管網(wǎng)疊壓_無負(fù)壓_供水系統(tǒng)水泵能耗對比研究講解

1、 l 1 1管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)水泵能耗對比研究李 斌 羅富強 陳 煒(天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院, 天津 300072摘要 分析了管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)中水泵運行工況點的變化, 并根據(jù)水泵的數(shù)學(xué)模型, 推導(dǎo)了水泵的單位能耗與效率計算公式。在此基礎(chǔ)上, 采用數(shù)值算法對恒壓供水和變壓供水兩種方式下水泵的能耗進行分析對比, 研究了市政管網(wǎng)壓力、用戶流量對單臺水泵、并聯(lián)水泵運行的影響。研究結(jié)果表明變壓供水相對恒壓供水水泵的單位能耗有明顯降低, 降低程度受到管網(wǎng)末端水壓的影響。關(guān)鍵詞 管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水 恒壓 變壓 節(jié)能 運行效率 目前, 管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)普遍采用恒壓供水方式

2、, 即保持出水口水壓恒定。這種方式雖然控制簡單, 但仍存在供水流量小時水泵揚程浪費、水泵的工況點偏離高效區(qū)和水泵運行效率不高等缺點1, 2?；诠芫W(wǎng)特性的研究, 一些學(xué)者提出變壓供水方式(即根據(jù)供水流量的變化調(diào)整水泵的出口水壓, 以解決這些問題3, 然而需要在管網(wǎng)末端設(shè)置傳感器, 增加了系統(tǒng)投資和設(shè)計難度。本文以水泵數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ), 采用數(shù)值計算方法, 對恒壓和變壓兩種控制方式下水泵的運行效率和能耗進行了對比研究, 得到了單臺、兩臺并聯(lián)運行時QG 、Q W關(guān)系曲線, 有助于更準(zhǔn)確地評估管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)的節(jié)能效果, 為系統(tǒng)設(shè)計提供參考。1 水泵運行工況點恒壓供水方式通過控制變頻系統(tǒng)使水

3、泵的出口水壓保持不變, 即:H =H t(1 式中H t 恒壓供水水泵的出口設(shè)定壓力值, kPa 。水泵的運行揚程為水泵出口水壓與入口水壓之差。管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)中水泵的入口水壓為市政管網(wǎng)壓力H m , 因此恒壓供水方式下水泵的運行揚程為:H =H t -H m (2變壓供水方式中水泵的出口水壓不確定, 一般由管路特性曲線決定。管路特性曲線表達式為:H =H 0+SQ2(3天津市科技支撐計劃重點項目(082CKFGX02000 。式中H 0 管網(wǎng)靜揚程, m ;S 管網(wǎng)系數(shù), 反映管網(wǎng)的阻力; Q 水泵流量, m 3/h。則變壓供水方式下水泵的運行揚程為:H =(H 0+SQ 2 -H

4、 m(4恒壓供水和變壓供水都屬于變頻調(diào)速供水, 其基本實現(xiàn)方式為:當(dāng)供水流量改變時, 通過變頻器調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速, 使水泵特性曲線上下移動, 當(dāng)曲線經(jīng)過供水所要求的工作點時, 即可達到供水要求。管網(wǎng)疊壓無負(fù)壓供水系統(tǒng)中, 不同流量和供水方式下, 水泵工況點分布如圖1所示。其中, Q H 曲線簇為水泵在不同轉(zhuǎn)速下擬合的流量揚程特性曲線, 直線AC 、BD 分別為市政管網(wǎng)壓力最小和最大時恒壓供水方式下水泵設(shè)計揚程水平線, 曲線AE 、BF 分別為市政管網(wǎng)水壓最小和最大時變壓供水方式下水泵的設(shè)計揚程曲線。水泵流量直線AC 、BD 和曲線AE 、BF 的交點即為水泵的工況點。圖1 水泵工況點分布 Vol

5、 136 1 2010直線AC 、BD 和曲線AE 、BF 分別為市政管網(wǎng)端壓力為兩個極限值時水泵的工況點分布曲線。當(dāng)市政管網(wǎng)水壓在兩個極限值之間波動時, 恒壓供水和變壓供水方式下水泵的工況點分布變?yōu)橐粋€區(qū)域, 分別如圖1中ABDC 區(qū)域和ABFE 區(qū)域所示。2 水泵單位能耗和效率分析211 水泵的數(shù)學(xué)模型水泵的工作特性由其特性曲線描述。實際的水泵工作特性均通過試驗測得, 由一些離散數(shù)據(jù)表示。為了得到水泵特性曲線的數(shù)學(xué)表達式, 可對水泵特性的測試數(shù)據(jù)進行多項式擬合。對于水泵, 揚程特性的擬合階次取2、軸功率特性的擬合階次取1即可得到足夠的擬合精度。揚程特性和軸功率特性的擬合結(jié)果為:H =a 2

6、Q 2+a 1Q +a 0(5 P =b 1Q +b 0(6式中 P 水泵的軸功率; a 0、a 1、a 2, b 0、b 1 多項式擬合系數(shù)。以上二式描述了水泵在額定轉(zhuǎn)速n 0下的工作特性。對于變頻供水, 為了研究水泵的運行狀況, 需要了解水泵在非額定轉(zhuǎn)速下的特性。根據(jù)比例定律, 對式(1 和式(2 進行變換, 可得到水泵在任意轉(zhuǎn)速下的工作特性。比例定律表示為:Q 0=0=n 0(7變換后水泵特性曲線的表達式為:H =a 2Q 2+a 1KQ +a 0K2(8 P =b 1K 2Q +b 0K3(9式中K =n /n0, n 為水泵的實際運行轉(zhuǎn)速, K 稱為水泵的標(biāo)稱化轉(zhuǎn)速, 取值范圍為0.

7、 61。212 單位能耗和效率計算水泵的能耗大小由其單位能耗描述。水泵的單位能耗計算式為:W =3600G(10式中W 單位能耗量, k W #h /m3;H 水泵的運行揚程, kPa ; G 水泵的效率。由式(10 可以看出, 水泵的單位能耗取決于水泵的工作揚程和相應(yīng)的運行效率。在管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 變頻供水系統(tǒng)中, 由于恒壓供水和變壓供水兩種方式下水泵運行的工況點不同, 因此水泵的單位能耗不同。從圖1可以看出, 相同的供水流量下, 恒壓供水和變壓供水方式下水泵的工作揚程不同, 恒壓供水的水泵揚程高于變壓供水。由式(2 和式(4 可知, 恒壓供水與變壓供水水泵揚程的差值$H 為:$H =H t

8、 -(H 0+SQ 2(11由式(11 可知, 對于設(shè)計工況點和管路特性確定的供水系統(tǒng), 在供水流量區(qū)間0Q t 內(nèi), $H >0且隨供水流量減小而增大。由此可知, 變壓供水比恒壓供水節(jié)省了$H 的水泵揚程, 流量越小, 節(jié)省越多。水泵的相似拋物線描述水泵相似工況點的分布情況。圖1中的兩條相似拋物線分別對應(yīng)水泵高效運行區(qū)的上下限, 若水泵的工況點位于兩條相似拋物線間的區(qū)域, 則水泵運行效率較高。從圖1可以看出, 恒壓供水方式下水泵運行工況區(qū)域偏離水泵高效運行區(qū)域的程度較多, 隨著水泵的流量減小, 偏離程度增大, 造成水泵的運行效率下降較快。變壓供水方式下水泵的工況點分布于以兩條拋物線為邊

9、界的區(qū)域內(nèi), 偏離高效運行區(qū)域的程度較小, 隨流量減小, 水泵的運行效率下降較緩慢, 水泵在較小流量下運行效率仍可能較高。恒壓供水和變壓供水方式下水泵的高效運行工況區(qū)域分別為為ABI G 和ABKJ 。對比二者可知, 變壓供水方式下水泵有更寬廣的高效運行區(qū)域, 水泵能夠在較大的流量范圍內(nèi)運行于較高效率。對于給定的水泵運行工況(Q, H , 若知道水泵的單位能耗W , 可求得水泵在此工況下的運行效率。水泵的效率為:G =3600P(12根據(jù)水泵的數(shù)學(xué)模型, 聯(lián)立式(8 、式(9, 得到水泵在工況點(Q, H 處的軸功率P , 可知P 與Q 、H 為非線性函數(shù)關(guān)系, 可表示為:P =f 0(Q,

10、H (13將式(13 代人式(12, 則水泵運行于工況點(Q, H 時的效率為:G =QH3600f 0(Q, H (14 l 1 1恒壓供水和變壓供水下水泵的工作揚程不同, 即水泵的運行工況不同。分別將水泵的工作揚程代入式(14, 得到相應(yīng)的Q G 關(guān)系。聯(lián)立式(2 、式(14, 得恒壓供水方式下的水泵QG 特性為:G 1=Q (H t -H m 3600f 0(Q , (H t -H m (15聯(lián)立式(4 、式(14, 得變壓供水方式下水泵的QG 特性為:G 2=Q (H 0+SQ 2-H m 3600f 0(Q , (H 0+SQ -H m (16為了對比恒壓供水和變壓供水下水泵的單位能

11、耗, 需要知道水泵的Q W 特性。聯(lián)立式(2 、式(10 、式(15, 得到恒壓供水方式下水泵的Q W特性為:W 1=f 0(Q , (H t -H m Q(17聯(lián)立式(4 、式(10 、式(16, 得到變壓供水方式下水泵的Q W 特性為:W 2=f 0(Q , (H 0+SQ 2-H m Q(18式(15 式(18 均只含有變量Q , 因此利用這4式, 可定量分析對比相同供水流量要求下恒壓供水和變壓供水方式水泵的運行效率和單位能耗。3 實例分析某供水系統(tǒng)最大時流量Q t =55m 3/h, 擬采用管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 方式供水, 經(jīng)水力計算, 最大時流量水泵出口所需壓力H t =650kPa 。

12、供水系統(tǒng)的管網(wǎng)靜揚程H 0=320kPa , 管網(wǎng)系數(shù)S =01109。相對于水泵出口的市政管網(wǎng)壓力變化范圍為150220kPa 。因此恒壓供水方式下水泵的運行揚程范圍為430500kPa , 變壓供水方式下水泵的運行揚程為(100+01109Q 2(170+01109Q 2。以下分別分析對比當(dāng)采用不同方案供水時, 恒壓供水和變壓供水方式下水泵的運行效率和單位能耗。311 單臺水泵供水采用單臺水泵供水, 系統(tǒng)任意時刻只有一臺水泵運行。在大多數(shù)管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)中, 為了提高系統(tǒng)的可靠性, 可增設(shè)一臺備用泵。本系統(tǒng)中采用I S8050200型水泵供水, 水泵的部分性能參數(shù)如表1所示4。恒

13、壓和變壓供水方式下水泵的Q G 曲線如圖2所示。表1I S8050200型水泵性能參數(shù)Q /m3/hH /kPan /r/mi n P /kWG /%30530505006047029002900290071圖2 單臺水泵運行效率由圖2可知, 市政管網(wǎng)壓力H m 最大時, 恒壓供水和變壓供水水泵的的高效運行流量范圍分別為2755m 3/h和1555m 3/h, 變壓供水相對恒壓供水增寬46%; 變壓供水水泵的運行效率相對恒壓供水平均提高3214%。市政管網(wǎng)壓力H m 最小時, 變壓供水水泵的運行效率相對恒壓供水平均提高2511%。根據(jù)式(17 、式(18, 恒壓供水和變壓供水方式下水泵的Q W

14、 曲線如圖3所示。從圖3可以看出, 流量在1055m 3/h范圍內(nèi), 市政管網(wǎng)壓力H m 最大時, 變壓供水相對恒壓供水圖3 單臺水泵的單位能耗 Vol 136 1 2010單位能耗平均下降5111%; H m 最小時, 變壓供水相對恒壓供水單位能耗平均下降4514%。另外隨流量減小, 恒壓供水的單位能耗增大, 變壓供水的先減小后增大。根據(jù)式(6, 水泵的單位能耗受到揚程和效率共同影響。當(dāng)H m 恒定時, 恒壓供水保持水泵揚程不變, 其運行效率隨流量減小而降低, 因此水泵的單位能耗逐漸增加; 變壓供水方式下水泵的運行效率隨流量減小而下降, 但其運行揚程也隨之下降, 因此在一定流量區(qū)域內(nèi)水泵的單

15、位能耗降低, 當(dāng)流量下降到一定值后, 偏離水泵高效運行區(qū)較多, 單位能耗開始上升。312 水泵并聯(lián)供水采用2臺I S6540200型水泵并聯(lián)供水時, 當(dāng)流量小于30m 3/h時, 1臺水泵單獨運行; 當(dāng)流量大于30m 3/h時, 2臺水泵并聯(lián)運行。為了比較恒壓和變壓兩種工作方式, 并聯(lián)時2臺水泵平均分配流量。水泵的部分性能參數(shù)如表2所示4。表2I S6540200型水泵性能參數(shù)4702900612961并聯(lián)水泵的Q G 曲線如圖4所示。由圖4可以看出, 2臺水泵并聯(lián)運行, 恒壓供水出現(xiàn)了一小段水泵的并聯(lián)低效區(qū), 變壓供水則基本沒有, 保持高效運行。另外, 市政管網(wǎng)壓力H m 最大時, 變壓供水

16、方式下水泵的運行效率相對恒壓供水平均提高2117%; H m 最小時, 變壓供水方式下水泵的運行效率相對恒壓供水平均提高1619%。圖4 并聯(lián)水泵運行效率圖5為水泵的單位能耗曲線。從圖5可以看出, 流量在1055m 3/h范圍內(nèi)時, 市政管網(wǎng)壓力H m 最大時, 變壓供水相對恒壓供水單位能耗平均下降4717%; H m 最小時, 變壓供水相對恒壓供水單位能耗平均下降42. 5%。圖5 并聯(lián)水泵的單位能耗4 結(jié)論基于水泵數(shù)學(xué)模型, 推導(dǎo)了管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)中水泵單位能耗和運行效率的計算公式, 并分析對比恒壓供水和變壓供水水泵的運行特性。分析結(jié)果表明, 變壓供水水泵的單位能耗相對恒壓供水有較大的降低, 降低的原因包含兩方面:第一, 變壓供水水泵的工作揚程較低; 第二, 變壓供水水泵的運行效率較高, 并且變壓供水相對恒壓供水性能的提升受到市政管網(wǎng)壓力的影響。將變壓供水運用于管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓 供水系統(tǒng)中, 必然能夠有效提升系統(tǒng)的節(jié)能效果。參考文獻1 譚勁, 陳元莉. 影響水泵變頻調(diào)速節(jié)能效果的因素探討. 中國