P1——枯水期水泵扬程, m;

　　 Q ——管道流量, m³/s。

　　 丰水期输水管道特性曲线方程见式 (3) :

　　 H_P2=157.8+177.74×Q² (3)

　　 式中H_P2——丰水期水泵扬程, m。

　　 依据输水管路特性曲线方程与水泵特性曲线绘制水泵并联工作曲线 (见图6) 。

　　 鉴于本工程原水水库分为丰水期和枯水期, 故将水泵运行工况分为丰水期与枯水期分别讨论。

　　 表2中分析结果与表1水泵调试运行阶段实际情况相吻合:在“1台大泵”“1小+1大”运行工况时, 大泵运行工况点偏离设计工况点, 向大流量、低扬程工况点偏移。“水泵综合检测控制器”检测到电机运行电流超过额定电流 (电机超载) , 自动切断电源, 保护停机。

　　 根据表3分析结果, 该取水泵站在枯水期运行时大、小泵均可正常运行。

　　 该泵站水泵设计扬程依据枯水期水位计算, 既未校核丰水期高水位时水泵运行工况, 也没考虑水泵的调节措施, 导致大泵在丰水期无法正常运行。

　　 出水阀门节流是以往实际生产运行中采用较广泛的形式, 即增加出水管路的阻力损失, 改变管路特性曲线以符合相应出水量时的水泵扬程。该方法较为简便, 但阀门产生大量能耗, 不经济, 并导致阀门振动磨损, 本工程不建议采用阀门节流。

　　 综合考虑后采用将3台大泵中的2台改为变频运行的整改方案, 在丰水期通过变频调节大泵运行工况点。虽然该整改方案需要追加工程投资, 但从长远考虑该方案延长了水泵出水管道阀门的使用寿命, 节约电耗。为取水泵房的安全、稳定、节能运行 提供了保障, 方便了后期运行维护。

　　 该泵站大泵增加变频措施后连续运行至今再未发生电机跳闸停机的问题。

　　 水泵设计扬程过于保守会导致实际运行工况点偏向大流量、低扬程工况点, 造成“大马拉小车”效应导致电耗增加, 可能会产生叶轮汽蚀、电机超载、水泵停机等一系列问题。水泵选型首先应准确绘制出管道特性曲线, 再将所选水泵曲线及各种工况并联曲线绘制在管道特性曲线上, 分析所选水泵能否满足不同运行工况的要求。

　　 对水源水位变幅大的取水泵房, 宜选用Q-H特性曲线陡峭型的水泵, 扬程H变动较大而流量Q变动范围不大。取水泵房根据枯水期低水位选择水泵, 再依据丰水期高水位校核水泵能否满足各种运行工况, 若无法同时满足枯水期和丰水期的工况要求, 则需考虑水泵的调节措施, 以达到运行的经济。水泵选型要给出所需水泵的最大、最小扬程范围, 供设备商选配电机功率时参考。

　　 我国从20世纪80年代中期开始采用调速装置, 由于当时变频调速装置完全依赖进口, 价格高昂, 性价比不高。但近年来, 随着变频装置价格的大幅下降, 低压变频价格仅较软启动高约15%～40%, 高压变频国产产品性能也较为可靠^[1]。目前变频已成为水泵调速装置的主流产品, 建议泵站设计时采用变频措施调节水泵工况。