山東建筑工程學(xué)院 徐衍忠
威海市自來(lái)水公司 譚緒涵
青州市自來(lái)水公司 房師成

　　摘要 水泵是給水工程中的最重要耗能設(shè)備，本文通過(guò)對(duì)不同的選泵方法和不同的水泵組合，結(jié)合實(shí)際的管網(wǎng)進(jìn)行耗能量的計(jì)算和比較，以探索更為合理的選泵方法和水泵組合，以達(dá)到節(jié)約供水能耗、降低制水成本的目的。
　　關(guān)鍵詞 優(yōu)化選泵 水泵組合 運(yùn)行效率 供水能耗

一、前言

　　給水系統(tǒng)中在水的取集、處理、輸配過(guò)程中，要消耗大量能量。動(dòng)力費(fèi)用是構(gòu)成制水成本的主要部分，根據(jù)最近的調(diào)查，山東省部分城市供水企業(yè)，動(dòng)力費(fèi)占全部成本的26.73％，最多的達(dá)到34％。水泵是給水系統(tǒng)中最主要的耗能設(shè)備，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有給水泵房中運(yùn)行水泵的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)水泵的實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程小于水泵的銘牌揚(yáng)程，有的甚至相差30％以上。因此導(dǎo)致了水泵運(yùn)行效率降低，能量消耗增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因除水量預(yù)測(cè)偏大、時(shí)變化系數(shù)和日變化系數(shù)取值偏大以外，選泵方法不合理、水泵搭配不當(dāng)也是一重要原因。
　　對(duì)無(wú)水塔給水管網(wǎng)(多數(shù)城鎮(zhèn)均為該類(lèi)管網(wǎng))來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定按最高日最高時(shí)流量和計(jì)算揚(yáng)程選泵，而在最高時(shí)以外的絕大多數(shù)工況下，其所需揚(yáng)程低于最高時(shí)計(jì)算揚(yáng)程，水量降低越多，所需揚(yáng)程降低也越多。而當(dāng)最高時(shí)工況下的水泵工作點(diǎn)在高效區(qū)右側(cè)時(shí)，則水泵工作點(diǎn)在大部分時(shí)間將會(huì)移至高效區(qū)之外，從而降低了水泵運(yùn)行效率，造成能量的浪費(fèi)。改進(jìn)的方法是選擇水泵時(shí)，其揚(yáng)程依據(jù)主要應(yīng)以平均時(shí)計(jì)算揚(yáng)程，水泵臺(tái)數(shù)不宜太少且應(yīng)不同型號(hào)的水泵相互搭配。本文將對(duì)某實(shí)際的管網(wǎng)采用不同的水泵組合通過(guò)耗能量計(jì)算比較加以探討。

二、管網(wǎng)水力計(jì)算

　　1、主要計(jì)算數(shù)據(jù)：
　　最高日供水量：15.0萬(wàn)m³/d 最高時(shí)供水量：2083L/s
　　日變化系數(shù)：1.20 平均時(shí)供水量：1736L/s
　　時(shí)變化系數(shù)：1.20 水泵靜揚(yáng)程：29.5m
　　最小服務(wù)水頭：20m
　　2、最高日、平均日各小時(shí)的用水量：
　　根據(jù)實(shí)際調(diào)查的某一城市的用水量變化規(guī)律確定該管網(wǎng)最高日各小時(shí)的供水量，平均日按比例遞減方法計(jì)算出各小時(shí)的水量，其值見(jiàn)表1。

　　3．管網(wǎng)水力計(jì)算

　　水力計(jì)算采用哈曾·威廉公式：h =10.67LQ^1.852/(C^1.852D^4.87)

　　經(jīng)管網(wǎng)平差計(jì)算，求得最高日、平均日各小時(shí)計(jì)算揚(yáng)程如表2所示。

　　由表2發(fā)現(xiàn)，在最高日內(nèi)，最高時(shí)揚(yáng)程為56．64m，最低時(shí)為42．28m，兩者相差14．36m，最高日最高時(shí)揚(yáng)程比平均日最低時(shí)高出18.02m，當(dāng)日用水量小于平均日時(shí)，其最低計(jì)算揚(yáng)程將會(huì)比最高時(shí)相差20m以上。從理論上說(shuō)，最高時(shí)計(jì)算揚(yáng)程是一種極限狀態(tài)，其余時(shí)間的計(jì)算揚(yáng)程均在此值之下。顯然，按這種特殊工況所選擇的水泵在其余多數(shù)時(shí)間內(nèi)偏高是很自然的了。

三、動(dòng)力消耗計(jì)算

　　1、根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，按不同選泵方法和搭配選擇了6種不同的水泵組合，詳見(jiàn)表3。

　　2、水泵和管網(wǎng)的聯(lián)合計(jì)算
　　根據(jù)管網(wǎng)水力計(jì)算，求得管網(wǎng)特性曲線方程為：

　　H= 29.5 + 1.94×10^-5×Q^1.852 (m) (2)

　　式中 29.5 ——水泵靜揚(yáng)程，控制點(diǎn)水壓標(biāo)高與吸水井水位的高差；
　　　　　　Q ——泵站總流量，（L/s）。

　　根據(jù)前述選定的六種水泵組合，分別繪制出各種組合單泵和不同水泵組合時(shí)的水泵特性曲線和管網(wǎng)特性曲線，如圖1～圖6所示。

　　3、動(dòng)力消耗計(jì)算
　　利用圖1～圖6特性曲線圖，按照最高日、平均日各小時(shí)的供水量從相應(yīng)的特性曲線圖中查出該時(shí)的運(yùn)行泵組合和實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程，當(dāng)水泵型號(hào)不同時(shí)，還應(yīng)查出不同型號(hào)水泵的出水量，再查水泵樣本找出該揚(yáng)程下的水泵效率，并按式(3)計(jì)算該小時(shí)的能耗。

　　W＝ρgQH/1000η(KWh) （3）

　　式中　Q——泵站出水量(L/s);
　　　　　H——按特性曲線圖查得的實(shí)際運(yùn)行揚(yáng)程(m)；
　　　　　ρ ——水的密度，ρ＝1kg/L;
　　　　　g——重力加速度，g = 9.81m／s²；
　　　　　η——水泵綜合效率，η=η₁·η₂
　　　　　η₁——水泵運(yùn)行效率；
　　　 　η₂——水泵電機(jī)效率，單機(jī)出水量大于2500m³/h時(shí)取92％，單機(jī)出水量為1000～2500m³/h時(shí)取91％，單機(jī)出水量小于1000m³/h時(shí)取88％。

　　經(jīng)逐時(shí)計(jì)算，最高日和平均日不同方案時(shí)的能耗情況見(jiàn)表4、表5。

表4最高日不同水泵組合時(shí)的能耗比較表

　　由以上計(jì)算結(jié)果表明，采用不同的水泵組合，其能耗存在較大差異。最高日供水時(shí)，按最高時(shí)計(jì)算水泵揚(yáng)程選泵和采用同型號(hào)水泵時(shí)，其能耗增加10％左右，平均日供水時(shí)，按最高時(shí)計(jì)算水泵揚(yáng)程選泵，其能耗增加15％以上，采用同型號(hào)水泵也比大小泵搭配增加近10％的能耗，小泵流量太小或太大時(shí)，也會(huì)增加1～2％的能耗。若按最高時(shí)計(jì)算揚(yáng)程選泵，且采用同型號(hào)水泵、水泵臺(tái)數(shù)較少時(shí)，則會(huì)多消耗更多的能量。
　　在給水工程中，全年中各天的供水量是在平均日上下波動(dòng)的，因此，按平均日計(jì)算的能耗數(shù)據(jù)應(yīng)更接近于實(shí)際。以上計(jì)算的能耗數(shù)據(jù)，若電價(jià)按0．60元/KWh計(jì)算，按最高時(shí)計(jì)算揚(yáng)程選泵，即使大小泵搭配、水泵臺(tái)數(shù)較合理時(shí)，每年也將多增加73．9萬(wàn)元電費(fèi)，當(dāng)采用水泵臺(tái)數(shù)過(guò)少時(shí)，一年將增加106．5萬(wàn)元電費(fèi)，若采用同型號(hào)水泵，增加的電費(fèi)還要多。即使按平均時(shí)計(jì)算揚(yáng)程選泵，采用同種型號(hào)水泵比大小泵搭配也會(huì)增加45．2萬(wàn)元電費(fèi)。目前全國(guó)給水工程日供水能力超過(guò)2億m³，全年供水總量約為600億m³，若仍按以往最高時(shí)計(jì)算揚(yáng)程選泵，由于選泵不合理每年增加的電費(fèi)達(dá)10億元以上。
　　本文計(jì)算采用的日變化系數(shù)K_d、時(shí)變化系數(shù)K_h值均較小，若該參數(shù)選值過(guò)大，則浪費(fèi)的能量會(huì)更多。由此可見(jiàn)，采用合理的選泵方法和大小泵搭配，對(duì)于降低給水工程的運(yùn)行費(fèi)用有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)論

　　根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果，提出如下合理選擇水泵的原則：
　　1、依據(jù)平均時(shí)計(jì)算揚(yáng)程選擇水泵，即平均時(shí)計(jì)算揚(yáng)程位于水泵特性曲線高效區(qū)的中位區(qū)，而最高時(shí)計(jì)算揚(yáng)程位于高效區(qū)的左端，這樣，可以使水泵在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)的工作點(diǎn)落在高效區(qū)內(nèi)，以提高水泵的實(shí)際運(yùn)行效率。
　　2、目前我國(guó)絕大多數(shù)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)均不設(shè)水塔，由泵站直接滿足用戶各小時(shí)的水量需求，為了減小水泵不同組合時(shí)的水量階梯，水泵臺(tái)數(shù)不宜太少，且應(yīng)大小型號(hào)水泵搭配，以保證管網(wǎng)用水量變化時(shí)，泵站供水量能平穩(wěn)過(guò)渡，避免因增開(kāi)、停開(kāi)水泵或更換水泵時(shí)影響水泵運(yùn)行效率。
　　3、采用大小型號(hào)水泵搭配，小型號(hào)水泵流量應(yīng)為大泵流量的40～60％，太小或太大都會(huì)使水泵不同組合間的水量階梯不均勻，從而降低水泵運(yùn)行效率。

參考文獻(xiàn)

(1)嚴(yán)煦世、范瑾初：給水工程，北京，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995年6月
(2)室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范：GBJ13—86
(3)汪光燾：城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進(jìn)步規(guī)劃，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1993年7月

　　徐衍忠 副教授 山東建筑工程學(xué)院
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