调速供水系统水泵容量配备探讨

王志明 陈正华 覃永红

　　提要 本文利用水泵运行曲线，对现阶段的调速供水系统水泵容量配备进行理论分析。水泵的容量配备，特别是调/定速水泵容量配比不恰当，直接影响到调速供水运行的稳定性及运行效率。
　　关键词 容量配比 容量配备 扬程 出水压力 稳定性

　　调速供水系统应用在我国，现已有二年的历史。笔者经多年实践，发现恰好是水泵的容量配备问题，直接影响到调速供水系统的稳定性及运行效率。以下，笔者就调速供水系统中调/定速水泵的容量配备问题进行探讨。

　　1 调速水泵的运行效率分析

　　一些文章曾作论述，认为调速水泵在调节运行过程中，可以一直保持运行效率不变，笔者认为这种观点不正确，以图1.1作定性分析。
　　1.1 引用公式及适用条件
　　水泵的扬程H计算公式如下:
　　H=PR-PV+(V22-V12)/2g+△z——式（1.1)
　　H——水泵的扬程，米。
　　P_R——水泵出口压力表读数，米。
　　P_V——水泵进口压力（真空）表读数。
　　V₂、V₁——水泵出口、入口处的流速，米/秒。
　　△z——出口、入口表计的安装高差，米。
　　g——重力加速度，米/秒²。
　　一般工程计算中扬程简化计算公式如式（1.2)。
　　H=P_R-P_V——式（1.2)
　　式（1.2)给出了水泵的扬程与出水压力间的相互关系。水泵的工作曲线均表示为流量Q——扬程H曲线，而纵观调速水泵的控制方式，则以水泵出水压力P_R作为控制参数，因而，笔者利用水泵的流量Q——出水压力P_R曲线作辅助分析，为有所区别，将曲线有曲线上的点分别称为工况曲线及工况点。
　　1.2 调速水泵的运行效率
　　按式(1.2),影响水泵出水压力P_R的因素主要有两个,一是水量变化引起扬程变化;再有就是进水端压力P_V变化,如果此时水量保持不变,出水压力P_R曲线作辅助分析,为有所区别,将曲线及曲线上的点分别称为工况曲线及工况点。
　　1.2.1 供水量变化时调速水泵的运行效率变化
　　供水量变化时,引起水泵的扬程H变化,假设进水端压力P_V=O,则PR=H,利用水泵的流量Q——出水压力P_R曲线（工况曲线）进行分析，如图1.1。

　　恒压供水系统水泵的速度调节方式，在调速水泵全速运行时，工况曲线是S_H，供水压力为P_S，工况点为A，当供水量下降时，调速装置进行调整降低水泵的运行速度，这时水泵的工况曲线为S_L，工况点为B，压力保持不变。
　　A、B点压力相同（相当于扬程相同），显然它们非等效率点，按水泵比例律，B点在曲线S_H上的等效点C，有如下关系成立：
　　Q_B/Q_C=n<1——式（1.1)
　　P_B/P_C=n²<1——式（1.2)
　　Q_A～Q_D——A～D点对应水量，m³。
　　P_C、P_D——C、D点对应压力，米。
　　n——调速率。
　　P_S——供水保证压力，米。
　　据式（1.1)、(1.2)推断，点C对应流量（Q_C）和压力（P_C），大于点B的流量（Q_S）和压力（P_B），位于点A与点B之间的位置，如图1.1所示。
　　如果没有调速装置，在供水量下降时，水泵的工作点如图1.1所示的D点。各点所对应的效率点如图1.1中的效率曲线所示。
　　曲线η_B、η_L为对应于曲线S_B和S_L的水泵效率曲线。
　　依图1.1类推，当供水量减少，水泵效率点向左移动；相对没有调速装置的工况点来说，调速后工况点座落在靠右的位置，这样，供水量减少水泵效率下降，有调速装置的水泵运行效率相对高于没有调速装置的水泵。
　　1.2.2 水泵进水端压力变化对效率的影响
　　在进水端压力升高时,出水压力保持恒定,水泵扬程即下降,此时不考虑水量Q的变化,水泵工作曲线如图1.2所示,S_H、S_L分别为产生变化前、后的水泵工作曲线，A、B为工作点，如图1.1中的分析，点B的等效率点为C，它们的对应的效率如曲线η_B、η_L所示。

　　定性分析结果如下：随着进水端压力的升高，水泵速度降低，在一定的供水量条件下水泵的效率点逐渐向效率曲线的右端移动。
　　综合供水量及进水端压力两个影响因素，供水量减少使水泵工况点向左移动，进水压力升高使水泵工作点向右移动，相对没有调速装置的工况点来说，调速后工况点座落在效率曲线靠右的位置，这样，有调速装置的水泵，运行效率相对高于没有调速装置的水泵。

　　2 现阶段调速水泵与定速水泵的容量配比及出现的问题

　　因为调速装置价格高、维修难度大，现阶段多数供水系统配备均为一调（速水泵）多定（速水泵），现阶段几乎所有的设计方案中，调速泵与定速泵容量相差不大（有些容量配比甚至是1.1），按我公司的使用经验，这样的容量配比是不恰当的，主要缺点在以下两方面：第一，造成供水系统运行不稳定；第二，调速泵运行效率很低。以调/定速水泵容量为1.1为例进行分析。
　　2.1调、定速泵容量为1.1时系统运行稳定性分析

　　供水系统水泵工作方式如图（2.1）所示，以调速水泵作为主泵，当它的供水量达额定水量的100%时，工作曲线为S_A，工作点为A，水泵的运行速度已经达最大值，不能再提高了，如果供水量进一步扩大，供水压力将下降，到一定程度（如工作点为B，△Q为为5%～10%），定速水泵投入运行，如果调速泵与定速泵的容量配比为1：1，则定速泵投入运行后，供水量固定为100%（工作点为A），迫使调速泵的工作曲线变为S_B，供水量仅为△Q（5%～10%），工作点为C。由于定速泵容量设置过大，调速泵水量下调幅度而变得很小（仅为△Q，约（5%～10%），若此时供水量稍有减少（实际上供水量是时刻发生变化的，这样的情况经常出现），系统即执行定速泵停机操作，使定速泵出现频繁操作现象。这就是为什么现阶段的调速供水系统易出现水泵操作频繁现象的主要原因，为此我们曾对水泵容量配比为非作歹：1的加压泵站进行观察，发现在供水量处于投/切水泵的临界状态时，水泵投/切操作频繁。
　　由此可见，调、定速比为1：1供水系统，因定速泵容量过大，造成系统不能稳定运行，而且，定速泵投入运行后调速泵运行于低效区，运行效率很低，起不到节能效果。
　　2.2 容量配比为1.1系统运行效率
　　按以上1.2中对调速水泵运行效率的分析结果，调速水泵的运行效率随着水泵供水量的降低而逐渐降低。经笔者分析了在用调速水泵的运行数据，一般情况下当调速水泵出水量在40%（定速水泵由于没有调速装置，此数据为50%）以下时，运行在低效区。综合2.1中的分析，定速水泵投入运行时，调速泵的供水量仅5～10%，不用置疑，此时调速泵运行在低效区，运行效率很低，起不到应有的节能效果。

　　3 合理的调/定速泵容量配备

　　3.1 合理的调/定速泵容量配比
　　从提高供水系统的稳定性及调速泵运行效率两方面考虑，用以下方法确定调、定速泵容量配比。
　　按图2.1，调速泵的可调节水量理论上可在0～100%的范围内，但按2.2中对调速泵运行效率的分析，出水量小于40%，水泵运行效率很低，综合水泵运行效率考虑，调速泵实际可调节水量Q_D在60%左右。
　　如果选择的定速泵参数是：额定供水压力为P_S，供水量Q_C为Q_D的一半，
　　即Q_C=Q_D/2——（3.1)
　　定速水泵的容量按式（3.1)确定，供水系统工作原理如图（3.1)所示：

　　调速泵的工作点为B时，定速水泵投入运行，定速水泵工作的曲线为S_C，工作点为D，由于Q_C仅为30%，调速泵运行曲线S_B，供水量70～80%，运行在高效区。当调速泵的出水量少于40%时（运行曲线S_L）设置调速泵运行在最低速度，若供水量再减少，工作点由E到F，压力上升，定速泵停机。调速泵的运行效率提高，而且下调幅度达30%，定速泵不会出现频繁操作现象。
　　综上所述，合理的调/定速容量配比为1：0.3，这样的容量配比促使水泵运行在高效区，而且，由于定速泵投入后调速水泵有充分的余地进行调节，上调及下调幅度
均为其额定容量的30%左右，供水系统不易出现水泵操作频繁现象。
　　3.2 调速供水系统水泵容量配备
　　调速供水系统合理的水泵容量配备如下表3.1所示：

表3.1 水泵的合理容量配备 名称 调速泵 1#定速泵 2#定速泵 3#定速泵 4#定速泵 容量 100 30 60 120 210

　　按表2.1所示的容量配备，供水系统的工作过程如下：以调速泵为主泵，供水压力下降到一定程度时1#定速泵启动；如果供水量再次提高时停1#开2#；其后是1#与2#同时开（可补充水量是90%）；开3#、1#+3#、2#+3#、4#、1#+4#、2#+4#，依次可补充水量值分别为120%、150%、180%、210%、240%、270%。
　　表2.1中水泵的开泵台数保持在3台，配备的原则是尽量减少开泵台数，以提高系统的运行效率，并保证供水系统可以稳定运行。水泵启动（或停止）过程中的一个重要原则是：当供水量不足（或过大）时，每次投入（或撤出）的定速水泵的容量为调速泵的30%左右。
　　3.3 调速水泵容量确定
　　由以上分析可知，调速泵实际供水量与额定供水量越接近，调速泵运行效率越高，这就要求所选择的调速泵容量不能过大，以免调速泵单独运行时因供水量太少而运行在低效区，但按3.2中的描述，系统的调节依赖于调速泵的容量，在定速泵投入运行后上调、下调幅度均为调速泵供水量的30%，如果供水量在单位时间内的变化率大于此数值，仍不能保证降低供水系统水泵投切的频繁程度，这又要求调速泵容量要足够大。所以，调速泵的容量应从以上两方面作综合考虑，以确定合适的调速水泵容量。

　　4 结束语

　　现阶段调速供水系统运行不稳定甚至运行效率低是普遍存在的问题，以后进行供水泵房设计时，设计部门应考虑与此相关的问题。通过以上的理论分析及对水泵容量配备的探讨，总结如下：
第一，影响调速供水系统稳定运行，造成水泵频繁启、停的主要因素在于现阶段定速水泵与调速水泵的容量配比不合理，定速泵容量过大，应依照调/定速水泵容量配比为1：0.3容量进行选择。
第二，配备的定速水泵容量过大，不仅影响调速供水系统运行的稳定性，而且造成调速水泵运行效率偏低，按我们的运行经验，有时调速水泵会出现零效率运行（调速水泵供水量接近0）。
第三，确定调速水泵的容量时应从两方面综合考虑，首先是单独供水时的供水量与额定供水量相比不能过低；第二是定速泵投入后，供水量单位时间内的变化率不能大于调速泵额定容量的30%，否则不能保证降低水泵投切的频繁程度。

参考书目 《城镇供水工程》 袁世荃 李鸿禧 主编 姜乃昌主审
湖南科学技术出版社 1990年出版