城市供水系統(tǒng)的節(jié)能與優(yōu)化研究

何自翔

摘 要：城市供水系統(tǒng)是城市建設(shè)中一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)也是耗電大戶，具有很大的節(jié)能空間。目前我國(guó)的泵站效率普遍較低，供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和布局不夠合理，造成了大量的能量浪費(fèi)。因此，文章以城市供水系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合所學(xué)的知識(shí)，從供水系統(tǒng)的兩個(gè)主要方面：供水泵站和供水管網(wǎng)，進(jìn)行了節(jié)能和優(yōu)化的研究。

關(guān)鍵詞：節(jié)能優(yōu)化；調(diào)速運(yùn)行；切削定律；分區(qū)供水

中圖分類號(hào)：TU991 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）04-0157-02

Abstract： Municipal water supply system is an important infrastructure in municipal construction， and it is also a large consumer of electricity， which has a large energy saving space. At present， the efficiency of pumping stations in our country is generally low， and the design and layout of water supply network is not reasonable， resulting in a large amount of energy waste. Therefore， this article takes the municipal water supply system as the research subject， unifies the knowledge， from the water supply system two main aspects： the water supply pump station and the water supply network， and carries on the energy saving and the optimized research.

Keywords： energy saving optimization； speed regulation operation； law of cutting； district water supply

1 供水泵站的節(jié)能與優(yōu)化

1.1 概述

在整個(gè)給水工程的用電量中，95%～98%的電量是用來(lái)維持水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以節(jié)省泵站的電耗，是供水系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵所在。因此，為實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的安全可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)供水泵站進(jìn)行優(yōu)化研究，具有重大的意義。

1.2 水泵的節(jié)能改造

1.2.1 調(diào)速運(yùn)行

當(dāng)離心式水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，其特性曲線也隨之變化，從而改變水泵的工況點(diǎn)，使水泵在高效區(qū)運(yùn)行，此時(shí)水泵使用效率最高。根據(jù)水泵的比例定律，在一定轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行的同一臺(tái)葉片泵滿足以下關(guān)系：

式（4）代表一條二次拋物線方程式。任何滿足切削律的工況點(diǎn)都必定存在于這條曲線上，這條曲線被稱為“切削拋物線”，又稱為等效率曲線，也就是說(shuō)，凡是在此曲線上的各點(diǎn)，其相應(yīng)的效率可視為相等。

葉輪切削是水泵節(jié)能改造技術(shù)中一種常見的方法，具有簡(jiǎn)單，便捷，可靠，節(jié)約成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。但這種方法也存在缺點(diǎn)，葉輪切削只是一次性的調(diào)節(jié)方法，而且只能用在需要降低流量，揚(yáng)程，軸功率的情況。

2 供水管網(wǎng)的節(jié)能與優(yōu)化

2.1 分區(qū)供水系統(tǒng)

2.1.1 分區(qū)的類型

分區(qū)供水系統(tǒng)分為并聯(lián)分區(qū)和串聯(lián)分區(qū)兩種形式，如圖1所示。

圖1所示為給水區(qū)地形差異很大時(shí)，所采用的分區(qū)供水系統(tǒng)。圖1（a）是由同一個(gè)泵站內(nèi)的水泵分別供給低區(qū)②和高區(qū)①用水，這種方式稱為并聯(lián)分區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是供水安全高度可靠，所有的水泵都集中在一個(gè)泵站內(nèi)運(yùn)行，這對(duì)于后期的維護(hù)管理，比較方便，但缺點(diǎn)是輸水管的長(zhǎng)度和造價(jià)有所增加。圖1（b）中，高、低兩區(qū)用水量均由低區(qū)泵站輸出，地形較高的地區(qū)再由中途泵站加壓供水，這種方式稱為串聯(lián)分區(qū)，這種分區(qū)方式的輸水管較短，可用揚(yáng)程較低的水泵和低壓管，但是泵站的個(gè)數(shù)多，需要更多的人力物力進(jìn)行后期的管理。

2.1.2 分區(qū)供水的能量分析

（1）輸水管的供水能量分析

規(guī)模相同的給水系統(tǒng)，如果采用分區(qū)供水，可以減少泵站的總功率，降低輸水成本?，F(xiàn)從輸水管的供水能量分析，說(shuō)明節(jié)能的原因：

未分區(qū)時(shí)，泵站供水能量E由三部分組成：

式中，E1代表保證最小服務(wù)水頭所需的能量；E2代表克服水管摩阻所需的能量；E3代表未利用的能量，即因各用水點(diǎn)的水壓過(guò)剩而浪費(fèi)的能量。

在總能量中，只有最小服務(wù)水頭的能量E1得到有效利用，由于這部分的流量已經(jīng)確定，所以不能改變；第二部分能量E2用于克服輸水過(guò)程中的水管摩阻，要減少這部分的損失，必須適當(dāng)放大管徑或者更換管材，從經(jīng)濟(jì)上看，這不是一種合理的解決方法；第三部分能量E3屬于浪費(fèi)的能量，因?yàn)樗脫P(yáng)程是根據(jù)控制點(diǎn)所需的最小服務(wù)水頭所確定的，所以大部分供水管網(wǎng)的水壓都大于實(shí)際所需的水壓，造成了能量的損失。

為了更好地表示供水能量利用的程度，在未分區(qū)的給水系統(tǒng)中，將必須消耗的能量占總能量的比例定義為能量利用率？準(zhǔn)，即

從上述兩個(gè)公式可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論采取串聯(lián)分區(qū)還是并聯(lián)分區(qū)，所節(jié)約的能量都是相等的。

綜上所述，雖然并聯(lián)分區(qū)和串聯(lián)分區(qū)節(jié)能的效果是相同的，但兩種分區(qū)類型各有利弊。應(yīng)綜合考慮城市地形，水源位置，用水量分布等因素，選擇適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)供水系統(tǒng)的類型。

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