吳凡松
中國市政工程華北設計研究院

1 系統的調節方式

1.1 關閘調節和變速調節
　　送水泵房的任務是要滿足管網中用戶對水量、水壓的要求。在管網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節以滿足用戶水量、水壓的要求，關閘調節和水泵變速調節是兩種有效的調節方式。關閘調節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，水泵變速調節和關閘調節相比，能量節約了14.1%。
1.2 水塔或高位水池調節
　　水塔或高位水池調節是傳統而有效的調節方式。當管網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，可使水泵一直在節能狀態下工作。因而，水塔或高位水池調節不會引起水泵能量的浪費。
　　從以上分析可知，水泵變速調節只是系統的一種調節方式，同水塔和高位水池調節相比，它可以省去水塔或水池，但要求泵站和管網按最高日、最高時流量設計。同時，清水池的容積也要比水塔或水池調節時大。另外，先進的調速設備如變頻調速設備一般需要進口，價格較為昂貴。因此，到底采用那種調節方式，需通過技術經濟比較后才能確定，不能盲目認為變速調節就一定節能。例如，當管網中水塔和水池的調節容積足夠時，使用變速調節并不能起到節能目的。

2 水泵調速的節能原理

　　由離心泵的基本方程式可知，水流通過水泵時，比能(揚程)的增值與葉輪的轉速和外徑有關。降低轉速和減小輪徑，都可以降低水泵的揚程。這一原理是水泵調速的理論基礎。
　　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移。

　　對定速泵來說，當流量由Q_A變為Q_B時，水泵特性曲線①不變，管道特性曲線變為曲線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變為Q_B，可通過改變水泵轉速，使曲線①變為曲線④，此時管道特性曲線仍為②，工況點則變為B點，對應揚程為H_B。因此，直觀地說，變速泵節約的揚程為(H_C-H_B)。當然，選擇水泵時應校核水泵的調速范圍是否合理。

3 設計舉例

3.1 定速與調速節能比較
　　某水廠設計規模20×10⁴m³/d，24 h逐時用水量變化資料已知(見圖2)。根據管網平差結果，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）
　　則二泵并聯后特性曲線方程為：
　　H=81-4.25Q² (3)
　　三泵并聯H=81-1.9Q² （4）
　　分別聯立（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)

　　經計算，方案2比方案1節能14.1%，每年節電205×10⁴ kW·h。?
　　本設計需要的最大調速比：

　　Kn=0.5[(3C+A)/A]^0.5=0.787-78.7%

3.2 水塔與泵調速節能比較
　　泵調速范圍為1156～1470r/min。若系統中水塔或高位水池的調節容積足夠(經計算，調節容積需大于13100m³)，假定管路系統不變，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)。?
　　經計算1 d內能耗為：

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

　　可見，經水塔調節后耗能比變速調節還要少921kW·h/d。

4 結論

　　① 水泵變速調節是一種有效的調節方式，節電效果明顯。但應通過經濟技術比較后才能確定是否選用。
　　② 當管網中有水塔或高位水池時，應充分利用這些調節構筑物的調節能力。
　　③ 水泵調速后的節能計算可以用數解法依據用水量逐時變化曲線求得。
　　④ 管網24h逐時用水量變化資料是水泵優化配備的重要依據，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。

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