三種不同供水方式的能耗對(duì)比試驗(yàn)研究*

宋 斌 劉衛(wèi)偉 祝寶山 李正貴

（1.西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.上?；埚炭萍加邢薰?；3.清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系）

0 引言

我國(guó)能源供應(yīng)緊張，最大限度地利用能源是一種客觀要求。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，“十三五”規(guī)劃《綱要》要求到2020年全國(guó)單位GDP能耗比2015年降低15%[1-3]。供水系統(tǒng)在對(duì)水的輸送和提升過(guò)程中要消耗大量能量。泵是供水系統(tǒng)中不可或缺的一環(huán)，泵與風(fēng)機(jī)類產(chǎn)品耗電量約占全國(guó)每年總發(fā)電量的30%[4-5]。不同的供水方式耗能是不同的，全速節(jié)流供水和變頻恒壓供水是常見的水泵供水方式。其調(diào)節(jié)方便，但供水過(guò)程能耗損失大。隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，以及節(jié)能降耗的迫切要求，變頻技術(shù)被廣泛地用于流體機(jī)械領(lǐng)域[6]。變頻恒壓供水方式因具有高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，是目前較為廣泛的供水方式。雖然這種供水模式在一定程度上考慮了用戶的用水需求，但在用水高峰期，供水管網(wǎng)系統(tǒng)流量增大，管網(wǎng)阻力較大。在用水低谷時(shí)，供水管網(wǎng)系統(tǒng)流量減少，管網(wǎng)阻力較小，末端水壓偏高，有多余的揚(yáng)程浪費(fèi)，增高了管網(wǎng)破壞的風(fēng)險(xiǎn)[7]。因此，變頻恒壓的供水方式仍存在一定的能耗浪費(fèi)，還有進(jìn)一步節(jié)能空間可以挖掘[8-9]。變頻變壓供水模式，是在恒壓供水模式基礎(chǔ)上提出的一種供水模式，在繼承了恒壓供水的優(yōu)點(diǎn)之外，有更大的節(jié)能空間。為了具體分析三種供水方式的能耗情況，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)三種供水方式進(jìn)行對(duì)比研究。

1 不同供水方式運(yùn)行調(diào)節(jié)原理

圖1為水泵全速供水、變頻恒壓供水、變頻變壓供水三種供水方式下，單臺(tái)泵與管路聯(lián)合工作曲線圖。n，n1，n2，n3分別代表泵的不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速，R0是管路的特性曲線，H0為設(shè)定的恒定壓力值，Q1為設(shè)計(jì)最大流量，C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流量和揚(yáng)程分別是水泵或泵站的最大流量和最大揚(yáng)程。

圖1 單臺(tái)泵與管路聯(lián)合工作曲線圖Fig.1 Joint working curve of a single pump and pipeline

對(duì)于水泵全速供水運(yùn)行時(shí)，其工況點(diǎn)在轉(zhuǎn)速為n的曲線上移動(dòng)。當(dāng)流量從Q1減小到Q2時(shí)，管網(wǎng)特性曲線R0變成R3，對(duì)應(yīng)水泵的工況點(diǎn)從C點(diǎn)變化到C1點(diǎn)。此時(shí)，這種全速供水調(diào)節(jié)方式是通過(guò)調(diào)節(jié)出水口調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)的。由于泵的實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)在C1點(diǎn)，而實(shí)際管網(wǎng)只需在E1點(diǎn)工作，因此有C1E1段揚(yáng)程浪費(fèi)，能量損耗在出口調(diào)節(jié)閥處。

對(duì)于變頻恒壓供水方式，是通過(guò)將壓力傳感器安裝在泵出口管路上，然后將變化的壓力數(shù)據(jù)反饋給變頻器。變頻器將接收的壓力數(shù)值與所設(shè)定的壓力目標(biāo)值進(jìn)行比較，相應(yīng)地改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使其運(yùn)行工況點(diǎn)保持在H0的恒壓線上移動(dòng)。當(dāng)流量從Q1分別減小到Q2和Q3時(shí)，水泵的轉(zhuǎn)速分別被調(diào)到n1和n2，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)分別為D1點(diǎn)和D2點(diǎn)。因此，當(dāng)流量從Q1減到Q2時(shí)，變頻恒壓供水相對(duì)于全速供水減少了C1D1段揚(yáng)程。隨著用戶流量減小，管道需求的壓力也小了，實(shí)際管網(wǎng)只需要在E1工況點(diǎn)運(yùn)行，而管道系統(tǒng)要求E1點(diǎn)的壓力為He，變頻恒壓供水仍有D1E1段的揚(yáng)程浪費(fèi)，能量損耗在管網(wǎng)末端處。

對(duì)于變頻變壓供水方式，當(dāng)用戶用水量發(fā)生變化時(shí)，管網(wǎng)壓力也隨之變化。通過(guò)在管網(wǎng)末端安裝壓力傳感器，將變化的壓力數(shù)據(jù)反饋至變頻器，變頻器將接受的壓力數(shù)值與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使管網(wǎng)末端用戶保持在恒定的壓力值，并滿足用戶的流量需求。在變頻變壓供水時(shí)，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)按管路特性曲線移動(dòng)。當(dāng)用戶流量從Q1減小到Q2時(shí)，系統(tǒng)要求的工作壓力變小，水泵轉(zhuǎn)速?gòu)膎變到n3,運(yùn)行工況點(diǎn)從C點(diǎn)變?yōu)镋1點(diǎn)，沒有多余揚(yáng)程浪費(fèi)，比全速供水減少了C1E1段揚(yáng)程，比變頻恒壓供水減少了D1E1段揚(yáng)程。

1.1 變頻調(diào)速泵相似定律

對(duì)于同一臺(tái)離心泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時(shí)，其性能參數(shù)存在如下關(guān)系：

式中，Q1，H1，N1，n1泵轉(zhuǎn)速改變前的流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速；Q2，H2，N2，n2泵轉(zhuǎn)速改變后的流量、揚(yáng)程功率、轉(zhuǎn)速[10-12]。

這些關(guān)系稱為比例率，它是水泵相似率的一個(gè)特殊形式。水泵的變頻調(diào)速就是基于比例率，通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速，改變泵的特性曲線，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵的工況點(diǎn)的目的。

1.2 全速供水能耗分析

當(dāng)流量從Q1減小到Q2時(shí)，除出口調(diào)節(jié)閥外的管路系統(tǒng)要求的壓力為E1點(diǎn)的He，而此時(shí)泵運(yùn)行點(diǎn)在C1點(diǎn)，泵出口的壓力為HC1。因此，多余的壓力損耗在出口調(diào)節(jié)閥上，即：

離心泵的特性曲線H～Q近似為拋物線，用方程表示為：

式中，H0為泵的靜揚(yáng)程；K為一系數(shù)。

用戶需水量是隨時(shí)間變化的，因而流量是時(shí)間的函數(shù)，即：

因此，一段時(shí)間t0內(nèi)水泵的平均水力功率為：

可知，功率P與泵的性能曲線和流量Q隨時(shí)間的變化規(guī)律有關(guān)，與管路系統(tǒng)特性無(wú)關(guān)。

1.3 變頻恒壓供水能耗分析

當(dāng)流量從Q1減小到Q2時(shí)，管道系統(tǒng)要求的壓力為E1點(diǎn)的壓力H0，泵的運(yùn)行點(diǎn)壓力在D1,泵出口的壓力為He，因此，多余的壓力損耗在出口調(diào)節(jié)閥或管網(wǎng)末端處，即：

因此，在時(shí)間t0內(nèi)泵的平均水力功率為：

由上式可知，功率P與設(shè)的恒定壓力H0和流量Q隨時(shí)間的變化規(guī)律有關(guān)，而與管路系統(tǒng)特性無(wú)關(guān)。這種供水方式與水泵全速節(jié)流供水方式相比，通常能顯著節(jié)約能耗，但節(jié)能的大小與管路系統(tǒng)的特性曲線和變頻調(diào)速裝置的效率有關(guān)。

1.4 變頻變壓供水能耗分析

當(dāng)流量從Q1減小到Q2時(shí)，管路系統(tǒng)要求的壓力為E1點(diǎn)的壓力H1,此時(shí)泵就運(yùn)行在E1點(diǎn)。因而，沒有多余的壓力損耗，即：

管路特性曲線近似為拋物線，用方程表示為：

式中，Hst為管網(wǎng)末端壓力；K1為管網(wǎng)阻力系數(shù)，為常數(shù)。

因而，t0時(shí)間內(nèi)泵的平均水力功率為：

由上式可知，功率P與管網(wǎng)特性曲線和流量Q的隨時(shí)間的變化規(guī)律有關(guān)，而與水泵性能曲線無(wú)關(guān)。這種供水方式無(wú)額外的水力損耗，節(jié)能效果顯著。

2 試驗(yàn)裝置及步驟

試驗(yàn)用泵為立式?jīng)_壓多級(jí)泵，型號(hào)規(guī)格為40DFCL8-40，額定轉(zhuǎn)速為2 900r/min，設(shè)計(jì)流量8m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程36m。驅(qū)泵電機(jī)額定功率1.5kW，額定轉(zhuǎn)速2 860r/min。壓力傳感器型號(hào)為WNK3051GP-M3，量程為：0～0.6MPa，精度等級(jí)為：0.2%。流量計(jì)采用KEFC型號(hào)智能電磁流量計(jì)，量程為：0～22m3/h，精度等級(jí)為：0.5%。變頻器采用AMB580S型號(hào)變頻器。圖2為試驗(yàn)裝置圖。

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental device

2.1 變頻恒壓及變頻變壓控制系統(tǒng)

圖3為水泵運(yùn)行壓力反饋系統(tǒng)圖，水泵運(yùn)行控制原理如下：當(dāng)用水量發(fā)生變化，管道系統(tǒng)壓力也隨之變化，壓力變送器進(jìn)行反饋，變頻器接受信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保持設(shè)定壓力值不變。水泵運(yùn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題[13]：

1）壓力傳感器的安裝點(diǎn)選取要合理，水泵出水口壓力傳感器的安裝位置一般選取在距離泵出口5～8倍管徑處。其水流相對(duì)平穩(wěn)，壓力示數(shù)較穩(wěn)定，讀數(shù)較容易，測(cè)量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確；

2）變頻器的選擇，選擇功能較齊全，性能更穩(wěn)定的變頻器，本系統(tǒng)采用AMB系列的?？刂破鳎≒LC）一體，省去繁瑣的接線。

3）信號(hào)線的布置在保證應(yīng)用要求的基礎(chǔ)上布線盡可能短，在條件允許的情況下可適當(dāng)?shù)牟扇∑帘伪Ｗo(hù)措施，保證信號(hào)的不失真。

圖3 水泵壓力反饋系統(tǒng)圖Fig.3 Pressure feedback system for water pump

2.2 最不利供水點(diǎn)的確定

對(duì)于本裝置支狀管路的供水系統(tǒng)，末端最不利供水點(diǎn)較容易確定。在支狀管路供水系統(tǒng)中，如果供水管路較短，流量變化幅度較小時(shí)，則管路水力損失較小，從而變頻調(diào)速效果不明顯。因此，需對(duì)管路系統(tǒng)閥門進(jìn)行調(diào)試，增加管路系統(tǒng)的阻力。本試驗(yàn)確定的最不利供水點(diǎn)為P12，P3為泵出水口的壓力點(diǎn)，其余P6,P7,P8,P10是供水系統(tǒng)管路上的各測(cè)壓點(diǎn)。

圖4是管路流量發(fā)生變化引起最不利點(diǎn)、泵出水口以及管路系統(tǒng)其余各測(cè)壓點(diǎn)的壓力變化，可以看出隨著流量的變化，壓力變化較明顯。將控制點(diǎn)設(shè)在最不利點(diǎn)，設(shè)置敏感度高的壓力傳感器，以P12點(diǎn)設(shè)定的壓力值作為控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)目標(biāo)值。

圖4 整個(gè)管路系統(tǒng)壓力變化圖Fig.4 Pressure change diagram ofthe whole pipeline system

2.3 試驗(yàn)方法

在滿足水壓要求下，水泵50Hz工頻運(yùn)行，泵出水口壓力值為0.378MPa,最不利供水點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值為0.217MPa。變頻恒壓供水，泵出口壓力設(shè)置為恒壓0.378MPa，變頻變壓供水最不利供水點(diǎn)壓力設(shè)置為0.217MPa。在同一組流量下進(jìn)行全速節(jié)流、變頻恒壓、變頻變壓三種供水方式的能耗比較分析。

3 三種方式供水試驗(yàn)結(jié)果

3.1 三種方式供水能耗對(duì)比

表1是水泵全速供水每噸水能耗與流量、揚(yáng)程、軸功率的關(guān)系，隨著流量逐漸減小，軸功率下降，泵的揚(yáng)程升高。當(dāng)流量減小時(shí)，完成每噸水的時(shí)間t0增加，每噸水能耗（Pa）因此隨之升高。水泵全速供水，通過(guò)調(diào)節(jié)出口閥調(diào)節(jié)流量，調(diào)節(jié)方式操作簡(jiǎn)單、易行，但這種節(jié)流供水方式能量損耗大。

表1 全速供水時(shí)流量與每噸水能耗的計(jì)算Tab.1 Calculation of flow and energy consumption per ton of water in full speed water supply

表2是變頻恒壓供水時(shí)每噸水能耗與流量、揚(yáng)程、軸功率的關(guān)系情況。變頻恒壓供水揚(yáng)程不隨著流量改變而變化，從某種程度上來(lái)說(shuō)，揚(yáng)程存在一定的浪費(fèi)。但是，恒壓供水方式與全速方式相比在相同的流量下，變頻恒壓調(diào)速供水每噸水能耗比全速供水每噸水能耗低得多。這種供水方式與水泵全速供水方式相比，減少了一部分的揚(yáng)程浪費(fèi)，變頻恒壓供水節(jié)能效果與所設(shè)定的壓力目標(biāo)值，即與泵的特性曲線和管路的特性曲線有關(guān)。

表2 變頻恒壓供水時(shí)轉(zhuǎn)速及流量與每噸水能耗的計(jì)算Tab.2 Calculation of rotation speed,flow rate and energy consumption per ton of water in variable frequency constant pressure water supply

表3是變頻變壓供水時(shí)每噸水能耗與流量、揚(yáng)程、軸功率的關(guān)系，隨著流量的遞減，揚(yáng)程也隨之減少，既滿足了用戶的要求，也避免了揚(yáng)程的浪費(fèi)。隨著流量的減小，軸功率也逐漸變小。流量減小，完成每噸水的t0時(shí)間增大，每噸水能耗也隨之增加。變頻調(diào)速變壓供水每噸水能耗比變頻調(diào)速恒壓方式和全速供水每噸水能耗低很多。

表3 變頻變壓供水時(shí)轉(zhuǎn)速及流量與每噸水能耗的計(jì)算Tab.3 Calculation of speed and flow and energy consumption per ton of water in variable frequency variable pressure water supply

從表1、表2和表3可以看出，三種不同供水方式中，每一種供水方式橫向比較，即相同供水方式不同流量的比較，隨著流量減小每噸水能耗增大，因?yàn)榱髁繙p小每噸水完成的t0時(shí)間增加，因此每噸水能耗（Pa）增大。三種供水方式縱向比較，即不同供水方式在相同流量下的比較，三種供水方式中變頻變壓供水每噸水能耗最低，變頻變壓供水方式在滿足最不利點(diǎn)的用水壓力情況下，既能滿足用戶流量和揚(yáng)程的需求，又避免了揚(yáng)程的浪費(fèi)，最為節(jié)能。

圖5 三種供水方式每噸水能耗與流量的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve between water energy consumption per ton and flow of three water supply modes

圖5是三種供水方式的每噸水能耗與流量的關(guān)系曲線圖，由圖可知，三種供水方式縱向比較，隨著流量減小，每噸水能耗呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，全速供水方式的每噸水能耗增速最快，變頻恒壓供水次之，變頻變壓供水增速最緩。在相同流量下全速供水方式每噸水能耗最高，變頻恒壓供水次之，變頻變壓供水最低，變頻變壓供水最為節(jié)能。

3.2 每噸水能耗等指標(biāo)及變化趨勢(shì)

為了清楚分析三種不同供水方式的優(yōu)越性，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算變頻恒壓供水、變頻變壓供水、全速供水兩兩之間在揚(yáng)程，軸功率，每噸水能耗的下降率。結(jié)果如表4、表5、表6所示。

表4是變頻恒壓供水方式對(duì)比全速供水方式在揚(yáng)程、軸功率、每噸水能耗的下降率情況。變頻恒壓供水對(duì)比全速供水在揚(yáng)程、軸功率、每噸水能耗下降率明顯。變頻恒壓供水相比于全速供水每噸水能耗最低下降6.7%，最高下降19.4%。

表4 變頻恒壓供水比全速供水的指標(biāo)下降率Tab.4 Index decline rate of variable frequency constant pressure water supply ratio and full speed water supply

表5是變頻變壓供水對(duì)比全速供水在揚(yáng)程、軸功率、每噸水能耗的下降率。變頻變壓供水對(duì)比全速供水在揚(yáng)程、軸功率、每噸水能耗下降率更加明顯，流量越小下降的幅度越大。變頻變壓供水相比于全速供水每噸水能耗最低下降4.3%，最高下降50%。

表5 變頻變壓供水比全速供水的指標(biāo)下降率Tab.5 Index decline rate of variable frequency variable pressure water supply ratio and full speed water supply

表6是變壓供水對(duì)比恒壓供水在揚(yáng)程、軸功率、每噸水能耗的下降率。變頻變壓模式對(duì)比恒壓供水模式每噸水能耗及揚(yáng)程下降明顯。變頻變壓供水相比于變頻恒壓供水每噸水能耗最低下降4.3%，最高下降37.9%。

表6 變頻變壓供水比變頻恒壓供水的指標(biāo)下降率Tab.6 Index decline rate of variable frequency variable pressure water supply compared with variable frequency constant pressure water supply

表4、表5、表6縱向比較，在相同流量下，變頻變壓供水方式與其他兩種供水方式在揚(yáng)程、軸功率和每噸水能耗上有很大的下降率，這說(shuō)明在滿足用戶對(duì)用水流量、揚(yáng)程的要求下，同時(shí)，變頻變壓供水有很大的節(jié)能空間可以挖掘。

3.3 三種供水方式的效率

為了比較三種供水方式的效率情況，根據(jù)所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出不同流量下三種供水方式的效率值并進(jìn)行比較，如圖6所示。由圖6可知，變頻變壓供水方式效率最高，在一定的流量范圍之內(nèi)，三種供水方式的效率都隨著流量的增加而增加，流量越大效率越高，在靠近某一流量附近時(shí)效率趨于一致。全速供水效率曲線和變頻恒壓供水效率曲線比較貼近，變頻變壓供水顯然比變頻恒壓供水和全速供水兩種供水方式效率高。

圖6 三種供水方的效率比較圖Fig.6 Efficiency comparison of three water supply systems

4 結(jié)論

1）試驗(yàn)得出流量為1.38m3/h時(shí)，變頻變壓供水比變頻恒壓供水每噸水能耗最高可下降37.9%，流量為6m3/h時(shí)，變頻變壓供水比變頻恒壓供水每噸水能耗最低可下降4.3%。變頻變壓供水、變頻恒壓供水、全速供水三種供水方式中，變頻變壓供水方式能耗最低,節(jié)能效果最明顯，水泵運(yùn)行效率最高。

2）供水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)流量以下運(yùn)行時(shí)，三種供水方式的每噸水能耗都隨著流量降低而升高。在三種供水方式中，隨著流量的不斷減小全速供水方式的每噸水能耗升高速率最快，變頻變壓供水方式每噸水能耗升高速率最小，變頻變壓供水能更好的適應(yīng)流量的變化。

3）在用水流量小時(shí)，三種供水方式不僅不節(jié)能反而能耗損失增大。未來(lái)，還需進(jìn)一步對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)改裝，以期完成多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行條件下不同供水方式供水的能耗試驗(yàn)研究。