王志明 陳正華 覃永紅

　　提要 本文利用水泵運行曲線，對現(xiàn)階段的調(diào)速供水系統(tǒng)水泵容量配備進行理論分析。水泵的容量配備，特別是調(diào)/定速水泵容量配比不恰當(dāng)，直接影響到調(diào)速供水運行的穩(wěn)定性及運行效率。
　　關(guān)鍵詞 容量配比 容量配備 揚程 出水壓力 穩(wěn)定性

　　調(diào)速供水系統(tǒng)應(yīng)用在我國，現(xiàn)已有二年的歷史。筆者經(jīng)多年實踐，發(fā)現(xiàn)恰好是水泵的容量配備問題，直接影響到調(diào)速供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性及運行效率。以下，筆者就調(diào)速供水系統(tǒng)中調(diào)/定速水泵的容量配備問題進行探討。

　　1 調(diào)速水泵的運行效率分析

　　一些文章曾作論述，認為調(diào)速水泵在調(diào)節(jié)運行過程中，可以一直保持運行效率不變，筆者認為這種觀點不正確，以圖1.1作定性分析。
　　1.1 引用公式及適用條件
　　水泵的揚程H計算公式如下:
　　H=PR-PV+(V22-V12)/2g+△z——式（1.1)
　　H——水泵的揚程，米。
　　P_R——水泵出口壓力表讀數(shù)，米。
　　P_V——水泵進口壓力（真空）表讀數(shù)。
　　V₂、V₁——水泵出口、入口處的流速，米/秒。
　　△z——出口、入口表計的安裝高差，米。
　　g——重力加速度，米/秒²。
　　一般工程計算中揚程簡化計算公式如式（1.2)。
　　H=P_R-P_V——式（1.2)
　　式（1.2)給出了水泵的揚程與出水壓力間的相互關(guān)系。水泵的工作曲線均表示為流量Q——揚程H曲線，而縱觀調(diào)速水泵的控制方式，則以水泵出水壓力P_R作為控制參數(shù)，因而，筆者利用水泵的流量Q——出水壓力P_R曲線作輔助分析，為有所區(qū)別，將曲線有曲線上的點分別稱為工況曲線及工況點。
　　1.2 調(diào)速水泵的運行效率
　　按式(1.2),影響水泵出水壓力P_R的因素主要有兩個,一是水量變化引起揚程變化;再有就是進水端壓力P_V變化,如果此時水量保持不變,出水壓力P_R曲線作輔助分析,為有所區(qū)別,將曲線及曲線上的點分別稱為工況曲線及工況點。
　　1.2.1 供水量變化時調(diào)速水泵的運行效率變化
　　供水量變化時,引起水泵的揚程H變化,假設(shè)進水端壓力P_V=O,則PR=H,利用水泵的流量Q——出水壓力P_R曲線（工況曲線）進行分析，如圖1.1。

　　恒壓供水系統(tǒng)水泵的速度調(diào)節(jié)方式，在調(diào)速水泵全速運行時，工況曲線是S_H，供水壓力為P_S，工況點為A，當(dāng)供水量下降時，調(diào)速裝置進行調(diào)整降低水泵的運行速度，這時水泵的工況曲線為S_L，工況點為B，壓力保持不變。
　　A、B點壓力相同（相當(dāng)于揚程相同），顯然它們非等效率點，按水泵比例律，B點在曲線S_H上的等效點C，有如下關(guān)系成立：
　　Q_B/Q_C=n<1——式（1.1)
　　P_B/P_C=n²<1——式（1.2)
　　Q_A～Q_D——A～D點對應(yīng)水量，m³。
　　P_C、P_D——C、D點對應(yīng)壓力，米。
　　n——調(diào)速率。
　　P_S——供水保證壓力，米。
　　據(jù)式（1.1)、(1.2)推斷，點C對應(yīng)流量（Q_C）和壓力（P_C），大于點B的流量（Q_S）和壓力（P_B），位于點A與點B之間的位置，如圖1.1所示。
　　如果沒有調(diào)速裝置，在供水量下降時，水泵的工作點如圖1.1所示的D點。各點所對應(yīng)的效率點如圖1.1中的效率曲線所示。
　　曲線η_B、η_L為對應(yīng)于曲線S_B和S_L的水泵效率曲線。
　　依圖1.1類推，當(dāng)供水量減少，水泵效率點向左移動；相對沒有調(diào)速裝置的工況點來說，調(diào)速后工況點座落在靠右的位置，這樣，供水量減少水泵效率下降，有調(diào)速裝置的水泵運行效率相對高于沒有調(diào)速裝置的水泵。
　　1.2.2 水泵進水端壓力變化對效率的影響
　　在進水端壓力升高時,出水壓力保持恒定,水泵揚程即下降,此時不考慮水量Q的變化,水泵工作曲線如圖1.2所示,S_H、S_L分別為產(chǎn)生變化前、后的水泵工作曲線，A、B為工作點，如圖1.1中的分析，點B的等效率點為C，它們的對應(yīng)的效率如曲線η_B、η_L所示。

　　定性分析結(jié)果如下：隨著進水端壓力的升高，水泵速度降低，在一定的供水量條件下水泵的效率點逐漸向效率曲線的右端移動。
　　綜合供水量及進水端壓力兩個影響因素，供水量減少使水泵工況點向左移動，進水壓力升高使水泵工作點向右移動，相對沒有調(diào)速裝置的工況點來說，調(diào)速后工況點座落在效率曲線靠右的位置，這樣，有調(diào)速裝置的水泵，運行效率相對高于沒有調(diào)速裝置的水泵。

　　2 現(xiàn)階段調(diào)速水泵與定速水泵的容量配比及出現(xiàn)的問題

　　因為調(diào)速裝置價格高、維修難度大，現(xiàn)階段多數(shù)供水系統(tǒng)配備均為一調(diào)（速水泵）多定（速水泵），現(xiàn)階段幾乎所有的設(shè)計方案中，調(diào)速泵與定速泵容量相差不大（有些容量配比甚至是1.1），按我公司的使用經(jīng)驗，這樣的容量配比是不恰當(dāng)?shù)?，主要缺點在以下兩方面：第一，造成供水系統(tǒng)運行不穩(wěn)定；第二，調(diào)速泵運行效率很低。以調(diào)/定速水泵容量為1.1為例進行分析。
　　2.1調(diào)、定速泵容量為1.1時系統(tǒng)運行穩(wěn)定性分析

　　供水系統(tǒng)水泵工作方式如圖（2.1）所示，以調(diào)速水泵作為主泵，當(dāng)它的供水量達額定水量的100%時，工作曲線為S_A，工作點為A，水泵的運行速度已經(jīng)達最大值，不能再提高了，如果供水量進一步擴大，供水壓力將下降，到一定程度（如工作點為B，△Q為為5%～10%），定速水泵投入運行，如果調(diào)速泵與定速泵的容量配比為1：1，則定速泵投入運行后，供水量固定為100%（工作點為A），迫使調(diào)速泵的工作曲線變?yōu)镾_B，供水量僅為△Q（5%～10%），工作點為C。由于定速泵容量設(shè)置過大，調(diào)速泵水量下調(diào)幅度而變得很小（僅為△Q，約（5%～10%），若此時供水量稍有減少（實際上供水量是時刻發(fā)生變化的，這樣的情況經(jīng)常出現(xiàn)），系統(tǒng)即執(zhí)行定速泵停機操作，使定速泵出現(xiàn)頻繁操作現(xiàn)象。這就是為什么現(xiàn)階段的調(diào)速供水系統(tǒng)易出現(xiàn)水泵操作頻繁現(xiàn)象的主要原因，為此我們曾對水泵容量配比為非作歹：1的加壓泵站進行觀察，發(fā)現(xiàn)在供水量處于投/切水泵的臨界狀態(tài)時，水泵投/切操作頻繁。
　　由此可見，調(diào)、定速比為1：1供水系統(tǒng)，因定速泵容量過大，造成系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行，而且，定速泵投入運行后調(diào)速泵運行于低效區(qū)，運行效率很低，起不到節(jié)能效果。
　　2.2 容量配比為1.1系統(tǒng)運行效率
　　按以上1.2中對調(diào)速水泵運行效率的分析結(jié)果，調(diào)速水泵的運行效率隨著水泵供水量的降低而逐漸降低。經(jīng)筆者分析了在用調(diào)速水泵的運行數(shù)據(jù)，一般情況下當(dāng)調(diào)速水泵出水量在40%（定速水泵由于沒有調(diào)速裝置，此數(shù)據(jù)為50%）以下時，運行在低效區(qū)。綜合2.1中的分析，定速水泵投入運行時，調(diào)速泵的供水量僅5～10%，不用置疑，此時調(diào)速泵運行在低效區(qū)，運行效率很低，起不到應(yīng)有的節(jié)能效果。

　　3 合理的調(diào)/定速泵容量配備

　　3.1 合理的調(diào)/定速泵容量配比
　　從提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性及調(diào)速泵運行效率兩方面考慮，用以下方法確定調(diào)、定速泵容量配比。
　　按圖2.1，調(diào)速泵的可調(diào)節(jié)水量理論上可在0～100%的范圍內(nèi)，但按2.2中對調(diào)速泵運行效率的分析，出水量小于40%，水泵運行效率很低，綜合水泵運行效率考慮，調(diào)速泵實際可調(diào)節(jié)水量Q_D在60%左右。
　　如果選擇的定速泵參數(shù)是：額定供水壓力為P_S，供水量Q_C為Q_D的一半，
　　即Q_C=Q_D/2——（3.1)
　　定速水泵的容量按式（3.1)確定，供水系統(tǒng)工作原理如圖（3.1)所示：

　　調(diào)速泵的工作點為B時，定速水泵投入運行，定速水泵工作的曲線為S_C，工作點為D，由于Q_C僅為30%，調(diào)速泵運行曲線S_B，供水量70～80%，運行在高效區(qū)。當(dāng)調(diào)速泵的出水量少于40%時（運行曲線S_L）設(shè)置調(diào)速泵運行在最低速度，若供水量再減少，工作點由E到F，壓力上升，定速泵停機。調(diào)速泵的運行效率提高，而且下調(diào)幅度達30%，定速泵不會出現(xiàn)頻繁操作現(xiàn)象。
　　綜上所述，合理的調(diào)/定速容量配比為1：0.3，這樣的容量配比促使水泵運行在高效區(qū)，而且，由于定速泵投入后調(diào)速水泵有充分的余地進行調(diào)節(jié)，上調(diào)及下調(diào)幅度
均為其額定容量的30%左右，供水系統(tǒng)不易出現(xiàn)水泵操作頻繁現(xiàn)象。
　　3.2 調(diào)速供水系統(tǒng)水泵容量配備
　　調(diào)速供水系統(tǒng)合理的水泵容量配備如下表3.1所示：

表3.1 水泵的合理容量配備 名稱 調(diào)速泵 1#定速泵 2#定速泵 3#定速泵 4#定速泵 容量 100 30 60 120 210

　　按表2.1所示的容量配備，供水系統(tǒng)的工作過程如下：以調(diào)速泵為主泵，供水壓力下降到一定程度時1#定速泵啟動；如果供水量再次提高時停1#開2#；其后是1#與2#同時開（可補充水量是90%）；開3#、1#+3#、2#+3#、4#、1#+4#、2#+4#，依次可補充水量值分別為120%、150%、180%、210%、240%、270%。
　　表2.1中水泵的開泵臺數(shù)保持在3臺，配備的原則是盡量減少開泵臺數(shù)，以提高系統(tǒng)的運行效率，并保證供水系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。水泵啟動（或停止）過程中的一個重要原則是：當(dāng)供水量不足（或過大）時，每次投入（或撤出）的定速水泵的容量為調(diào)速泵的30%左右。
　　3.3 調(diào)速水泵容量確定
　　由以上分析可知，調(diào)速泵實際供水量與額定供水量越接近，調(diào)速泵運行效率越高，這就要求所選擇的調(diào)速泵容量不能過大，以免調(diào)速泵單獨運行時因供水量太少而運行在低效區(qū)，但按3.2中的描述，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)依賴于調(diào)速泵的容量，在定速泵投入運行后上調(diào)、下調(diào)幅度均為調(diào)速泵供水量的30%，如果供水量在單位時間內(nèi)的變化率大于此數(shù)值，仍不能保證降低供水系統(tǒng)水泵投切的頻繁程度，這又要求調(diào)速泵容量要足夠大。所以，調(diào)速泵的容量應(yīng)從以上兩方面作綜合考慮，以確定合適的調(diào)速水泵容量。

　　4 結(jié)束語

　　現(xiàn)階段調(diào)速供水系統(tǒng)運行不穩(wěn)定甚至運行效率低是普遍存在的問題，以后進行供水泵房設(shè)計時，設(shè)計部門應(yīng)考慮與此相關(guān)的問題。通過以上的理論分析及對水泵容量配備的探討，總結(jié)如下：
第一，影響調(diào)速供水系統(tǒng)穩(wěn)定運行，造成水泵頻繁啟、停的主要因素在于現(xiàn)階段定速水泵與調(diào)速水泵的容量配比不合理，定速泵容量過大，應(yīng)依照調(diào)/定速水泵容量配比為1：0.3容量進行選擇。
第二，配備的定速水泵容量過大，不僅影響調(diào)速供水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，而且造成調(diào)速水泵運行效率偏低，按我們的運行經(jīng)驗，有時調(diào)速水泵會出現(xiàn)零效率運行（調(diào)速水泵供水量接近0）。
第三，確定調(diào)速水泵的容量時應(yīng)從兩方面綜合考慮，首先是單獨供水時的供水量與額定供水量相比不能過低；第二是定速泵投入后，供水量單位時間內(nèi)的變化率不能大于調(diào)速泵額定容量的30%，否則不能保證降低水泵投切的頻繁程度。

參考書目 《城鎮(zhèn)供水工程》 袁世荃 李鴻禧 主編 姜乃昌主審
湖南科學(xué)技術(shù)出版社 1990年出版