李懷忠

(晉中市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西晉中030600)

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松塔泵站供水系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化研究

李懷忠

(晉中市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西晉中030600)

針對(duì)水位變幅較大的松塔供水工程，在輸水管道、水泵型號(hào)、輸水流量已經(jīng)確定，泵站效率較低的情況下，分析松塔泵站供水系統(tǒng)能耗損失原因；研究對(duì)泵站進(jìn)行變頻調(diào)速調(diào)節(jié)的方案，分析優(yōu)化結(jié)果，提出了在不同水位變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，提高供水工程的效率的措施。

供水工程；高水位變幅；節(jié)能優(yōu)化；變頻調(diào)節(jié)；優(yōu)化

在進(jìn)水口水位變幅較大情況下，泵站運(yùn)行時(shí)水泵工作點(diǎn)容易偏離高效區(qū)，泵站能耗增加，從而影響整個(gè)供水系統(tǒng)的節(jié)能情況。對(duì)泵站進(jìn)行節(jié)能調(diào)節(jié)主要通過(guò)調(diào)節(jié)水泵工況點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)離心泵工況點(diǎn)的途徑可分為管路特性曲線調(diào)節(jié)(節(jié)流調(diào)節(jié)、分流調(diào)節(jié))和水泵特性曲線調(diào)節(jié)(變頻調(diào)節(jié)、變徑調(diào)節(jié))，最常用的方式是變頻調(diào)節(jié)和變徑調(diào)節(jié)，但變徑調(diào)節(jié)具有不可逆性且調(diào)節(jié)范圍有限不易控制，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)相對(duì)變徑調(diào)節(jié)在改變水泵性能曲線和自動(dòng)控制方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本研究以山西省松塔供水工程為例，探討水庫(kù)水位與變頻調(diào)速之間關(guān)系，即研究變頻調(diào)節(jié)在水位變幅較大的供水系統(tǒng)運(yùn)行下的節(jié)能效果，以期提高泵站效率，為水位變幅較大的供水系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行提供技術(shù)支持。

1 工程簡(jiǎn)介

晉中松塔壽陽(yáng)供水泵站工程(供水系統(tǒng)見(jiàn)圖1)向壽陽(yáng)縣提供城市及工業(yè)用水，該工程從松塔水庫(kù)[1]取水，因松塔水庫(kù)水位變幅高達(dá)21 m(水庫(kù)特征水位見(jiàn)表1)，供水管線全長(zhǎng)11.505 km，由于地形和其他建筑物的限制，管線起伏變化較大是其主要特點(diǎn)，該工程設(shè)計(jì)流量為0.33 m3/s，選擇埋設(shè)直徑為600 mm的輸水管，泵站水泵型號(hào)選擇為DFSS300- 4N/4C，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min，當(dāng)揚(yáng)程為114、112、110 m時(shí)，流量分別為0.104 2、0.173 6、0.208 3 m3/s，效率分別為69%、77%、74%，運(yùn)行方式為兩工一備。

對(duì)于該供水系統(tǒng)水庫(kù)、出水池特征水位組合(見(jiàn)表1)，理論上共產(chǎn)生6種特征揚(yáng)程，為45、49、56、60、66 m和70 m。分別在這6種揚(yáng)程工況下對(duì)水泵進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析，不同揚(yáng)程工況下的單泵和泵站的的水力特性計(jì)算值見(jiàn)表2。從數(shù)據(jù)可看出在6種地形揚(yáng)程工況下，泵站均能滿足下游0.33 m3/s的流量需求且單泵效率較高，但泵站效率相應(yīng)為28.482%、31.26%、36.15%、38.395%、43.052%、45.72%，泵站效率均較低。

圖1 晉中松塔壽陽(yáng)供水泵站工程示意

由于直徑為600 mm的輸水管已經(jīng)埋設(shè)，泵站水泵型號(hào)已經(jīng)采購(gòu)。本論文主要研究對(duì)泵站進(jìn)行變頻調(diào)速運(yùn)行方式優(yōu)化，使供水系統(tǒng)在水庫(kù)水位變幅21 m的范圍內(nèi)能以較高的泵站效率為下游提供0.33 m3/s的流量。

表1 水庫(kù)特征水位

位置最低水位/m設(shè)計(jì)水位/m最高水位/m水庫(kù)1000.01010.01021.0出水池1066.01070.01070.0

表2 不同地形揚(yáng)程工況下穩(wěn)態(tài)特性計(jì)算結(jié)果匯總

特征值參數(shù)工作流量Q/m3·s-1工作揚(yáng)程H/m效率η/%功率N/kW最小地形揚(yáng)程H1(45m)單泵0.216109.47772.938317.815泵站0.432109.47728.482669.084地形揚(yáng)程H2(49m)單泵0.21109.90173.803306.436泵站0.42109.90131.26645.126地形揚(yáng)程H3(56m)單泵0.199110.62275.168286.809泵站0.397110.62236.15603.808設(shè)計(jì)地形揚(yáng)程H4(60m)單泵0.192111.02275.837275.747泵站0.384111.02238.935580.52地形揚(yáng)程H5(66m)單泵0.182111.60276.631259.336泵站0.363111.60243.052545.971最大地形揚(yáng)程H6(70m)單泵0.174111.97476.981248.496泵站0.348111.97445.720523.149

2 離心泵變頻調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型

2.1 變頻調(diào)節(jié)的理論

離心泵變頻調(diào)節(jié)是利用變頻器驅(qū)動(dòng)水泵，通過(guò)改變水泵轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)水泵供水流量，變頻調(diào)節(jié)改變了水泵特性曲線。如圖2所示，已知未變頻調(diào)節(jié)時(shí)水泵特性曲線Q-H曲線、管路特性曲線Q-H需曲線及水泵效率曲線Q-η曲線，在知道水泵變頻之后的轉(zhuǎn)速的情況下，利用比列律公式可以推算出變頻之后的水泵特性曲線Q1-H1曲線，進(jìn)而求出變頻之后水泵工作點(diǎn)，假定水泵在合理的變頻范圍內(nèi)，水泵效率曲線不會(huì)發(fā)生變化，從而可以得到變頻之后水泵的效率η1。變頻調(diào)節(jié)雖在節(jié)能和控制方面有明顯優(yōu)勢(shì)，但并不能無(wú)限制調(diào)節(jié)，一般變頻調(diào)節(jié)多用于減速問(wèn)題，且水泵轉(zhuǎn)速下降幅度不宜超過(guò)水泵額定轉(zhuǎn)速的30%[1]。

圖2 水泵變頻調(diào)節(jié)工作示意

2.2 變頻調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型

已知水泵基本參數(shù)額定轉(zhuǎn)速n、額定流量Q、額定揚(yáng)程H、額定功率N、效率η，變頻調(diào)速以后水泵對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為n1、流量Q1、揚(yáng)程H1、功率N1、效率η1。在速度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，根據(jù)相似特性關(guān)系，變頻調(diào)節(jié)使水泵轉(zhuǎn)速由n轉(zhuǎn)變成n1，兩工況下的流量、揚(yáng)程、功率遵循比例率公式存在以下關(guān)系

(1)

水泵在額定轉(zhuǎn)速n下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其水泵特性曲線及效率曲線利用三次多項(xiàng)式擬合可表示為

H=AQ3+BQ2+CQ+D

(2)

η=EQ3+FQ2+GQ

(3)

式(2)、(3)中A、B、C、D、E、F、G等系數(shù)為利用水泵廠家提供的水泵特性數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合[2]得到。另外管路特性曲線方程為

H=H0+KQ2

(4)

式中，H0為泵系統(tǒng)凈揚(yáng)程，m；K為管路特性系數(shù)，s2/m5。

聯(lián)立(1)、(2)方程式求的轉(zhuǎn)速n1下的水泵特性曲線方程

H1=α-1AQ13+BQ12+αCQ1+α2D

(5)

式中，α=n1/n，聯(lián)立式(4)、(5)，可以得到轉(zhuǎn)速n1情況下水泵特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)A(Q1，H1)；水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)以后，水泵Q-η曲線認(rèn)為不變，將Q1帶入方程式(3)中，得到變頻調(diào)節(jié)以后的效率η1。

3 松塔供水工程系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化分析

3.1 泵站效率低原因分析

(1)水庫(kù)水位變幅較大。因最高水位與最低水位相差21 m，較大水位變幅使水泵工況點(diǎn)偏移高效區(qū)較遠(yuǎn)，在出水池水位保持不變條件下，泵站在21 m的水位變幅內(nèi)效率變化范圍為31.26%～45.72%。效率明顯偏低，針對(duì)該情況一般采取的措施有在水庫(kù)與泵站之間建進(jìn)水池、按揚(yáng)程范圍選取不同水泵組合，但該工程因水泵設(shè)備已經(jīng)確定，沒(méi)有地形滿足上述要求，該措施顯然對(duì)本工程不適用。

(2)供水條件下水頭損失較大。松塔供水工程管路管徑600 mm已經(jīng)埋設(shè)，運(yùn)行過(guò)程中水頭損失達(dá)40.8 m，其中沿程水頭損失為36.2 m，局部水頭損失4.6 m。故本論文不考慮長(zhǎng)距離輸水泵站管道優(yōu)化設(shè)計(jì)。

基于以上的分析，本研究?jī)H從機(jī)組的變頻調(diào)速方案入手，對(duì)供水系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，以期提高供水系統(tǒng)的效率。

3.2 泵站變頻調(diào)速結(jié)果分析

考慮實(shí)際運(yùn)行情況，假定出水池水位為設(shè)計(jì)水位且保持不變，在水庫(kù)水位變幅21 m范圍內(nèi)，以1 m為間隔，對(duì)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速優(yōu)化?？紤]到在管路損失較大，管路特性曲線較陡時(shí)，變頻恒壓調(diào)節(jié)的局限性的情況[4]，本工程采用的是變頻變壓調(diào)速調(diào)節(jié)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。在滿足供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量0.33 m3/s的條件下，最大限度調(diào)節(jié)兩臺(tái)水泵轉(zhuǎn)速，得到泵站效率隨揚(yáng)程的變化趨勢(shì)，通過(guò)圖3可以得到：

圖3 泵站效率隨揚(yáng)程變化關(guān)系

(1)當(dāng)水庫(kù)水位較高，水泵提水凈揚(yáng)程在49～61 m范圍時(shí)，以水庫(kù)水位變幅1 m為間隔，由以上數(shù)學(xué)模型計(jì)算可以得到泵站效率從原來(lái)的31.26%～39.91%提升到35.99%～40.34%，說(shuō)明變頻調(diào)速調(diào)節(jié)對(duì)泵站節(jié)能效果明顯。

(2)當(dāng)水庫(kù)水位較低，水泵提水凈揚(yáng)程在62～70 m范圍時(shí)，采用變頻調(diào)速優(yōu)化，使效率從原來(lái)的40.6%～45.72%減少到40.14%～42.57%，在此水位范圍內(nèi)不建議采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)。

(3)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)并不能無(wú)條件對(duì)泵站工程節(jié)能進(jìn)行優(yōu)化，在一定范圍內(nèi)變頻調(diào)速調(diào)節(jié)反而使泵站能耗增加，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)的節(jié)能效果與供水管路具有密切的關(guān)系，采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)應(yīng)綜合考慮供水流量、供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)度等問(wèn)題。

(4)供水工程整體效率偏低，變頻調(diào)速對(duì)本工程效率雖然有一定程度的提高，但效果并不明顯，主要是由于壓力管路水頭損失較大的原因所致，因此對(duì)長(zhǎng)距離供水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化應(yīng)該研究減少壓力管路水頭損失的可能性。

3.3 影響變頻調(diào)速優(yōu)化效果的因素分析

松塔供水工程管路水頭損失占總揚(yáng)程的比例較大，管路特性曲線較陡，理論上變頻調(diào)速調(diào)節(jié)對(duì)泵站節(jié)能的效果比較明顯[4]，但計(jì)算結(jié)果顯示恰恰相反，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)并未對(duì)泵站效率提高起到較大作用。分析原因主要有以下兩點(diǎn)：一是變頻調(diào)速范圍較小，在21 m的水位變幅內(nèi)，泵站提水流量范圍為0.348～0.432 m3/s，如果要滿足供水流量0.33 m3/s，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)時(shí)相對(duì)應(yīng)的變頻比(變頻后水泵轉(zhuǎn)速與原水泵轉(zhuǎn)速之比)上限范圍為0.98～0.89，較規(guī)定中允許可變頻調(diào)速調(diào)節(jié)范圍而言，松塔供水工程泵站變頻調(diào)速調(diào)節(jié)范圍太小，因此對(duì)泵站節(jié)能優(yōu)化并未起到較明顯效果。二是管路水頭損失過(guò)大，從上文可以看出管路水頭損失約是凈揚(yáng)程的一半，管路能耗過(guò)大為泵站效率較低的主要原因，管路水頭損失過(guò)大主要是由于管路距離較長(zhǎng)，管路直徑與供水流量、水泵型號(hào)之間匹配不合理等原因造成[5]。

4 結(jié) 論

(1研究利用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)措施對(duì)松塔供水工程進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，提出不同水位變頻調(diào)速運(yùn)行措施，一定程度上提高了供水工程的效率。

(2)在滿足供水流量的條件下，提水凈揚(yáng)程在49～61 m范圍時(shí)，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)使泵站效率從原來(lái)的31.26%～39.91%提升到35.99%～40.34%，泵站效率最大可提升4.7%，此范圍建議采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)；提水凈揚(yáng)程在62～70 m范圍時(shí)，變頻調(diào)速調(diào)節(jié)使泵站效率從原來(lái)的40.6%～45.72%降低到40.14%～42.57%，此范圍不建議采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)對(duì)泵站進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化，可通過(guò)修建調(diào)蓄池調(diào)節(jié)水量。

[1]李燕紅. 松塔水庫(kù)建設(shè)的必要性分析[J]. 山西水利. 2007(4)： 68- 69．

[2]欒鴻儒. 水泵及水泵站[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 1993．

[3]吳建華， 欒鴻儒. 離心泵變速調(diào)節(jié)節(jié)能淺析[J]. 節(jié)能技術(shù)， 1993， 12(2)： 26- 28．

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[5]許建建. 泵后長(zhǎng)距離供水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討[J]. 地下水. 2011， 33(5)： 103- 104．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Optimization Research on Energy Saving Operation of Songta Water Supply Pumping System

LI Huaizhong

(Jinzhong Survey and Design Institute of Water Conservancy, Jinzhong 030600, Shanxi, China)

The operation efficiency of pump station in Sonata Water Supply Project which has a large water level variation is low and the causes of energy loss of water supply system are analyzed. As the water pipe system allocation, water pump model and water flow volume cannot be changed, and the operation efficiency improvement scheme is only studied from the aspect of variable frequency regulation of pumps. The variable frequency regulation of pumps is analyzed and the measures for improving the operation efficiency under different operation level are proposed．

water supply project; large water level variation; energy saving; variable frequency regulation; optimization

2015- 12- 25

山西國(guó)際合作項(xiàng)目資助(2013081034)；山西省水利廳水利技術(shù)項(xiàng)目研究與推廣項(xiàng)目資助；2015年度山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目資助(2015SY18)

李懷忠(1969—)，男，山西祁縣人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楣┧こ汤碚摷夹g(shù)．

TV675

A

0559- 9342(2016)06- 0074- 03