兩用組合出口恒壓變頻供水水泵的合理配置

邱壽華，劉德明，陳犀喆，龐勝華

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350108)

傳統(tǒng)的定速泵供水雖然也能在一定的高效范圍內(nèi)運(yùn)行，但存在能耗利用率低、容易造成超壓出流、自動化程度低等問題，變頻供水技術(shù)的出現(xiàn)較好的解決了這些弊端?！督ㄖo水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50015—2003，2009年版，以下簡稱“建水規(guī)”)［1］第3.8.4款規(guī)定“生活給水系統(tǒng)采用調(diào)速泵組供水時(shí)，應(yīng)按系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)流量選泵，調(diào)速泵在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的工作點(diǎn)，應(yīng)位于水泵高效區(qū)的末端?！本唧w而言，即繪制的額定轉(zhuǎn)速下并聯(lián)水泵工作特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)應(yīng)為最不利工況點(diǎn)，此時(shí)定速泵工作點(diǎn)應(yīng)位于水泵高效區(qū)內(nèi)，調(diào)速泵工作點(diǎn)應(yīng)位于水泵高效區(qū)的末端。

由于住宅生活用水量變化較大，使得調(diào)速泵工作點(diǎn)存在脫離高效區(qū)域的可能，因此，如何盡可能擴(kuò)大高效運(yùn)行的流量范圍以降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗應(yīng)引起重視。不同的水泵組合運(yùn)行方式對應(yīng)不同的高效流量段，針對工程中較多采用兩臺水泵共同工作的變頻供水模式，有必要對不同的兩用水泵組合方式進(jìn)行分析對比以找出最合理的配置方案。

1 兩用組合方式

為了簡化分析，假設(shè):①兩臺工作泵的吸水口至出水管匯合點(diǎn)管段的水頭損失相同;②不同組合的管路特性曲線相同;③不考慮備用泵對組合形式的干擾;④采用出口恒壓控制。

若計(jì)算得到系統(tǒng)最大流量為Qmax，系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程為HG，那么在滿足不同兩用組合下并聯(lián)工作特性曲線均交于最不利工況點(diǎn)(Qmax，HG)時(shí)，有5種不同的組合方式，見表1。

表1 5種兩用組合方案

2 兩用組合分析

下面分別對表1中的5種兩用組合方案進(jìn)行分析，需要指出的是以下表中“高效”是指一臺工作泵高效運(yùn)行或兩臺工作泵都高效運(yùn)行，否則為“低效”。

2.1 兩臺同型號水泵(1臺調(diào)速+1臺定速)

如圖1，采用等揚(yáng)程下流量疊加的方法繪制水泵并聯(lián)特性曲線(Q－H)1+2。假定水泵運(yùn)行的高效范圍為A－B段，調(diào)速泵高效運(yùn)行最小流量為過額定轉(zhuǎn)速下左高效點(diǎn)的等效率曲線與恒壓線的交點(diǎn)對應(yīng)流量，最大流量為過額定轉(zhuǎn)速下右高效點(diǎn)的等效率曲線與恒壓線的交點(diǎn)對應(yīng)流量(下同)，那么不同流量段下水泵運(yùn)行情況如表2。

圖1 同型號水泵并聯(lián)工作

表2 不同流量段水泵運(yùn)行狀態(tài)－①

由于兩臺水泵型號相同，當(dāng)用水量位于QB附近時(shí)，容易造成定速泵頻繁啟停，對水泵的使用造成不利影響;由于水泵的QA值不容忽視，也造成水泵在相對較寬的(QB，QA+QB)流量段運(yùn)行時(shí)脫離高效區(qū)，因此，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免采用該方案。

2.2 兩臺同型號水泵(2臺調(diào)速)

如圖1，為了(QB，QA+QB)流量段可以由2臺調(diào)速泵各自調(diào)速運(yùn)行于高效區(qū)間，現(xiàn)假設(shè)某一流量Qi滿足QB≤Qi≤QA+QB，若此時(shí)兩臺調(diào)速泵分別供應(yīng)Q1、Q2流量，并且QA≤Q1≤QB，QA≤Q2≤QB，Qi=Q1+Q2因此，Qi滿足條件:

由于QA恒小于QB，因此方程的解為QB≥2QA。工程設(shè)計(jì)中，如果選用這種組合方案供水時(shí)，盡量選擇QB/QA比值較大的水泵，滿足該條件的調(diào)速泵在不同流量段下水泵運(yùn)行情況見表3。對比表2和表3可知，采用2臺同型號調(diào)速泵可以實(shí)現(xiàn)高效流量段的擴(kuò)大。

表3 不同流量段水泵運(yùn)行狀態(tài)－②

2.3 兩臺不同型號水泵(小泵調(diào)速+大泵定速)

如圖2，兩臺水泵的Q－H特性曲線不同，基于以上假設(shè)，仍可采用等揚(yáng)程下流量疊加的方法繪制水泵并聯(lián)工作特性曲線。假定定速泵的高效范圍為A－B段，調(diào)速泵額定轉(zhuǎn)速下的高效范圍為C－D段，那么不同流量段下水泵運(yùn)行情況見表4。

圖2 不同型號水泵并聯(lián)工作

表4 不同流量段水泵運(yùn)行狀態(tài)－③

觀察表1和表4，方案①中組合水泵在(QB，QA+QB)流量區(qū)間低效運(yùn)行，方案③中組合水泵在(QB，QB+QC)區(qū)間也低效運(yùn)行。對同一供水系統(tǒng)而言，區(qū)間差值QA＞QC，即采用不同型號水泵組合時(shí)可以縮小低效運(yùn)行流量段。該方案在流量區(qū)間(QD，QB)供水時(shí)，系統(tǒng)供水壓力超過設(shè)定恒壓值，如果(QD，QB)區(qū)間范圍不大時(shí)，調(diào)速小泵也容易頻繁啟停。因此，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)避免采用該方案。

2.4 兩臺不同型號水泵(小泵定速+大泵調(diào)速)

如圖2，由于小泵定速運(yùn)行，新增流量點(diǎn)QD+QA。不同流量段下水泵運(yùn)行情況見表4。

表5 不同流量段水泵運(yùn)行狀態(tài)－④

觀察圖2，如果(QD+QA)＜QB并且QD＞QA時(shí)，那么流量處于(QD，QB)區(qū)間時(shí)，只要開啟調(diào)速大泵就能滿足高效供水。此時(shí)，只要用水量Qi＞QA，水泵就能實(shí)現(xiàn)全流量高效運(yùn)行。因此，在滿足約束條件QD+QB=Qmax下，盡可能選擇滿足QA＜QD＜QB－QA的小泵，可以較大程度的擴(kuò)大水泵機(jī)組高效運(yùn)行的流量區(qū)間。

觀察表5，只有當(dāng)流量大于QB時(shí)，定速小泵才開啟運(yùn)行，相對方案③工作泵的三種狀態(tài)，水泵的運(yùn)行調(diào)度更加合理，高效運(yùn)行的流量范圍更大，但變頻器容量增大，一次性投資增加。因此，僅從提高水泵運(yùn)行效率的角度出發(fā)，選擇大泵調(diào)速、小泵定速的組合方式供水是較為合理的。

2.5 兩臺不同型號水泵(小泵調(diào)速+大泵調(diào)速)

如圖2，為了使用水量介于(QB，QB+QC)流量區(qū)間時(shí)，水泵運(yùn)行效率仍處在高效區(qū)域內(nèi)，可開啟大小泵共同調(diào)速實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)假設(shè)某一流量Qi滿足QB≤Qi≤QB+QC，若此時(shí)調(diào)速小泵、調(diào)速大泵分別供應(yīng)Q1、Q2流量，并且QC≤Q1≤QD、QA≤Q2≤QB，Qi還滿足Qi=Q1+Q2。因此，以下方程組的解即為滿足該流量區(qū)間高效運(yùn)行的前提條件。

由于QC恒小于QD，因此方程的解為QB≥QA+QC，即大泵高效運(yùn)行最大流量應(yīng)大于自身高效運(yùn)行最小流量與小泵高效運(yùn)行最小流量之和。工程設(shè)計(jì)中選用該方案供水時(shí)，應(yīng)盡可能選擇滿足QB≥QA+QC關(guān)系的水泵，表6是符合該條件的水泵運(yùn)行情況。

表6 不同流量段水泵運(yùn)行狀態(tài)－⑤

滿足表6的運(yùn)行狀態(tài)的水泵選型相對其他組合更容易實(shí)現(xiàn)，客觀的組合形式為水泵持續(xù)高效運(yùn)行提供了可能，變頻器的容量相比④方案也不需要明顯提高，因此，方案⑤是兩用組合中最優(yōu)的配置方案。

3 結(jié)束語

通過分析出口恒壓變頻供水系統(tǒng)中不同的兩用組合方案，可以得出以下結(jié)論:

(1)不同的兩用組合有不同的高效流量區(qū)間、不同的水泵調(diào)度方式;增加調(diào)速泵的臺數(shù)，可以擴(kuò)大高效運(yùn)行的流量區(qū)間。

(2)不論采用何種組合方案，小流量區(qū)間內(nèi)水泵機(jī)組低效運(yùn)行總是存在的，當(dāng)配置氣壓罐供應(yīng)小流量時(shí)，選用小泵調(diào)速、大泵定速或大小泵均調(diào)速可以減小氣壓罐容積，降低造價(jià)。

(3)采用小泵調(diào)速、大泵定速的組合方案，運(yùn)行調(diào)度相對復(fù)雜并且存在超壓的流量區(qū)間，應(yīng)避免采用;采用同型號水泵(1臺調(diào)速+1臺定速)組合時(shí)，容易造成其中一臺泵頻繁啟停，并且有較寬的低效流量區(qū)間，應(yīng)盡量不予采用。

(4)采用兩臺同型號調(diào)速或小泵定速、大泵調(diào)速的組合方案是相對較優(yōu)方案，但組合方式客觀上存在低效運(yùn)行的流量區(qū)間難以縮小的弊端。

(5)采用大小泵均調(diào)速運(yùn)行的組合方案是最優(yōu)方案，在綜合考慮各種因素下，采用大小泵共同調(diào)速運(yùn)行是性價(jià)比較高的兩用配置方案，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮該方案。

［1］GB 50015－2003(2009年版)建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］