管网特性曲线用于供水工程的节能设计

管网特性曲线用于供水工程的节能设计
徐景颖1,　邵　爽2,　侯长银1,　徐　坚1
(1.中国市政工程东北设计研究院,吉林长春130021; 2.中国市政工程华北设计研究院,天津300074)
摘　要:　介绍了如何建立管网理论特性曲线的数学模型,研究了定速泵和调速泵并联曲线与管网理论特性曲线在高效范围内的合理配合,以便全面而直观地体现出管网和机组的效率变化情况,明确阐述了节能的理论依据、计算方法和具体技术措施及可产生的经济效益。

关键词:　节能;　供水工程;　管网特性曲线;　定速泵;　调速泵
中图分类号:TU991 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2003)06-0093-03 在当前的供水工程设计中,一般都采用最大日最大时的流量和为保证管网中控制点的水压而计算出的总扬程来选择和确定水泵机组型号和台数。

但
实际上,城市用水量和水压每天每时都在变化(中、小城市变化更大),最大时用水量和水压的持续时间也仅为几个小时,而平均时和最小流量的持续时间较长,这就使得水泵机组往往不能在高效范围内工作。

为适应用水量的变化,管理上仅限于开、停水泵的台数,或关小水泵出口闸门的操作方式来调节,造成了电能的无谓浪费。

近年来出现了调速泵供水,但恒压运行,使节能又步入误区。

所以,要了解水泵机组与管网配合的工作情况,必须研究管网理论特性曲线的数学模型,以及定速泵和调速泵并联曲线
与管网理论特性曲线在高效范围内合理配合的运行过程。

1　管网理论特性曲线
管网中不同管径管道的水力计算公式是一致
的,即:
　H =H z +S Q 2
(1)为求得S 值可对H -H z =S Q 2取对数:
　lg (H -H z )=lg S +2lg Q
(2)如以lg (H -H z )为竖轴、2lg Q 为横轴,公式(2)便可转化为一直线方程,其截距为lg S ,它的反对数即为S 值。

将S 值代入公式(1),则管网的概
化理论曲线便能绘出(见图1)。

图1　管网的概化理论曲线
该曲线代表了由不同管径管道组成的多环管网的水力特性曲线。

由于运行过程中Q 、H 的变化,
H z 也自动调节。

如夜间管网中水量小时则压力损
失减少,水泵的流量也减小,使得扬程有富余,因而
增加了H z 值,使S Q 2曲线平行上移(变为曲线2),这种能量损失是不必要的,一般在运行中也意想不到。

还有为了减少水泵的出水量而关小其出水管上的闸门,则增加了管网的局部阻力,使特性曲线上弯(如曲线1)。

此举人为地增加了水力损失,也浪费了能量。

2　节能设计方法
输配水管网中的流量变化主要是用户对供水的需求量不同引起的。

各地生活用水习惯的不同、生产用水的企业性质和生产工艺的差异,以及当地气候条件的影响,使得各城市的用水量变化曲线都有所不同(大城市的变化较小,小城市的则变化较大),但曲线上最大时和最小用水量发生的时段和持续时
中国给水排水
2003Vol.19 CHINA WA TER &WASTEWA TER No.6
间相差不大,基本上是有一定规律的。

某城市最大用水的持续时间仅为4h左右(8: 00—12:00),如在设计中水泵机组的运行只满足最大时用水在高效点工作的要求,显然存在节能问题,这就需要以概化方法研究用水量变化曲线上平均时用水百分比(4.166%)与最大供水百分比(6%)之间的比例关系,如4.166/6≈70%。

以此除最大时供水量,其商Q p(Q p=Q最大/70%)便为选泵高效点的特征流量。

又因为常用离心泵性能曲线的高效段一般在(0.85～1.15)Q之间,所以确定了Q p以后,又合理地选用了水泵机组,则全日大部分水量甚至全部供水量均可处于机组的高效范围内。

确定水泵机组的台数,以及定速泵与变速泵如何配合工作问题,也遵循机组效率下降值控制在5%以内的原则。

在定速泵特性曲线高效点的两侧,效率均逐渐降低;而对变速泵而言,最高效率是在全速运行之时,随着转速的降低则效率下降(转速下降值一般限制在30%以内,高效变化范围是一扇形面)。

当管网中用水量最大时工作泵全开,其中变速泵全速运行。

并联泵的台数越多则每台泵出水量减少值也越大,最大时供水因扬程高,工作点在水泵特性曲线上流量变少的一侧,这时效率随之下降。

管网理论概化曲线明确表明,流量增加则扬程提高,反之则扬程降低。

为使水泵机组适应这种变化,以往常规的技术措施是调整水泵开启台数或调节出口闸门的开启度。

近年来出现变速泵以后,不适当的运行(变速泵恒压运行和选择的变速泵台数不合理)或全部采用变速泵使节能又步入误区。

如不管是变速泵的恒压运行与大小机组搭配的办法,还是分段式的定扬程工作,都只注意了流量的变化,而忽视了扬程上的能量浪费。

全部采用变速泵不单是电机调速装置和自控系统价格太贵的问题,而且在技术上也没有必要。

前已明确指出,定速泵与变速泵配合工作时效率下降值是有限制的。

在一定的Q、H范围内,定速泵与变速泵可以在同一扬程下协调工作:当管网中的压力降低时定速泵以增加流量的方式与变速泵在同一扬程下工作;当扬程提高时,定速泵减小流量与之配合。

在最大用水量时,定速泵和变速泵全载并联运行(图2中A点所示);在平均用水和最小用水量时,变速泵减速运行,定速泵由于效率(实际是调节Q、H)的限制而逐台停运,这时机组并联曲线与管网特性曲线上的配合工作交点由
A点沿曲线下滑到B点。

图2　定、变速泵并联运行的特性曲线
图2中曲线1为定速泵和变速泵最大用水量时全速并联运行的特性曲线,曲线2是变速泵在最小用水量时低速运行的并联曲线,两曲线之间的扇形面是调速范围(主要取决于水泵和机组的综合效率),出于节能的目的水泵的效率在减速时一般允许降低3%～4%。

一般说来,城市供水调速机组由全速降至70%～75%就能满足要求。

调速的自动控制由H z来执行。

供水系统运行时,H z值比原设计高了则说明管网中用水量已减少,指示变速电机应减速,使H z保持在设定值;H z 降低了则说明管网用水量正在增加,指示变速电机要提高转速。

在管网水压控制点安装压力表及传感器便可实现自动控制(水压波的传播速度相当于声速,对于供水行业满足流量的变化问题不大)。

另外,也可通过PLC遵循流量变化曲线直接指示水泵机组送出所要求的流量,水泵的扬程随管网压力变化而变化。

但是这样固定的运行工作制度,必需切实能满足用水的需求,这就关系到流量变化曲线和管网特性曲线是否符合实际问题。

流量变化曲线可通过长时间的调查和泵站的运行测试来获得,并应根据需要随时进行调整。

对于供水量不足的城市(满足不了最大时用水量要求),市政水厂可按规定的制度供水,但在设计时也必须考虑达到设计规模时的节能问题。

影响管网特性曲线的因素较多,如管道的新旧与材质、管网上的阀门开启度等。

不过这些影响因素最终都反映到水泵机组在运行中的总扬程上,通过机组的运行也可以随时校正和调整管网特性曲线的S值,使其符合实际情况。

地形起伏比较大的城市,不能以高区为控制点,可考虑局部加压或采取分区供水的方式。

3　经济效益分析
某管网的概化特性曲线如图3所示。

图3　某管网的概化特性曲线
定速泵在不同的供水流量时所消耗的功率为
Q H ,也即图中的矩形面积,如Q 大时的功率为aeof ,
而调速泵所消耗的功率则为曲线下部的阴影面积
abcdof 。

因为矩形面积大于曲线下的阴影面积,故可明显地看出节能的效果。

经积分并通过量纲换算可得定速泵与调速泵所消耗的功率分别为:
　W 定=HQ
102η
K
(3)　W 调=
K 102η(H z Q +S Q 3
3
)(4)
两功率再乘以持续时间就可以确定调速泵和定速泵的各自能耗。

图4为某供水工程(6用1备,其中变速泵为3台)的管网概化曲线与水泵机组并联特性曲线相交配合的运行实例图。

图4　管网概化曲线与水泵机组并联特性曲线相交配合的运行实例
由图4可知:
①　最大流量和最小流量时的水泵运行工作点
均在高效范围内,最低也保证在76%以上,高于《泵站设计规范》第9.1.15条规定的采用离心泵抽清水时,其装置效率不宜低于65%的要求。

②　定、变速泵可以在高效范围内配合工作,不需将泵站全部机组设计成变速泵。

③　在确定了调速比(20%～30%)和水泵机组的总台数n 后,就能求出n 及(n -1)台泵的单台流量和总流量,从而可推导出调速泵的台数。

④　定速泵与变速泵沿着管网特性曲线变化配合工作,因而变速运行功率可按管网特性曲线H =
f (Q )的函数积分加以计算。

常规设计平均流量时
的计算功率为1011kW 。

机组变速运行的功率为
699.66kW ,约节能30%。

⑤　从管网特性曲线和机组变速运行的工况变化可明显地看出恒压供水的误区。

例如最大供水时H 为441kPa 、Q 为2975L/s ,若变速泵恒压设定在441kPa ,那么随着管网中用水量的减少,管网特性曲线将不断平行上移,到夜间的最小用水量为832L/s 时扬程有215.6kPa 就可满足需要。

再者,定速泵与变速泵配合工作,定速泵可沿曲线变化Q 和H ,如将变速泵恒压两者又怎样配合呢?也就是说,水泵机组只有沿着管网特性曲线合理配合工作才是最佳的运行状态。

电话:(022)23545149收稿日期:2003-02-16。