供水系统调节方式的节能选择

吴凡松
中国市政工程华北设计研究院

1 系统的调节方式

1.1 关闸调节和变速调节
　　送水泵房的任务是要满足管网中用户对水量、水压的要求。在管网中无水塔或高位水池的情况下，任何时刻二级泵站的供水量应等于用水量。由于管网用水量每时每刻都在变化，而水泵的搭配和分级是有限的，因此需对管道或水泵进行调节以满足用户水量、水压的要求，关闸调节和水泵变速调节是两种有效的调节方式。关闸调节使能量浪费在闸门上，由于送水泵房运行费占水厂制水成本的50%以上，因而能量的浪费很可观。一般来说，水泵变速调节和关闸调节相比，能量节约了14.1%。
1.2 水塔或高位水池调节
　　水塔或高位水池调节是传统而有效的调节方式。当管网中建有水塔或高位水池时，二级泵站每小时供水量可不等于用水量，但每天总供水量仍等于用水量。此时，水泵工作分为二级到三级。只要选泵合理，可使水泵一直在节能状态下工作。因而，水塔或高位水池调节不会引起水泵能量的浪费。
　　从以上分析可知，水泵变速调节只是系统的一种调节方式，同水塔和高位水池调节相比，它可以省去水塔或水池，但要求泵站和管网按最高日、最高时流量设计。同时，清水池的容积也要比水塔或水池调节时大。另外，先进的调速设备如变频调速设备一般需要进口，价格较为昂贵。因此，到底采用那种调节方式，需通过技术经济比较后才能确定，不能盲目认为变速调节就一定节能。例如，当管网中水塔和水池的调节容积足够时，使用变速调节并不能起到节能目的。

2 水泵调速的节能原理

　　由离心泵的基本方程式可知，水流通过水泵时，比能(扬程)的增值与叶轮的转速和外径有关。降低转速和减小轮径，都可以降低水泵的扬程。这一原理是水泵调速的理论基础。
　　水泵装置的工况点是指水泵供给水的总比能与管道所要求的总比能相等的那个点(见图1)，也就是水泵特性曲线(曲线①)与管道特性曲线(曲线②)的交点，如A点。当水泵特性曲线和管道特性曲线改变时，都会引起工况点的转移。

　　对定速泵来说，当流量由Q_A变为Q_B时，水泵特性曲线①不变，管道特性曲线变为曲线③，工况点因此成为C点，相应的扬程为H?C。对变速泵来说，如要求流量由Q_A变为Q_B，可通过改变水泵转速，使曲线①变为曲线④，此时管道特性曲线仍为②，工况点则变为B点，对应扬程为H_B。因此，直观地说，变速泵节约的扬程为(H_C-H_B)。当然，选择水泵时应校核水泵的调速范围是否合理。

3 设计举例

3.1 定速与调速节能比较
　　某水厂设计规模20×10⁴m³/d，24 h逐时用水量变化资料已知(见图2)。根据管网平差结果，要求该水厂出水水压满足：

　　H=40+1.8Q² (1)

　　选SULZER501-500泵(n=1470r/min)3台。方案1为全部采用定速泵，方案2采用2台变速、1台定速，比较两方案节能效果。

　　从泵谱图上求得泵特性曲线方程为：
　　H=81-17Q² （2）
　　则二泵并联后特性曲线方程为：
　　H=81-4.25Q² (3)
　　三泵并联H=81-1.9Q² （4）
　　分别联立（1）（2）、（1）（3）、（1）（4）得出：
　　Q₁=1.477m³/s=5316m³/h
　　Q₂=2.6m³/s=9372m³/h
　　Q₃₌3.33m³/s=12000m³/h
　　因而，对方案1，按以下原则调度：
　　Q≤1时，开泵1台；
　　Q1＜Q≤Q2时，开泵2台；
　　Q2＜Q≤Q3时，开泵3台；
　　对方案2，则按如下原则操作：
　　Q≤Q1时，开变速泵1台；
　　Q1＜Q≤Q2时，开变速泵2台；
　　Q2＜Q≤Q3时，开1台定速泵，2台变速泵。
　　利用用水量逐时变化资料，计算每一时刻各方案所消耗耗的电能。
　　方案1某小时所耗电能为：
　　Pi=γQiHi/102ηi （5）
　　方案2同一时刻所耗电能应分为两部分，即定速泵耗电加上变速泵耗电，即：

　　P_i＇＝γQ_i＇H_i＇/102η_i＇＋γQ_i＂H_i＂/102η_i＂　　　　　(6)

　　经计算，方案2比方案1节能14.1%，每年节电205×10⁴ kW·h。?
　　本设计需要的最大调速比：

　　Kn=0.5[(3C+A)/A]^0.5=0.787-78.7%

3.2 水塔与泵调速节能比较
　　泵调速范围为1156～1470r/min。若系统中水塔或高位水池的调节容积足够(经计算，调节容积需大于13100m³)，假定管路系统不变，水泵分两级工作。20时至次日5时一级供水，供水量为5560m³/h；5时至20时二级供水，供水量为1×10⁴m³/h。选取SULZER602-720泵(n=980r/min)2台，水泵叶轮切削一档，泵特性曲线方程为H=106.5-26.7Q²。一级供水时开泵1台，工况点为(5 560，44)；二级供水时开泵2台，工况点为(10000，55)。?
　　经计算1 d内能耗为：

　　P=(γQ_1·H₁/102η₁)Δt₁+(γQ₂·H₂/102η₂)Δt₂=33285 (kW·h/d)

　　可见，经水塔调节后耗能比变速调节还要少921kW·h/d。

4 结论

　　① 水泵变速调节是一种有效的调节方式，节电效果明显。但应通过经济技术比较后才能确定是否选用。
　　② 当管网中有水塔或高位水池时，应充分利用这些调节构筑物的调节能力。
　　③ 水泵调速后的节能计算可以用数解法依据用水量逐时变化曲线求得。
　　④ 管网24h逐时用水量变化资料是水泵优化配备的重要依据，各城市和水厂要注意整理这方面的资料，作为以后改扩建的依据。

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　　作者通讯处：300074 天津市河西区气象台南路 中国市政工程华北设计研究院
　　(收稿日期 1998-10-30)