1 引言
城鎮(zhèn)二次加壓泵站的工藝運(yùn)行方式和設(shè)備的合理配置決定著泵站的能耗。在同樣的水泵設(shè)備配置情況下，采用不同的工藝運(yùn)行方式其泵站的能耗是不相同的。那么，二次加壓泵站采用什么樣的工藝運(yùn)行方式最好？其電耗怎樣計(jì)算？筆者通過(guò)對(duì)二次加壓泵站的運(yùn)行方式的分析研究，對(duì)泵站的能耗、工藝控制方法給出一個(gè)可行的建議。
2 二次加壓泵站幾種常用運(yùn)行方式能耗
根據(jù)目前北方城鎮(zhèn)二次加壓泵站工藝設(shè)備配置及工藝運(yùn)行狀況，將二次加壓泵站一般常用的運(yùn)行方式分為四種:
(1) 方式1—水泵全速直聯(lián)供水方式;
(2) 方式2—微機(jī)控制水泵變頻調(diào)速恒壓供水方式;
(3) 方式3—微機(jī)控制水泵變頻調(diào)速變流變壓供水方式;
(4) 方式4—全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓二次加壓供水。
2.1 方式1—水泵全速直聯(lián)供水方式
此種二次加壓泵站供水方式是二次加壓泵站的加壓泵，不通過(guò)任何中間工藝設(shè)備直接將儲(chǔ)水池的水供給用戶。該方式是泵站一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的二次加壓供水方式。
假設(shè)泵站水泵為兩臺(tái)(一用一備)，高日高時(shí)水量為qa，日最低水量為0，水量的變化范圍為0-qa，小區(qū)內(nèi)管網(wǎng)最不利點(diǎn)的水頭損失為ho，其管網(wǎng)的最大壓力為hmax，水泵的特性曲線為f1，管道特性曲線為f2，則泵站水泵在水泵全速直聯(lián)供水方式下工作狀況，如圖1所示。
圖1 全速直聯(lián)供水方式下的水泵特性曲線
從圖1中可以看出:
(1) 此方式泵站的供水水量調(diào)節(jié)，是通過(guò)改變管道的特性曲線f2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。泵站的供水壓力也隨著流量q在ha-hmax變化;
(2) 泵站全天24小時(shí)的供水電耗功率是特性曲線f1和坐標(biāo)系(h，0，q)所圍成的圖形面積pa1;
(3) 泵站全天24小時(shí)供水實(shí)際需要消耗的電耗功率是管道特性曲線f2和坐標(biāo)系(h, 0, q)所圍成的圖形面積p標(biāo)。
下面根據(jù)水泵的特性曲線圖1，分別求出p標(biāo)、pa1。
已知道泵站的管道特性曲線f2為:
ho為小區(qū)最不利點(diǎn)壓力，k泵站管道水頭損失系數(shù)，q為泵站供水量。
那么:
式中qa和ha為高日高時(shí)的泵站水量和揚(yáng)程。
同理，pa數(shù)值求得如下，水泵的特性曲線f1為:
hmax為小區(qū)內(nèi)網(wǎng)的最大壓力;ks水泵水頭損失系數(shù)。
那么:
上面的計(jì)算結(jié)果中，(2′)和(4′)式均為準(zhǔn)確值，而式(2)和(4)為工程近似值。在分析計(jì)算實(shí)際問(wèn)題時(shí)，一般用后者就可滿足工程的需要。在下面的分析計(jì)算只采用工程近似的方法。
泵站每天在方式1的狀況下電損功率pδ1為:
其方式1的電損率δ1為:
式(6)說(shuō)明，在泵站供水工藝設(shè)備不變的情況下，泵站電耗的變化只與泵站的高日高時(shí)揚(yáng)程ha、小區(qū)管網(wǎng)最小供水壓力ho和泵站最大供水壓力hmax有關(guān)，而與泵站的水量無(wú)關(guān)。
2.2 方式2—微機(jī)控制水泵變頻調(diào)速恒壓供水方式
從加壓泵站的運(yùn)行方式上，微機(jī)控制水泵變頻調(diào)速恒壓運(yùn)行是目前二次加壓泵站供水工藝中廣泛采用的水工藝運(yùn)行方式。此種方式是通過(guò)改變泵站加壓水泵的轉(zhuǎn)速，來(lái)滿足小區(qū)內(nèi)供水量的需要的。該方式不僅能很好地調(diào)節(jié)泵站供水量的變化，同時(shí)可以大大降低泵站的用電單耗。這主要由于轉(zhuǎn)速改變后減少了揚(yáng)程浪費(fèi)，另一方面是由于調(diào)速水泵的高效范圍擴(kuò)大，從而使泵站的電損率δ降低。加壓泵站在微機(jī)控制水泵變頻調(diào)速恒壓供水方式下的工況如圖2所示。
圖2 微機(jī)控制水泵變頻調(diào)速恒壓供水時(shí)水泵特性曲線
由圖2可以看出:
方式2的電損功率pa2為:
泵站電損耗功率pδ2為:
電損率δ2為:
由此可以看出:
2.3 方式3—微機(jī)控制水泵變頻調(diào)速變流變壓供水方式
當(dāng)供水泵站在小流量或零流量的情況下，水頭損失很大，水泵效率大大降低，電損率δ會(huì)增大，泵站達(dá)不到最佳的節(jié)能效果。在此情況下我們通常采用，方式3—二次加壓泵站水泵根據(jù)小區(qū)內(nèi)網(wǎng)的水量及壓力來(lái)變流變壓的調(diào)速調(diào)節(jié)的方法，來(lái)克服上述的問(wèn)題。方式3的泵站運(yùn)行特性曲線見(jiàn)圖3。
圖3 變壓變流量供水時(shí)水泵特性曲線
該方式下的電耗指標(biāo)為:
(1) 電耗功率pa3:
結(jié)合式(7)可得出:
從式(14)可以看出，方式3比方式2的用電損失率要少33%。
2.4 方式4—全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓二次加壓供水方式。
全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓供水方式，是將全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓供水設(shè)備直接與自來(lái)水管網(wǎng)連接、采用密封水罐和負(fù)壓抑制及補(bǔ)償系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)水水量和壓力，使自來(lái)水外管道無(wú)負(fù)壓、內(nèi)網(wǎng)自動(dòng)恒壓供水的功能。此種供水方式充分利用了市街供水管網(wǎng)的一次壓力hj，加壓泵站只是對(duì)蓄水池的進(jìn)水壓力hj和所需供水壓力ha的差進(jìn)行補(bǔ)壓，所以節(jié)能效果顯著。泵站工藝運(yùn)行工況如圖4所示。
圖4 全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓二次加壓供水方式水泵特性曲線
方式4電耗的各指標(biāo)如下:
從公式(19)可以看出,泵站在采用全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓二次加壓供水運(yùn)行方式時(shí)，供水系統(tǒng)的節(jié)電率λ和市街管網(wǎng)供水壓力hj成正比;與內(nèi)網(wǎng)的壓力ha成反比，而與泵站的水量q無(wú)關(guān)。
3 泵站運(yùn)行方式的電耗狀況比較
通過(guò)上面對(duì)四種城市二次加壓泵站運(yùn)行方式的分析研究, 將四種泵站運(yùn)行方式的電耗狀況作一比較列于下表1中。
表1中ho—小區(qū)內(nèi)網(wǎng)最不力點(diǎn)壓力; ha—泵站高日高時(shí)水量; h補(bǔ)—直聯(lián)無(wú)負(fù)壓網(wǎng)補(bǔ)償壓力; hj—市街管網(wǎng)壓力;hz、hb—為ho和ha的中間壓力，一般按1/3(ha-ho)取值; k—泵站管道水頭損失系數(shù); ks—水泵水頭損失系數(shù);hmax—小區(qū)內(nèi)網(wǎng)最大供水壓力; qa—高日高時(shí)水量; qz、qb—為泵站的中低峰平均水量。
結(jié)合北方的某一泵站的工藝供水參數(shù)，算出泵站在同一泵站工藝供水參數(shù)下采用不同運(yùn)行方式的電耗指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值列于表2。
從表1和表2可以看出，方式4是一種最節(jié)能的泵站工藝運(yùn)行方式。此種運(yùn)行方式的電耗功率比二次泵站加壓理想狀態(tài)下的電耗功率要少很多(本次計(jì)算為-20.6%);從節(jié)電的效果上看，方式4比方式1要節(jié)電70%以上，而比方式2要節(jié)約電耗達(dá)28.6%到43%。我們將泵站的四種運(yùn)行方式的運(yùn)行工況圖，作出如圖5所示。
圖5 四種運(yùn)行方式比較圖
表2 泵站電耗指標(biāo)計(jì)算結(jié)果比較表
節(jié)電率λ
編號(hào) 方式名稱 電損率δ 與方式1 與方式2
比較的λ1 比較的λ2
1 水泵直供 50.10%
2 恒壓調(diào)速 11.10% 26.30%
3 恒壓泵 11.10% 26.30%
4 變流變壓調(diào)速 3.70% 47% 6.60%
5 全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓 -20.60% 71%～87% 28.6%~43%
目前在城鎮(zhèn)二次加壓泵站供水工藝中，普遍采用方式2運(yùn)行方式，而采用方式3運(yùn)行方式的只有很少一部分。因此，在城鎮(zhèn)二次加壓泵站中采用方式4—全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓二次加壓供水方式供水，具有很大的節(jié)能空間。
4 結(jié)束語(yǔ)
城鎮(zhèn)二次加壓泵站采用微機(jī)控制變頻調(diào)速變流變壓和全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓二次加壓供水運(yùn)行方式是目前最節(jié)約電耗的兩種工藝運(yùn)行方法;特別是城鎮(zhèn)二次加壓采用全自動(dòng)管網(wǎng)直聯(lián)無(wú)負(fù)壓方式供水，具有顯著的節(jié)能效果和廣闊的市場(chǎng)前景。
參考文獻(xiàn)
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[3] 姚宇新. 沈陽(yáng)市二次加壓泵站節(jié)能運(yùn)行方式研究實(shí)施方案.沈陽(yáng):沈陽(yáng)市給水工程勘察設(shè)計(jì)研究院，2001.
作者簡(jiǎn)介
姚宇新 高級(jí)工程師/電氣工程師/工學(xué)碩士 沈陽(yáng)市自來(lái)水總公司水工業(yè)技術(shù)研究與發(fā)展中心主任, 有多年從事水廠和泵站電氣和自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、節(jié)能改造及科研的經(jīng)驗(yàn)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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