城市供水系统的节能与优化研究

城市供水系统的节能与优化研究

城市供水系统是城市建设中一项重要的基础设施，同时也是耗电大户，具有很大的节能空间。目前我国的泵站效率普遍较低，供水管网设计和布局不够合理，造成了大量的能量浪费。因此，文章以城市供水系统为研究对象，结合所学的知识，从供水系统的两个主要方面：供水泵站和供水管网，进行了节能和优化的研究。

标签：节能优化；调速运行；切削定律；分区供水

Abstract：Municipal water supply system is an important infrastructure in municipal construction，and it is also a large consumer of electricity，which has a large energy saving space. At present，the efficiency of pumping stations in our country is generally low，and the design and layout of water supply network is not reasonable，resulting in a large amount of energy waste. Therefore，this article takes the municipal water supply system as the research subject，unifies the knowledge，from the water supply system two main aspects：the water supply pump station and the water supply network，and carries on the energy saving and the optimized research.

Keywords：energy saving optimization；speed regulation operation；law of cutting；district water supply

1 供水泵站的节能与优化

1.1 概述

在整个给水工程的用电量中，95%～98%的电量是用来维持水泵的运转，所以节省泵站的电耗，是供水系统节能的关键所在。因此，為实现供水系统的安全可靠，运行稳定，对供水泵站进行优化研究，具有重大的意义。

1.2 水泵的节能改造

1.2.1 调速运行

当离心式水泵的转速改变时，其特性曲线也随之变化，从而改变水泵的工况点，使水泵在高效区运行，此时水泵使用效率最高。根据水泵的比例定律，在一定转速变化范围内，以不同转速运行的同一台叶片泵满足以下关系：

式（4）代表一条二次抛物线方程式。任何满足切削律的工况点都必定存在于这条曲线上，这条曲线被称为“切削抛物线”，又称为等效率曲线，也就是说，凡是在此曲线上的各点，其相应的效率可视为相等。

叶轮切削是水泵节能改造技术中一种常见的方法，具有简单，便捷，可靠，节约成本等诸多优点。但这种方法也存在缺点，叶轮切削只是一次性的调节方法，而且只能用在需要降低流量，扬程，轴功率的情况。

2 供水管网的节能与优化

2.1 分区供水系统

2.1.1 分区的类型

分区供水系统分为并联分区和串联分区两种形式，如图1所示。

图1所示为给水区地形差异很大时，所采用的分区供水系统。图1（a）是由同一个泵站内的水泵分别供给低区②和高区①用水，这种方式称为并联分区，优点是供水安全高度可靠，所有的水泵都集中在一个泵站内运行，这对于后期的维护管理，比较方便，但缺点是输水管的长度和造价有所增加。图1（b）中，高、低两区用水量均由低区泵站输出，地形较高的地区再由中途泵站加压供水，这种方式称为串联分区，这种分区方式的输水管较短，可用扬程较低的水泵和低压管，但是泵站的个数多，需要更多的人力物力进行后期的管理。

2.1.2 分区供水的能量分析

（1）输水管的供水能量分析

规模相同的给水系统，如果采用分区供水，可以减少泵站的总功率，降低输水成本。现从输水管的供水能量分析，说明节能的原因：

未分区时，泵站供水能量E由三部分组成：

式中，E1代表保证最小服务水头所需的能量；E2代表克服水管摩阻所需的能量；E3代表未利用的能量，即因各用水点的水压过剩而浪费的能量。

在总能量中，只有最小服务水头的能量E1得到有效利用，由于这部分的流量已经确定，所以不能改变；第二部分能量E2用于克服输水过程中的水管摩阻，要减少这部分的损失，必须适当放大管径或者更换管材，从经济上看，这不是一种合理的解决方法；第三部分能量E3属于浪费的能量，因为水泵扬程是根据控制点所需的最小服务水头所确定的，所以大部分供水管网的水压都大于实际所需的水压，造成了能量的损失。

为了更好地表示供水能量利用的程度，在未分区的给水系统中，将必须消耗的能量占总能量的比例定义为能量利用率？准，即

从上述两个公式可以发现，无论采取串联分区还是并联分区，所节约的能量都是相等的。

综上所述，虽然并联分区和串联分区节能的效果是相同的，但两种分区类型各有利弊。应综合考虑城市地形，水源位置，用水量分布等因素，选择适当的分区供水系统的类型。

参考文献：

[1]刘宇红，南军，钟丹.给水排水管道系统[M].北京：电子工业出版社，2014.

[2]许仕荣，张朝升，韩德宏.泵与泵站[M].北京：中国建筑工业出版社，2016：42-61.

[3]张玉先.给水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[4]樊红辉.城市供水系统的节能与优化研究[D].重庆大学，2010.