吳凡松
中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)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(wù)是要滿足管網(wǎng)中用戶對(duì)水量、水壓的要求。在管網(wǎng)中無(wú)水塔或高位水池的情況下，任何時(shí)刻二級(jí)泵站的供水量應(yīng)等于用水量。由于管網(wǎng)用水量每時(shí)每刻都在變化，而水泵的搭配和分級(jí)是有限的，因此需對(duì)管道或水泵進(jìn)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(fèi)在閘門(mén)上，由于送水泵房運(yùn)行費(fèi)占水廠制水成本的50%以上，因而能量的浪費(fèi)很可觀。一般來(lái)說(shuō)，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(dāng)管網(wǎng)中建有水塔或高位水池時(shí)，二級(jí)泵站每小時(shí)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(shí)，水泵工作分為二級(jí)到三級(jí)。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(huì)引起水泵能量的浪費(fèi)。
　　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(shí)流量設(shè)計(jì)。同時(shí)，清水池的容積也要比水塔或水池調(diào)節(jié)時(shí)大。另外，先進(jìn)的調(diào)速設(shè)備如變頻調(diào)速設(shè)備一般需要進(jìn)口，價(jià)格較為昂貴。因此，到底采用那種調(diào)節(jié)方式，需通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后才能確定，不能盲目認(rèn)為變速調(diào)節(jié)就一定節(jié)能。例如，當(dāng)管網(wǎng)中水塔和水池的調(diào)節(jié)容積足夠時(shí)，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(guò)水泵時(shí)，比能(揚(yáng)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(yáng)程。這一原理是水泵調(diào)速的理論基礎(chǔ)。
　　水泵裝置的工況點(diǎn)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(gè)點(diǎn)(見(jiàn)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(diǎn)，如A點(diǎn)。當(dāng)水泵特性曲線和管道特性曲線改變時(shí)，都會(huì)引起工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)移。

　　對(duì)定速泵來(lái)說(shuō)，當(dāng)流量由Q_A變?yōu)镼_B時(shí)，水泵特性曲線①不變，管道特性曲線變?yōu)榍€③，工況點(diǎn)因此成為C點(diǎn)，相應(yīng)的揚(yáng)程為H?C。對(duì)變速泵來(lái)說(shuō)，如要求流量由Q_A變?yōu)镼_B，可通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速，使曲線①變?yōu)榍€④，此時(shí)管道特性曲線仍為②，工況點(diǎn)則變?yōu)锽點(diǎn)，對(duì)應(yīng)揚(yáng)程為H_B。因此，直觀地說(shuō)，變速泵節(jié)約的揚(yáng)程為(H_C-H_B)。當(dāng)然，選擇水泵時(shí)應(yīng)校核水泵的調(diào)速范圍是否合理。

3 設(shè)計(jì)舉例

3.1 定速與調(diào)速節(jié)能比較
　　某水廠設(shè)計(jì)規(guī)模20×10⁴m³/d，24 h逐時(shí)用水量變化資料已知(見(jiàn)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(tái)。方案1為全部采用定速泵，方案2采用2臺(tái)變速、1臺(tái)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(duì)方案1，按以下原則調(diào)度：
　　Q≤1時(shí)，開(kāi)泵1臺(tái)；
　　Q1＜Q≤Q2時(shí)，開(kāi)泵2臺(tái)；
　　Q2＜Q≤Q3時(shí)，開(kāi)泵3臺(tái)；
　　對(duì)方案2，則按如下原則操作：
　　Q≤Q1時(shí)，開(kāi)變速泵1臺(tái)；
　　Q1＜Q≤Q2時(shí)，開(kāi)變速泵2臺(tái)；
　　Q2＜Q≤Q3時(shí)，開(kāi)1臺(tái)定速泵，2臺(tái)變速泵。
　　利用用水量逐時(shí)變化資料，計(jì)算每一時(shí)刻各方案所消耗耗的電能。
　　方案1某小時(shí)所耗電能為：
　　Pi=γQiHi/102ηi （5）
　　方案2同一時(shí)刻所耗電能應(yīng)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(jì)算，方案2比方案1節(jié)能14.1%，每年節(jié)電205×10⁴ kW·h。?
　　本設(shè)計(jì)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(jì)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(jí)工作。20時(shí)至次日5時(shí)一級(jí)供水，供水量為5560m³/h；5時(shí)至20時(shí)二級(jí)供水，供水量為1×10⁴m³/h。選取SULZER602-720泵(n=980r/min)2臺(tái)，水泵葉輪切削一檔，泵特性曲線方程為H=106.5-26.7Q²。一級(jí)供水時(shí)開(kāi)泵1臺(tái)，工況點(diǎn)為(5 560，44)；二級(jí)供水時(shí)開(kāi)泵2臺(tái)，工況點(diǎn)為(10000，55)。?
　　經(jīng)計(jì)算1 d內(nèi)能耗為：

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

　　可見(jiàn)，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(yīng)通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后才能確定是否選用。
　?、? 當(dāng)管網(wǎng)中有水塔或高位水池時(shí)，應(yīng)充分利用這些調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的調(diào)節(jié)能力。
　　③ 水泵調(diào)速后的節(jié)能計(jì)算可以用數(shù)解法依據(jù)用水量逐時(shí)變化曲線求得。
　?、?管網(wǎng)24h逐時(shí)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(kuò)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(tái)南路 中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院
　　(收稿日期 1998-10-30)