楊宗儒馬華明/.寧夏紅寺堡揚(yáng)水管理處 .寧夏水利電力工程學(xué)校

取水泵站的節(jié)能改造及設(shè)計(jì)

楊宗儒1馬華明2/1.寧夏紅寺堡揚(yáng)水管理處 2.寧夏水利電力工程學(xué)校

本文通過(guò)分析當(dāng)前取水泵的設(shè)計(jì)方法，對(duì)其所存在的不足之處給與分析，并結(jié)合所存不足就流量變化及水源水位出現(xiàn)變化時(shí)相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法予以提出，針對(duì)已經(jīng)建成的取水泵站，對(duì)其采用切削葉輪或者對(duì)轉(zhuǎn)速予以改變的方法進(jìn)行相應(yīng)節(jié)能改造進(jìn)行探討。

取水泵站；節(jié)能改造；特性曲線(xiàn)；設(shè)計(jì)

一、取水泵站現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法所存在的不足

當(dāng)前我國(guó)在相關(guān)教科書(shū)及設(shè)計(jì)手冊(cè)當(dāng)中，針對(duì)取水泵站的水泵進(jìn)行選擇時(shí)，往往采取當(dāng)日最高的用水量，與凈水構(gòu)筑物自身所具有用水量，及輸水管漏損水量等相加，以此作為取水泵站所具有的設(shè)計(jì)流量，通過(guò)水源最枯是相應(yīng)水位和凈水構(gòu)筑物所存在的進(jìn)口水位之間的差額即標(biāo)高差，然后加上與輸水管與設(shè)計(jì)流量相對(duì)應(yīng)的水頭損失狀況，以此對(duì)水泵的揚(yáng)程進(jìn)行確定，如果供水量與水源水位均不出現(xiàn)變化的狀況，或者是雖然存在一定變化，但是最大流量和最枯水位均存在同時(shí)出現(xiàn)的可能的狀況下，此種設(shè)計(jì)方法才可以肯定為正確。在實(shí)際的工程當(dāng)中，雖然水源水位與供水量方面并不存在每天均存在變化的狀況，然而伴隨季節(jié)的變化，就會(huì)存在趨于一定范圍之內(nèi)相應(yīng)變化的狀況。我國(guó)河流的枯水期通常為每年的1～3月，因此，其凈揚(yáng)程也就最大，然而發(fā)生此狀況的時(shí)間則為動(dòng)機(jī)，人們生活當(dāng)中的生活用水量，乃至城市當(dāng)中的工業(yè)用水均處于最少時(shí)期，總體的系統(tǒng)供水領(lǐng)均較小。而我國(guó)豐水期則在每年的7～9月，其相應(yīng)的凈揚(yáng)程也就最小，然而此狀況時(shí)間推算則為夏季，此時(shí)間無(wú)論是工業(yè)還是人們生活用水均達(dá)到最高峰，因此，在整體的系統(tǒng)總供水量方面也就是一種種最大。因此，水源在最大供水量和最枯水位之間所存在的最大差異就是季節(jié)差異，二者之間沒(méi)有同時(shí)出現(xiàn)的可能，所以，在具體的設(shè)計(jì)上也就沒(méi)有與實(shí)際情況相符。

如圖1所示，該圖表示為取水泵站水泵具體的工作狀況，整個(gè)系統(tǒng)的供水量則在相應(yīng)的Qmin和Qmax之間發(fā)生實(shí)質(zhì)變化，而從凈揚(yáng)程來(lái)考量，其主要在HST1和HST2之間發(fā)生相應(yīng)變化。針對(duì)當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法來(lái)講，其主要是把C點(diǎn)作為整個(gè)設(shè)計(jì)工程當(dāng)中的相應(yīng)工況點(diǎn)，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)在具體的運(yùn)行過(guò)程中，夏季的流量和相應(yīng)所需要的高程則在位置E處，而冬季的具體流量和所需要的高程則在位置D處。從中可知，如果在供水量及水源水位存在比較大的變化的狀況，且油同時(shí)處于最低水位及最大流量之間所不可能同時(shí)出現(xiàn)的狀況，如果僅僅依據(jù)下游的方法對(duì)水泵進(jìn)行選擇，在實(shí)際應(yīng)用中不管是冬季還是夏季均存在超出實(shí)際需求的狀況，至此，則會(huì)導(dǎo)致諸如泵房基建投資、變配電設(shè)備及水泵機(jī)組等方面造成不同程度浪費(fèi)的狀況，促使運(yùn)行費(fèi)用及折舊費(fèi)用的增加。

圖1 取水泵站水泵工作狀況

二、設(shè)計(jì)方案具體優(yōu)化

如果取水泵站在水源水位及供水量方面均處于在一定范圍內(nèi)進(jìn)行變化，系統(tǒng)所需要的相應(yīng)揚(yáng)程及流量所存在的坐標(biāo)點(diǎn)位于實(shí)際動(dòng)態(tài)變化中，則可斷定，如果上述內(nèi)容變化發(fā)生在冬季，用水量的增大及凈揚(yáng)程的減少則會(huì)保持同步，其相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)就會(huì)依據(jù)圖1當(dāng)中直線(xiàn)DE下方的彎線(xiàn)DFE進(jìn)行移動(dòng)，并在平均水位及流量時(shí)，出現(xiàn)，弧線(xiàn)與直線(xiàn)縱坐標(biāo)之間的最大差值。用水量的增加與凈揚(yáng)程的減少之間存在同步的關(guān)系，因此，針對(duì)任意數(shù)值的0＜a＜1，流量與凈揚(yáng)程之間均對(duì)以下關(guān)系予以滿(mǎn)足：

當(dāng)將Q表示為流量及HST表示為凈揚(yáng)程時(shí)，系統(tǒng)所需要的揚(yáng)程則可表示為：

在公式當(dāng)中，S所表示的是輸水管的比阻，HG所表示的是當(dāng)Q代表流量時(shí)，在直線(xiàn)DE上相應(yīng)G點(diǎn)的對(duì)應(yīng)縱坐標(biāo)。由于0＜a＜1，因此可得出HF＜HG，也就是在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)點(diǎn)始終位于直線(xiàn)DE以下，，如果a=0或者1時(shí)，二者之間存在相等關(guān)系，如果a=0.5時(shí)，那么二者之間所存在的差值就會(huì)最大。

通過(guò)上述分析結(jié)果可知，隨著供水量及水源水位伴隨季節(jié)的變化而變化時(shí)，其中最不利工況點(diǎn)，則會(huì)在E點(diǎn)或者D點(diǎn)出現(xiàn)，因此，在水泵選擇的過(guò)程中，僅需要將D、E兩點(diǎn)相應(yīng)供水需求給與滿(mǎn)足，則就能將處于變化過(guò)程中所存在所有點(diǎn)的供水需求予以滿(mǎn)足。如果存在水源水位在相應(yīng)變化幅度上，與輸水管水頭的損失方面的變化幅度相比，出現(xiàn)小于或等于的狀況，即（HST1-HST2）≤（Q2max-SQ2min）時(shí)，公式中HD就不能出現(xiàn)高于HE的狀況，其中所存在的最不利的供水點(diǎn)則為E點(diǎn)，在對(duì)水泵進(jìn)行選擇時(shí)，進(jìn)需要在水泵的高效區(qū)以?xún)?nèi)，對(duì)流量變化范圍進(jìn)行控制，在Q-H的曲線(xiàn)上，將HE落入其中。如果水源水位所存在變化，相比于輸水管水頭損失方面所存在的變化，明顯大于后者的狀況，針對(duì)此狀況最為理想的設(shè)計(jì)方案則是，在所選取的水泵高效區(qū)之內(nèi)，將系統(tǒng)的流量變化范圍納入其中，并且將D、E兩點(diǎn)落至相應(yīng)的水泵所存在的Q-H曲線(xiàn)上。通常強(qiáng)情況下，對(duì)于理想條件的水泵很難得到滿(mǎn)足，針對(duì)方案的優(yōu)化，最為理想的方法就是在Q-H曲線(xiàn)上，不應(yīng)將D、E兩點(diǎn)落在之上，而對(duì)于兩外一點(diǎn)，可將其落至曲線(xiàn)Q-H下方位置，也就是在不超出所選取的水泵揚(yáng)程狀況下，HD和HE與曲線(xiàn)Q-H之間越接近則越好。所以，不易將直線(xiàn)DE相應(yīng)傾斜角度放置過(guò)大，并且，在曲線(xiàn)Q-H平緩的水泵位置則最為合宜；如果存在直線(xiàn)DE再向下傾斜角過(guò)大的狀況，則可對(duì)Q-H曲線(xiàn)陡的水泵給與選擇。

在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，常常會(huì)存在單臺(tái)水泵在相應(yīng)高效區(qū)，對(duì)于揚(yáng)程及流量變化范圍無(wú)法進(jìn)行覆蓋的狀況，此時(shí)，需要對(duì)水泵的聯(lián)合工作進(jìn)行考量。如圖2所示，其所表示的是水泵在聯(lián)合工作狀況下的特性曲線(xiàn)，當(dāng)水泵處于聯(lián)合工作時(shí)，其在高校區(qū)所存在的揚(yáng)程則未發(fā)生變化，所具有的流量范圍則發(fā)生增大狀況，而曲線(xiàn)Q-H則變得更加的平緩，因此，針對(duì)數(shù)量變化特別大的系統(tǒng)較為適用。

三、取水泵站的節(jié)能改造分析

針對(duì)已建好取水泵站來(lái)講，所選擇的水泵肯定超出實(shí)際的需求狀況，在具體運(yùn)行過(guò)程中，則會(huì)造成主隊(duì)能量被浪費(fèi)的狀況，因此，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)節(jié)能改造。最主要的方法就是對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變及削葉輪，現(xiàn)就葉輪切削量相應(yīng)確定方法進(jìn)行分析。

圖2 水泵聯(lián)合工作的特性曲線(xiàn)

圖3 水泵工作特性曲線(xiàn)

如圖3所示，a當(dāng)中所表示的是單臺(tái)水泵的具體工作狀況，首先可利用最大凈揚(yáng)程HST1最大流量Qmin，對(duì)D點(diǎn)進(jìn)行確定，然后依據(jù)最小凈揚(yáng)程HST2及最大流量Qmax，將E點(diǎn)予以得出；在分別過(guò)D、E兩點(diǎn)的狀況下，實(shí)施切削拋物線(xiàn)操作，將其與水泵特性曲線(xiàn)所存在的交叉點(diǎn)D?、E?找出，然后根據(jù)切削定律，將D、E兩點(diǎn)相應(yīng)所需求的葉輪直徑予以得出，將所得結(jié)果當(dāng)中的最大者，當(dāng)做切削葉輪的最終依據(jù)。如果曲線(xiàn)Q-H和D、E兩點(diǎn)所存在的差距較為明顯時(shí)，僅需要將距離最近的一點(diǎn)的葉輪直徑予以求出便可。通過(guò)圖3可知，b所表示的是兩臺(tái)水泵聯(lián)合工作的具體工作狀況，當(dāng)對(duì)D、E兩點(diǎn)進(jìn)行確定以后，經(jīng)過(guò)D、E兩點(diǎn)的水平線(xiàn)，分別將交于Qmin/2及Qmax/2的D1和E1找到，然后采用諸如單臺(tái)水泵的方法，將各臺(tái)經(jīng)過(guò)切削后的相應(yīng)葉輪直徑予以求出。針對(duì)多臺(tái)水泵聯(lián)合工作的狀況，可采用將具體數(shù)值改為Qmin/n及Qmax/n就可完成。

如若采用改變轉(zhuǎn)速的方法愛(ài)達(dá)到節(jié)能改造的目的，其在具體的方法上與葉輪切削較為相似，僅在D、E兩點(diǎn)上所作出的拋物線(xiàn)被曾作相似工況拋物線(xiàn)，所使用的計(jì)算工作被稱(chēng)作比例律。當(dāng)節(jié)能改造采用改變轉(zhuǎn)速或切削葉輪的方法時(shí)，應(yīng)將水泵有效調(diào)速范圍及切削范圍為基礎(chǔ)，對(duì)葉輪的切削量以及轉(zhuǎn)速的下調(diào)予以確定，如果經(jīng)過(guò)計(jì)算得出結(jié)果超過(guò)有效范圍的狀況，則可將其臨界點(diǎn)作為實(shí)施下調(diào)或消減的最終依據(jù)，不然，則無(wú)法將水泵的高速運(yùn)行給與保證。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前取水泵的設(shè)計(jì)方法來(lái)講，其在供水量及水源水位所發(fā)生的變化與實(shí)際情況往往存在不相符的狀況，從而造成泵房基建投資及水泵機(jī)組浪費(fèi)的狀況，因此，可通過(guò)對(duì)冬季及夏季所存在的用水量和水源水位狀況，將起到控制作用的“需求點(diǎn)”進(jìn)行確定，在對(duì)水泵進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)始終保證需求點(diǎn)在水泵的高效區(qū)的范圍之內(nèi)，以此達(dá)到水泵效率的最大發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約和減少浪費(fèi)的目的。

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