疊壓供水系統(tǒng)中水泵選型與節(jié)能的關(guān)系

韓楊楊

（武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山354300）

疊壓供水系統(tǒng)中水泵選型與節(jié)能的關(guān)系

韓楊楊

（武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山354300）

從離心水泵運(yùn)行工況變化和特性曲線分析入手，確定水泵運(yùn)行的高效區(qū)域范圍，對水泵進(jìn)行效率分析和特性曲線擬合，給出保證系統(tǒng)高效運(yùn)行的水泵性能參數(shù)，以工程實(shí)例來驗(yàn)證水泵選型方法的正確性，結(jié)果表明：疊壓供水系統(tǒng)在水泵選型和運(yùn)行情況均合理時，才能取得預(yù)期的節(jié)能效果.

疊壓供水；特性曲線；水泵選型；節(jié)能

疊壓供水系統(tǒng)可以充分利用市政管網(wǎng)的剩余壓力，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn).該技術(shù)始于20世紀(jì)90年代，目前在日本、美國、西歐等發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用；而我國引入時間較晚又缺少一定的行業(yè)規(guī)范和地方性支持，因此市場發(fā)展比較混亂.實(shí)際應(yīng)用中，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，就實(shí)現(xiàn)不了節(jié)水節(jié)電的目標(biāo)，并有可能造成更大的浪費(fèi).系統(tǒng)設(shè)計(jì)中水泵選型問題是關(guān)鍵，因此系統(tǒng)節(jié)能與否與水泵選型之間有很大的關(guān)系.

疊壓供水運(yùn)行工況涉及的參數(shù)和影響因素較多，因此水泵選型問題中涉及的參數(shù)和方案也較多.通過對市政管網(wǎng)水壓上、下限時對應(yīng)的管道系統(tǒng)特性曲線以及水泵高效區(qū)域Q-H曲線的分析，根據(jù)工程實(shí)際所得到的水泵揚(yáng)程和所需的流量，選出水泵型號，擬定管路特性，計(jì)算管路損失，求出水泵工作點(diǎn)，進(jìn)行水泵節(jié)能狀況的判別，以判斷其是否達(dá)到預(yù)期效果[1].

1 水泵運(yùn)行工況分析

1.1 水泵高效運(yùn)行區(qū)域的確定

水泵的Q-H特性曲線如圖1所示.求出水泵調(diào)速后的特性曲線，就可以確定其在工作點(diǎn)的效率.圖1中A0～B0是水泵在額定轉(zhuǎn)速n0時所對應(yīng)的高效區(qū)范圍.由水泵的相似定律可知，在變頻調(diào)速運(yùn)行時水泵特性參數(shù)滿足下面的關(guān)系式：

B10.75QB0，HB1=0.56HB0.圖1中A0B0B1A1所圍成的區(qū)域就是一臺變頻調(diào)速泵的高效運(yùn)行區(qū)域[2-3].

圖1 水泵Q-H特性曲線與管道特性曲線

1.2 管道特性曲線

系統(tǒng)正常運(yùn)行時，如圖1所示，Q～∑h為管道系統(tǒng)的特性曲線，兩條虛線之間的區(qū)域表示的是Q-H變化范圍.其表達(dá)式為：

式中：H0為管網(wǎng)靜揚(yáng)程(m)；S為管網(wǎng)系數(shù)，反映管網(wǎng)的阻力；Q為水泵流量(m3/h).

由此可根據(jù)管道特性曲線變化范圍與水泵的高效工作區(qū)域的重疊情況判別變頻泵是否節(jié)能運(yùn)行.

疊壓供水系統(tǒng)通常采用自動控制水泵出口恒壓的工作方式，P進(jìn)(MPa)和P出(MPa)表示水泵進(jìn)、出口處的水壓.則水泵的揚(yáng)程H(m)按下式計(jì)算：

出口壓力P出由下式確定：

式中：H1指水泵至最不利出水點(diǎn)的幾何高度(m)；H2為水泵出口處至最不利出水點(diǎn)的水頭損失之和(m)；H3為最不利出水點(diǎn)的水頭(m).

其中，H2包括沿程損失和局部損失兩部分，該值可計(jì)算確定，亦可取經(jīng)驗(yàn)值.

進(jìn)口壓力P進(jìn)由下式確定：

式中：P市為市政管網(wǎng)的接入水壓(MPa)；h沿阻為市政管網(wǎng)接入點(diǎn)至水泵進(jìn)水口的沿程水頭損失(m)；h局阻為水流過水泵進(jìn)水管時產(chǎn)生的局部水頭損失(m)；ΔH為市政管網(wǎng)接入點(diǎn)與水泵中心的高度差(m).

其中，水泵低于接入點(diǎn)時ΔH取“-”，反之取“+”.

2 水泵選型和效率分析

2.1 水泵Q-H特性曲線的確定

選擇水泵時，應(yīng)使其盡可能多地工作在高效區(qū)域，這樣才能節(jié)約電能.從水泵產(chǎn)品手冊上的水泵性能曲線圖可看出其Q-H特性曲線近似于拋物線，考慮擬合函數(shù)選用二次多項(xiàng)式，擬合采用最小二乘法完成，根據(jù)工程實(shí)際驗(yàn)證，將水泵Q-H特性曲線擬合成二次曲線方程是比較合理的[4].

水泵特性曲線擬合函數(shù)如下：

式中：H為揚(yáng)程；Q為流量；a0、a1、a2為水泵揚(yáng)程、流量擬合系數(shù).

2.2 水泵選型方法

首先根據(jù)工程所需的設(shè)計(jì)流量計(jì)算出水泵的進(jìn)口壓力和揚(yáng)程，進(jìn)而初步確定水泵的型號和性能參數(shù)，之后以最小二乘法來擬合水泵Q-H特性曲線方程，由式(2)和式(6)聯(lián)立得出水泵工作點(diǎn)，如果工作點(diǎn)處于高效區(qū)域，則水泵可選.

疊壓供水系統(tǒng)一般是由幾臺相同型號的水泵并聯(lián)調(diào)速供水的，對于調(diào)速運(yùn)行工況，應(yīng)考慮到城市管網(wǎng)用水量的時時變化，因此應(yīng)采用市政供水壓力的下限Pmin和上限Pmax分別求出P進(jìn)的上、下限，在確定P出后，進(jìn)而由式(3)得出水泵所需的揚(yáng)程；應(yīng)先確定工頻運(yùn)行的水泵工作在高效區(qū)與否，再去確定變頻調(diào)速運(yùn)行的水泵工作在高效區(qū)與否，方法是先確定變頻泵的工況點(diǎn)，再寫出等效率曲線方程，將擬合出的Q-H特性曲線方程與等效率曲線方程聯(lián)立，由此求得變頻泵運(yùn)行工況參數(shù)，最后計(jì)算出變頻泵的調(diào)速比.這時幾臺水泵并聯(lián)運(yùn)行的總工況點(diǎn)也要符合設(shè)計(jì)要求，總之，變頻泵和工頻泵的工作點(diǎn)都應(yīng)盡可能在高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行.

3 實(shí)例分析

南昌某高校的南區(qū)家屬區(qū)共有33棟7層的住宅樓，高度均為21m.第一至第七層加壓，加壓用戶為1 200戶.自來水引入管徑為DN300，出口至泵房的管線距離為50m，設(shè)備進(jìn)水管徑為DN200，泵房離建筑物管線距離為200m，用水高峰市政管網(wǎng)壓力為0.2MPA，校區(qū)內(nèi)地面基本無地勢差.根據(jù)水電中心的統(tǒng)計(jì)分析，水損耗約為40%.

假設(shè)每戶室內(nèi)為一衛(wèi)一廚配置，取150升／(人·天)的用水量定額，戶均人數(shù)為3.5人；市政主管為DN800，最不利出水點(diǎn)為第七層用戶.

3.1 流量Q和相應(yīng)的揚(yáng)程H計(jì)算

3.1.1 流量Q的計(jì)算

計(jì)算方法依據(jù)GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2009年版）[5]進(jìn)行，Ng=4.0，Kh=2.8，m＝3.5人，q0=150升／(人·天)

在最大用水量時，衛(wèi)生器具給水當(dāng)量的平均出水概率的計(jì)算公式為[5]：

式中：U0為平均出水概率（%）；q0為最高用水量時的每人用水定額；m為每戶用水人數(shù)；Kh為小時變化系數(shù)；Ng為每戶設(shè)置的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量總數(shù)；T為用水時數(shù)（小時）.代入得數(shù)據(jù)得：

總的衛(wèi)生器具給水當(dāng)量總數(shù)：

根據(jù)U0和∑Ng的值，采用內(nèi)插法得到：

3.1.2 P出的確定

P出的計(jì)算：代入式（4）得：P出=0.0098×(21+4+ 6)=0.3MPa.其中，進(jìn)水閥工作水頭取4m，最不利出水點(diǎn)的流出水頭以6m考慮.

3.1.3 P進(jìn)的確定

（1）h沿阻的計(jì)算：h沿阻=0.0221×200=4.42m，取i=0.0221、v=1.32m/s、L=200m.

（2）h局阻的計(jì)算：h局阻=4.0+4.42×20%=4.88m，其中，倒流防止器阻力損失取4m，其他局部阻力取沿程阻力的20%.

（3）ΔH確定，取ΔH=0.3m.

P進(jìn)的計(jì)算：根據(jù)式（5），代入得：P進(jìn)=0.2-0.0098×(4.42+4.88+0.3)=0.1MPa.

3.1.4 相應(yīng)的揚(yáng)程H計(jì)算

根據(jù)式（3）得：H=1.15×(0.3-0.1)/0.0098= 23.5m.

3.2 初步確定水泵的型號與性能參數(shù)

選擇水泵型號為南方泵業(yè)的CDL65-20-2型多級離心泵，3臺（二用一備）.參數(shù)見表1.

表1 CDL65-20-2型多級離心泵性能表

3.3 采用最小二乘法擬合Q-H特性方程

令水泵Q-H特性曲線的方程形式如式（6）所示，根據(jù)以上數(shù)據(jù)用MATLAB中的Polyfit()函數(shù)對Q-H曲線的方程進(jìn)行擬合，得a0=40.4261; a1=0.0907；a2=-0.0048.

方程為：H=-0.0048Q2+0.0907Q+40.4261

Q-H特性曲線擬合如圖2所示.

圖2 水泵Q-H特性曲線

3.4 水泵不同工況點(diǎn)的等效率曲線方程

一臺水泵是工頻運(yùn)行，另一臺水泵為變頻運(yùn)行.此時水泵所需揚(yáng)程H=23.5m，工頻泵在Q-H曲線上運(yùn)行，將H代入方程求得其流量：Q工=69.58 m3/h，工頻泵此時在水泵高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行.另一臺變頻泵的流量Q變=Q-Q工=111.5-69.58=41.92 m3/h.此時過變頻泵工況點(diǎn)的等效率曲線方程為：

3.5 求解變頻泵運(yùn)行等效點(diǎn)工況參數(shù)，并計(jì)算變頻泵運(yùn)行時的轉(zhuǎn)速比

計(jì)算變頻泵運(yùn)行相應(yīng)于工頻泵等效點(diǎn)的流量，將水泵Q-H曲線方程和變頻泵工況點(diǎn)的等效率曲線方程聯(lián)立，解得=50.27m3/h.工頻泵等效點(diǎn)的揚(yáng)程=0.013×50.272=32.85m.此時，變頻泵的轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比率為：

3.6 選泵情況的分析

從以上結(jié)果看出，當(dāng)市政供水壓力為P市=0.2 MPa時，用水高峰用水量達(dá)到設(shè)計(jì)秒流量Q時，兩臺水泵(工頻泵和變頻泵)都處在水泵的高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，水泵選型是合理的.另外，可對最小用水量時進(jìn)行水泵的工況點(diǎn)的分析和計(jì)算，其方法類似.

4 結(jié)論

理論上管網(wǎng)疊壓給水設(shè)備能利用市政給水管網(wǎng)的剩余水壓是更節(jié)能省電的.但在實(shí)際實(shí)用中，如果水泵的選型不當(dāng)，使水泵大多數(shù)時間不能在高效區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，由此會造成水泵的實(shí)際運(yùn)行效率較低，因而達(dá)不到節(jié)能省電的目的，嚴(yán)重的情況可能出現(xiàn)比普通變頻調(diào)速供水設(shè)備更耗電的現(xiàn)象[6].可見水泵的選型環(huán)節(jié)是很關(guān)鍵的，如果發(fā)現(xiàn)水泵在大部分工況下超出高效區(qū)的范圍或變頻泵的調(diào)速率小于75%，應(yīng)考慮更換泵型，以達(dá)到真正的節(jié)能效果.

[1]韓楊楊.疊壓供水優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件及控制系統(tǒng)的研究[D].南昌:南昌大學(xué),2012.

[2]水浩然.管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓)給水設(shè)備增壓水泵的選用與核算方法[J].給水排水,2007,33(6):94-97.

[3]水浩然,柳兵.再談管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓)給水設(shè)備增壓水泵的選用與節(jié)能判別[J].給水排水,2007,33(12):99-102.

[4]楊貴春,樊建軍,林林.管網(wǎng)疊壓供水系統(tǒng)水泵選型軟件開發(fā)[J].節(jié)水灌溉,2008(11):37-39.

[5]上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會.GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].2009年版.北京:人民出版社,2010.

[6]喬慶,鄭小明.疊壓供水與市政給水系統(tǒng)的綜合節(jié)能分析[J].建設(shè)科技,2013(8):63-66.

【編校：許潔】

Pum p Selection and Energy Saving in the Pressure-superposed W ater Supp ly System

HANYangyang
(SchoolofElectromechanical Engineering,WuyiUniversity,Wuyishan,Fujian 354300,China)

Starting from the changesof centrifugal pump working condition and characteristic curve to determine efficient regional range ofpump operation,the pump efficiency and the characteristic curvewere analysized,and the pump performance parameterswhich ensure the efficientoperation of the system were offered.By using engineering example to verify the correctness of the pump selectionmethod,the results show that only when selection and operation ofwater pump are both reasonable can pressure-superposed water supply system obtain the expected energy-saving effect.

pressure-superposed watersupply;characteristic curve;pump selection;energy saving

TU991.35

A

1671-5365(2014)12-0059-03

2014-08-29修回：2014-09-15

韓楊楊（1981-），女，助教，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)楣┧到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制

時間：2014-10-14 15:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20141014.1531.001.htm l