山东建筑工程学院 徐衍忠
威海市自来水公司 谭绪涵
青州市自来水公司 房师成 摘要 水泵是给水工程中的最重要耗能设备，本文通过对不同的选泵方法和不同的水泵组合，结合实际的管网进行耗能量的计算和比较，以探索更为合理的选泵方法和水泵组合，以达到节约供水能耗、降低制水成本的目的。
关键词 优化选泵 水泵组合 运行效率 供水能耗 一、前言 给水系统中在水的取集、处理、输配过程中，要消耗大量能量。动力费用是构成制水成本的主要部分，根据最近的调查，山东省部分城市供水企业，动力费占全部成本的26.73％，最多的达到34％。水泵是给水系统中最主要的耗能设备，根据对现有给水泵房中运行水泵的调查发现，大多数水泵的实际运行扬程小于水泵的铭牌扬程，有的甚至相差30％以上。因此导致了水泵运行效率降低，能量消耗增加。产生这种现象的原因除水量预测偏大、时变化系数和日变化系数取值偏大以外，选泵方法不合理、水泵搭配不当也是一重要原因。
对无水塔给水管网(多数城镇均为该类管网)来说，现有规范规定按最高日最高时流量和计算扬程选泵，而在最高时以外的绝大多数工况下，其所需扬程低于最高时计算扬程，水量降低越多，所需扬程降低也越多。而当最高时工况下的水泵工作点在高效区右侧时，则水泵工作点在大部分时间将会移至高效区之外，从而降低了水泵运行效率，造成能量的浪费。改进的方法是选择水泵时，其扬程依据主要应以平均时计算扬程，水泵台数不宜太少且应不同型号的水泵相互搭配。本文将对某实际的管网采用不同的水泵组合通过耗能量计算比较加以探讨。 二、管网水力计算 1、主要计算数据：
最高日供水量：15.0万m3/d 最高时供水量：2083L/s
日变化系数：1.20 平均时供水量：1736L/s
时变化系数：1.20 水泵静扬程：29.5m
最小服务水头：20m
2、最高日、平均日各小时的用水量：
根据实际调查的某一城市的用水量变化规律确定该管网最高日各小时的供水量，平均日按比例递减方法计算出各小时的水量，其值见表1。 表1最高日、平均日各小时用水| 时段 | 用水量 (％) | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | 时段 | 用水量 (％) | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | | 0～1 | 3.57 | 5355 | 4463 | 13～14 | 4.36 | 6540 | 5450 | | 1～2 | 3.38 | 5070 | 4225 | 14～15 | 4.76 | 7140 | 5950 | | 2～3 | 3.33 | 4995 | 4162 | 15～16 | 4.50 | 6750 | 5625 | | 3～4 | 3.44 | 5160 | 4300 | 16～17 | 4.67 | 7005 | 5837 | | 4～5 | 3.47 | 5205 | 4338 | 17～18 | 4.77 | 7155 | 5963 | | 5～6 | 3.59 | 5385 | 4487 | 18～19 | 4.11 | 6165 | 5137 | | 6～7 | 4.20 | 6300 | 5250 | 19～20 | 4.09 | 6135 | 5113 | | 7～8 | 5.00 | 7500 | 6250 | 20～21 | 4.26 | 6390 | 5325 | | 8～9 | 4.57 | 6855 | 5713 | 21～22 | 4.16 | 6240 | 5200 | | 9～10 | 4.60 | 6900 | 5750 | 22～23 | 3.94 | 5910 | 4925 | | 10～11 | 4.68 | 7020 | 5850 | 23～24 | 3.91 | 5865 | 1887 | | 11～12 | 4.29 | 6435 | 5362 | | | | | | 12～13 | 4.35 | 6525 | 5438 | 全天合计 | 100 | 150000 | 125000 | 3．管网水力计算 水力计算采用哈曾·威廉公式：h =10.67LQ1.852/(C1.852D4.87)
经管网平差计算，求得最高日、平均日各小时计算扬程如表2所示。 表2 最高日、平均日24小时所需扬程（m）| 时段 | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | 时段 | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | | 0～1 | 44.04 | 39.87 | 13～14 | 50.56 | 44.52 | | 1～2 | 42.64 | 38.87 | 14～15 | 54.28 | 47.17 | | 2～3 | 42.28 | 38.62 | 15～16 | 51.83 | 45.43 | | 3～4 | 43.08 | 39.19 | 16～17 | 53.42 | 46.56 | | 4～5 | 43.30 | 39.34 | 17～18 | 54.37 | 47.24 | | 5～6 | 44.19 | 39.98 | 18～19 | 48.38 | 42.97 | | 6～7 | 49.15 | 43.52 | 19～20 | 48.21 | 42.85 | | 7～8 | 56.64 | 48.86 | 20～21 | 49.67 | 43.89 | | 8～9 | 52.48 | 45.89 | 21～22 | 48.81 | 43.27 | | 9～10 | 52.76 | 46.09 | 22～23 | 46.96 | 41.95 | | 10～11 | 53.51 | 46.63 | 23～24 | 46.71 | 41.78 | | 11～12 | 49.94 | 44.08 | | | | | 12～13 | 50.47 | 44.46 | 加权平均 | 49.55 | 43.80 | 由表2发现，在最高日内，最高时扬程为56．64m，最低时为42．28m，两者相差14．36m，最高日最高时扬程比平均日最低时高出18.02m，当日用水量小于平均日时，其最低计算扬程将会比最高时相差20m以上。从理论上说，最高时计算扬程是一种极限状态，其余时间的计算扬程均在此值之下。显然，按这种特殊工况所选择的水泵在其余多数时间内偏高是很自然的了。 三、动力消耗计算 1、根据水力计算结果，按不同选泵方法和搭配选择了6种不同的水泵组合，详见表3。 表3 不同水泵组合表| 扬程依据 | 方案编号 | 搭配特点 | 最高时运行泵组合情况 | 总安装台数 | 最高时运行泵总功率
（KW） | 备注 | | 型号 | 额定流量
（L/s） | 额定扬程
(m) | 功率
(KW) | 台数 | | 依据最高时计算扬程 | FI-1 | 大小搭配 台数较少 | 24sh-9A 14sh-9A | 920～580 370～250 | 55～70 56～70 | 680 300 | 2 1 | 4 | 1660 | 24sh-9A型泵按600s75A特性曲线计算 | | FI-2 | 大小搭配 台数较多 | 24sh-9A 14sh-9A | 680～430 370～250 | 50～66 56～70 | 520 300 | 3 1 | 5 | 1860 | | | 平均时兼顾最高时 | FII-1 | 大小搭配 | 24sh-13 14sh-13 | 972～695 410～270 | 38～56 37～50 | 520 230 | 3 1 | 5 | 1790 | | | FII-2 | 同型号泵 | 24sh-13 | 972～695 | 38～56 | 520 | 4 | 5 | 2080 | | | FII-3 | 小泵流量 小于40％ | 24sh-13 12sh-9A | 972～695 248～147 | 38～56 42～55 | 520 155 | 3 1 | 5 | 1715 | | | FII-4 | 小泵流量小于60％ | 24sh-13 20sh-9A | 972～695 630～390 | 38～56 42～58 | 520 380 | 3 1 | 5 | 1940 | | 2、水泵和管网的联合计算
根据管网水力计算，求得管网特性曲线方程为：
H= 29.5 + 1.94×10-5×Q1.852 (m) (2) 式中 29.5 ——水泵静扬程，控制点水压标高与吸水井水位的高差；
Q ——泵站总流量，（L/s）。 根据前述选定的六种水泵组合，分别绘制出各种组合单泵和不同水泵组合时的水泵特性曲线和管网特性曲线，如图1～图6所示。 
3、动力消耗计算
利用图1～图6特性曲线图，按照最高日、平均日各小时的供水量从相应的特性曲线图中查出该时的运行泵组合和实际运行扬程，当水泵型号不同时，还应查出不同型号水泵的出水量，再查水泵样本找出该扬程下的水泵效率，并按式(3)计算该小时的能耗。 W＝ρgQH/1000η(KWh) （3） 式中 Q——泵站出水量(L/s);
H——按特性曲线图查得的实际运行扬程(m)；
ρ ——水的密度，ρ＝1kg/L;
g——重力加速度，g = 9.81m／s2；
η——水泵综合效率，η=η1·η2
η1——水泵运行效率；
η2——水泵电机效率，单机出水量大于2500m3/h时取92％，单机出水量为1000～2500m3/h时取91％，单机出水量小于1000m3/h时取88％。 经逐时计算，最高日和平均日不同方案时的能耗情况见表4、表5。 表4最高日不同水泵组合时的能耗比较表 | 方案 编号 | 加权计 算杨程 (m) | 加权实 际杨程 (m) | 扬程 超出率 (％) | 全天总 能耗 (KWh) | 最高时 能耗 (KWh) | 平均时 能耗 (KWh) | 加权平均 综合效率 (％) | KTm 水能耗 (KWh) | 能耗指数 | | FI—1 | 49.55 | 55.78 | 12.59 | .32629 | 1649 | 1359.5 | 69.91 | 3.90 | 1.108 | | FI—2 | 53.79 | 8.56 | 30726 | 1590 | 1280.3 | 71.51 | 3.81 | 1.044 | | FII—1 | 54.08 | 9.14 | 29486 | 1634 | 1228.6 | 74.92 | 3.63 | 1.002 | | FII—2 | 56.62 | 14.27 | 32142 | 1907 | 1339.3 | 71.96 | 3.78 | 1.092 | | FII—3 | 54.30 | 9.59 | 29437 | 1583 | 1226.5 | 75.35 | 3.62 | 1.000 | | FII—4 | 54.07 | 9.12 | 30261 | 1753 | 1260.9 | 72.99 | 3.73 | 1.028 | 注：1、 扬程超出率指按特性曲线查出的运行扬程比计算扬程超出的百分数。
2、 能耗指数是以耗能最低的方案为1时的相对数值。 |
表5平均日不同水泵组台时的能耗比较表| 方案 | 加权计算扬程 (m) | 加权实际扬程 (m) | 扬程超出率 (％) | 全天总能耗 (KWh) | 最高时能耗 (KWh) | 平均时能耗 (KWh) | 加权平均综合效率 (％) | KTm 水能耗 (KWh) | 全年总 能耗 ( 万KWh) | 能耗 指数 | | FI—1 | 43.80 | 55.64 | 27.03 | 27072 | 1389 | 1128 | 70.0 | 3.89 | 988.13 | 1.219 | | FI—2 | 50.82 | 16.03 | 25571 | 1241 | 1065.5 | 67.65 | 4.03 | 933.34 | 1.152 | | FII—1 | 51.02 | 16.48 | 22200 | 1157 | 925 | 78.23 | 3.48 | 810.30 | 1.000 | | FII—2 | 53.60 | 22.37 | 24267 | 1455 | 1011 | 75.20 | 3.62 | 885.75 | 1.093 | | FII—3 | 51.20 | 16.89 | 22640 | 1130 | 943.3 | 76.98 | 3.54 | 826.36 | 1.020 | | FII—4 | 48.24 | 10.14 | 22415 | 1337 | 934 | 73.76 | 3.72 | 818.15 | 1.010 | 注：1、扬程超出率、能耗系数意义见表4。
2、全年能耗是按平均日能耗乘以365天得来的。 | 由以上计算结果表明，采用不同的水泵组合，其能耗存在较大差异。最高日供水时，按最高时计算水泵扬程选泵和采用同型号水泵时，其能耗增加10％左右，平均日供水时，按最高时计算水泵扬程选泵，其能耗增加15％以上，采用同型号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时，也会增加1～2％的能耗。若按最高时计算扬程选泵，且采用同型号水泵、水泵台数较少时，则会多消耗更多的能量。
在给水工程中，全年中各天的供水量是在平均日上下波动的，因此，按平均日计算的能耗数据应更接近于实际。以上计算的能耗数据，若电价按0．60元/KWh计算，按最高时计算扬程选泵，即使大小泵搭配、水泵台数较合理时，每年也将多增加73．9万元电费，当采用水泵台数过少时，一年将增加106．5万元电费，若采用同型号水泵，增加的电费还要多。即使按平均时计算扬程选泵，采用同种型号水泵比大小泵搭配也会增加45．2万元电费。目前全国给水工程日供水能力超过2亿m3，全年供水总量约为600亿m3，若仍按以往最高时计算扬程选泵，由于选泵不合理每年增加的电费达10亿元以上。
本文计算采用的日变化系数Kd、时变化系数Kh值均较小，若该参数选值过大，则浪费的能量会更多。由此可见，采用合理的选泵方法和大小泵搭配，对于降低给水工程的运行费用有明显的经济效益。 四、结论 根据以上计算分析结果，提出如下合理选择水泵的原则：
1、依据平均时计算扬程选择水泵，即平均时计算扬程位于水泵特性曲线高效区的中位区，而最高时计算扬程位于高效区的左端，这样，可以使水泵在绝大多数时间内的工作点落在高效区内，以提高水泵的实际运行效率。
2、目前我国绝大多数城镇供水管网均不设水塔，由泵站直接满足用户各小时的水量需求，为了减小水泵不同组合时的水量阶梯，水泵台数不宜太少，且应大小型号水泵搭配，以保证管网用水量变化时，泵站供水量能平稳过渡，避免因增开、停开水泵或更换水泵时影响水泵运行效率。
3、采用大小型号水泵搭配，小型号水泵流量应为大泵流量的40～60％，太小或太大都会使水泵不同组合间的水量阶梯不均匀，从而降低水泵运行效率。 参考文献 (1)严煦世、范瑾初：给水工程，北京，中国建筑工业出版社，1995年6月
(2)室外给水设计规范：GBJ13—86
(3)汪光焘：城市供水行业2000年技术进步规划，中国建筑工业出版社，1993年7月
徐衍忠 副教授 山东建筑工程学院
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