王志明 陳正華 覃永紅

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

　　調速供水系統應用在我國，現已有二年的歷史。筆者經多年實踐，發現恰好是水泵的容量配備問題，直接影響到調速供水系統的穩定性及運行效率。以下，筆者就調速供水系統中調/定速水泵的容量配備問題進行探討。

　　1 調速水泵的運行效率分析

　　一些文章曾作論述，認為調速水泵在調節運行過程中，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，米。
　　P_V——水泵進口壓力（真空）表讀數。
　　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系。水泵的工作曲線均表示為流量Q——揚程H曲線，而縱觀調速水泵的控制方式，則以水泵出水壓力P_R作為控制參數，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。

　　恒壓供水系統水泵的速度調節方式，在調速水泵全速運行時，工況曲線是S_H，供水壓力為P_S，工況點為A，當供水量下降時，調速裝置進行調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點對應水量，m³。
　　P_C、P_D——C、D點對應壓力，米。
　　n——調速率。
　　P_S——供水保證壓力，米。
　　據式（1.1)、(1.2)推斷，點C對應流量（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為對應于曲線S_B和S_L的水泵效率曲線。
　　依圖1.1類推，當供水量減少，水泵效率點向左移動；相對沒有調速裝置的工況點來說，調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，有調速裝置的水泵運行效率相對高于沒有調速裝置的水泵。
　　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，它們的對應的效率如曲線η_B、η_L所示。

　　定性分析結果如下：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，相對沒有調速裝置的工況點來說，調速后工況點座落在效率曲線靠右的位置，這樣，有調速裝置的水泵，運行效率相對高于沒有調速裝置的水泵。

　　2 現階段調速水泵與定速水泵的容量配比及出現的問題

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

　　供水系統水泵工作方式如圖（2.1）所示，以調速水泵作為主泵，當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），迫使調速泵的工作曲線變為S_B，供水量僅為△Q（5%～10%），工作點為C。由于定速泵容量設置過大，調速泵水量下調幅度而變得很小（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生變化的，這樣的情況經常出現），系統即執行定速泵停機操作，使定速泵出現頻繁操作現象。這就是為什么現階段的調速供水系統易出現水泵操作頻繁現象的主要原因，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，發現在供水量處于投/切水泵的臨界狀態時，水泵投/切操作頻繁。
　　由此可見，調、定速比為1：1供水系統，因定速泵容量過大，造成系統不能穩定運行，而且，定速泵投入運行后調速泵運行于低效區，運行效率很低，起不到節能效果。
　　2.2 容量配比為1.1系統運行效率
　　按以上1.2中對調速水泵運行效率的分析結果，調速水泵的運行效率隨著水泵供水量的降低而逐漸降低。經筆者分析了在用調速水泵的運行數據，一般情況下當調速水泵出水量在40%（定速水泵由于沒有調速裝置，此數據為50%）以下時，運行在低效區。綜合2.1中的分析，定速水泵投入運行時，調速泵的供水量僅5～10%，不用置疑，此時調速泵運行在低效區，運行效率很低，起不到應有的節能效果。

　　3 合理的調/定速泵容量配備

　　3.1 合理的調/定速泵容量配比
　　從提高供水系統的穩定性及調速泵運行效率兩方面考慮，用以下方法確定調、定速泵容量配比。
　　按圖2.1，調速泵的可調節水量理論上可在0～100%的范圍內，但按2.2中對調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，調速泵實際可調節水量Q_D在60%左右。
　　如果選擇的定速泵參數是：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，供水系統工作原理如圖（3.1)所示：

　　調速泵的工作點為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%，調速泵運行曲線S_B，供水量70～80%，運行在高效區。當調速泵的出水量少于40%時（運行曲線S_L）設置調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。調速泵的運行效率提高，而且下調幅度達30%，定速泵不會出現頻繁操作現象。
　　綜上所述，合理的調/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，而且，由于定速泵投入后調速水泵有充分的余地進行調節，上調及下調幅度
均為其額定容量的30%左右，供水系統不易出現水泵操作頻繁現象。
　　3.2 調速供水系統水泵容量配備
　　調速供水系統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，供水系統的工作過程如下：以調速泵為主泵，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中水泵的開泵臺數保持在3臺，配備的原則是盡量減少開泵臺數，以提高系統的運行效率，并保證供水系統可以穩定運行。水泵啟動（或停止）過程中的一個重要原則是：當供水量不足（或過大）時，每次投入（或撤出）的定速水泵的容量為調速泵的30%左右。
　　3.3 調速水泵容量確定
　　由以上分析可知，調速泵實際供水量與額定供水量越接近，調速泵運行效率越高，這就要求所選擇的調速泵容量不能過大，以免調速泵單獨運行時因供水量太少而運行在低效區，但按3.2中的描述，系統的調節依賴于調速泵的容量，在定速泵投入運行后上調、下調幅度均為調速泵供水量的30%，如果供水量在單位時間內的變化率大于此數值，仍不能保證降低供水系統水泵投切的頻繁程度，這又要求調速泵容量要足夠大。所以，調速泵的容量應從以上兩方面作綜合考慮，以確定合適的調速水泵容量。

　　4 結束語

　　現階段調速供水系統運行不穩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計時，設計部門應考慮與此相關的問題。通過以上的理論分析及對水泵容量配備的探討，總結如下：
第一，影響調速供水系統穩定運行，造成水泵頻繁啟、停的主要因素在于現階段定速水泵與調速水泵的容量配比不合理，定速泵容量過大，應依照調/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，不僅影響調速供水系統運行的穩定性，而且造成調速水泵運行效率偏低，按我們的運行經驗，有時調速水泵會出現零效率運行（調速水泵供水量接近0）。
第三，確定調速水泵的容量時應從兩方面綜合考慮，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，供水量單位時間內的變化率不能大于調速泵額定容量的30%，否則不能保證降低水泵投切的頻繁程度。

參考書目 《城鎮供水工程》 袁世荃 李鴻禧 主編 姜乃昌主審
湖南科學技術出版社 1990年出版