吳凡松
中國市政工程華北設計研究院

1 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式

1.1 關(guān)閘調(diào)節(jié)和變速調(diào)節(jié)
　　送水泵房的任務是要滿足管網(wǎng)中用戶對水量、水壓的要求。在管網(wǎng)中無水塔或高位水池的情況下，任何時刻二級泵站的供水量應等于用水量。由于管網(wǎng)用水量每時每刻都在變化，而水泵的搭配和分級是有限的，因此需對管道或水泵進行調(diào)節(jié)以滿足用戶水量、水壓的要求，關(guān)閘調(diào)節(jié)和水泵變速調(diào)節(jié)是兩種有效的調(diào)節(jié)方式。關(guān)閘調(diào)節(jié)使能量浪費在閘門上，由于送水泵房運行費占水廠制水成本的50%以上，因而能量的浪費很可觀。一般來說，水泵變速調(diào)節(jié)和關(guān)閘調(diào)節(jié)相比，能量節(jié)約了14.1%。
1.2 水塔或高位水池調(diào)節(jié)
　　水塔或高位水池調(diào)節(jié)是傳統(tǒng)而有效的調(diào)節(jié)方式。當管網(wǎng)中建有水塔或高位水池時，二級泵站每小時供水量可不等于用水量，但每天總供水量仍等于用水量。此時，水泵工作分為二級到三級。只要選泵合理，可使水泵一直在節(jié)能狀態(tài)下工作。因而，水塔或高位水池調(diào)節(jié)不會引起水泵能量的浪費。
　　從以上分析可知，水泵變速調(diào)節(jié)只是系統(tǒng)的一種調(diào)節(jié)方式，同水塔和高位水池調(diào)節(jié)相比，它可以省去水塔或水池，但要求泵站和管網(wǎng)按最高日、最高時流量設計。同時，清水池的容積也要比水塔或水池調(diào)節(jié)時大。另外，先進的調(diào)速設備如變頻調(diào)速設備一般需要進口，價格較為昂貴。因此，到底采用那種調(diào)節(jié)方式，需通過技術(shù)經(jīng)濟比較后才能確定，不能盲目認為變速調(diào)節(jié)就一定節(jié)能。例如，當管網(wǎng)中水塔和水池的調(diào)節(jié)容積足夠時，使用變速調(diào)節(jié)并不能起到節(jié)能目的。

2 水泵調(diào)速的節(jié)能原理

　　由離心泵的基本方程式可知，水流通過水泵時，比能(揚程)的增值與葉輪的轉(zhuǎn)速和外徑有關(guān)。降低轉(zhuǎn)速和減小輪徑，都可以降低水泵的揚程。這一原理是水泵調(diào)速的理論基礎。
　　水泵裝置的工況點是指水泵供給水的總比能與管道所要求的總比能相等的那個點(見圖1)，也就是水泵特性曲線(曲線①)與管道特性曲線(曲線②)的交點，如A點。當水泵特性曲線和管道特性曲線改變時，都會引起工況點的轉(zhuǎn)移。

　　對定速泵來說，當流量由Q_A變?yōu)镼_B時，水泵特性曲線①不變，管道特性曲線變?yōu)榍€③，工況點因此成為C點，相應的揚程為H?C。對變速泵來說，如要求流量由Q_A變?yōu)镼_B，可通過改變水泵轉(zhuǎn)速，使曲線①變?yōu)榍€④，此時管道特性曲線仍為②，工況點則變?yōu)锽點，對應揚程為H_B。因此，直觀地說，變速泵節(jié)約的揚程為(H_C-H_B)。當然，選擇水泵時應校核水泵的調(diào)速范圍是否合理。

3 設計舉例

3.1 定速與調(diào)速節(jié)能比較
　　某水廠設計規(guī)模20×10⁴m³/d，24 h逐時用水量變化資料已知(見圖2)。根據(jù)管網(wǎng)平差結(jié)果，要求該水廠出水水壓滿足：

　　H=40+1.8Q² (1)

　　選SULZER501-500泵(n=1470r/min)3臺。方案1為全部采用定速泵，方案2采用2臺變速、1臺定速，比較兩方案節(jié)能效果。

　　從泵譜圖上求得泵特性曲線方程為：
　　H=81-17Q² （2）
　　則二泵并聯(lián)后特性曲線方程為：
　　H=81-4.25Q² (3)
　　三泵并聯(lián)H=81-1.9Q² （4）
　　分別聯(lián)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，對方案1，按以下原則調(diào)度：
　　Q≤1時，開泵1臺；
　　Q1＜Q≤Q2時，開泵2臺；
　　Q2＜Q≤Q3時，開泵3臺；
　　對方案2，則按如下原則操作：
　　Q≤Q1時，開變速泵1臺；
　　Q1＜Q≤Q2時，開變速泵2臺；
　　Q2＜Q≤Q3時，開1臺定速泵，2臺變速泵。
　　利用用水量逐時變化資料，計算每一時刻各方案所消耗耗的電能。
　　方案1某小時所耗電能為：
　　Pi=γQiHi/102ηi （5）
　　方案2同一時刻所耗電能應分為兩部分，即定速泵耗電加上變速泵耗電，即：

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

　　經(jīng)計算，方案2比方案1節(jié)能14.1%，每年節(jié)電205×10⁴ kW·h。?
　　本設計需要的最大調(diào)速比：

　　Kn=0.5[(3C+A)/A]^0.5=0.787-78.7%

3.2 水塔與泵調(diào)速節(jié)能比較
　　泵調(diào)速范圍為1156～1470r/min。若系統(tǒng)中水塔或高位水池的調(diào)節(jié)容積足夠(經(jīng)計算，調(diào)節(jié)容積需大于13100m³)，假定管路系統(tǒng)不變，水泵分兩級工作。20時至次日5時一級供水，供水量為5560m³/h；5時至20時二級供水，供水量為1×10⁴m³/h。選取SULZER602-720泵(n=980r/min)2臺，水泵葉輪切削一檔，泵特性曲線方程為H=106.5-26.7Q²。一級供水時開泵1臺，工況點為(5 560，44)；二級供水時開泵2臺，工況點為(10000，55)。?
　　經(jīng)計算1 d內(nèi)能耗為：

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

　　可見，經(jīng)水塔調(diào)節(jié)后耗能比變速調(diào)節(jié)還要少921kW·h/d。

4 結(jié)論

　?、? 水泵變速調(diào)節(jié)是一種有效的調(diào)節(jié)方式，節(jié)電效果明顯。但應通過經(jīng)濟技術(shù)比較后才能確定是否選用。
　　② 當管網(wǎng)中有水塔或高位水池時，應充分利用這些調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的調(diào)節(jié)能力。
　?、? 水泵調(diào)速后的節(jié)能計算可以用數(shù)解法依據(jù)用水量逐時變化曲線求得。
　?、?管網(wǎng)24h逐時用水量變化資料是水泵優(yōu)化配備的重要依據(jù)，各城市和水廠要注意整理這方面的資料，作為以后改擴建的依據(jù)。

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　　作者通訊處：300074 天津市河西區(qū)氣象臺南路 中國市政工程華北設計研究院
　　(收稿日期 1998-10-30)