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

(福州大學土木工程學院，福建福州350108)

傳統的定速泵供水雖然也能在一定的高效范圍內運行，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，變頻供水技術的出現較好的解決了這些弊端。《建筑給水排水設計規范》(GB50015—2003，2009年版，以下簡稱“建水規”)［1］第3.8.4款規定“生活給水系統采用調速泵組供水時，應按系統最大設計流量選泵，調速泵在額定轉速時的工作點，應位于水泵高效區的末端。”具體而言，即繪制的額定轉速下并聯水泵工作特性曲線與管路特性曲線的交點應為最不利工況點，此時定速泵工作點應位于水泵高效區內，調速泵工作點應位于水泵高效區的末端。

由于住宅生活用水量變化較大，使得調速泵工作點存在脫離高效區域的可能，因此，如何盡可能擴大高效運行的流量范圍以降低系統的運行能耗應引起重視。不同的水泵組合運行方式對應不同的高效流量段，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:①兩臺工作泵的吸水口至出水管匯合點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。

若計算得到系統最大流量為Qmax，系統設計揚程為HG，那么在滿足不同兩用組合下并聯工作特性曲線均交于最不利工況點(Qmax，HG)時，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行或兩臺工作泵都高效運行，否則為“低效”。

2.1 兩臺同型號水泵(1臺調速+1臺定速)

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

圖1 同型號水泵并聯工作

表2 不同流量段水泵運行狀態－①

由于兩臺水泵型號相同，當用水量位于QB附近時，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)流量段運行時脫離高效區，因此，工程設計中應盡量避免采用該方案。

2.2 兩臺同型號水泵(2臺調速)

如圖1，為了(QB，QA+QB)流量段可以由2臺調速泵各自調速運行于高效區間，現假設某一流量Qi滿足QB≤Qi≤QA+QB，若此時兩臺調速泵分別供應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。工程設計中，如果選用這種組合方案供水時，盡量選擇QB/QA比值較大的水泵，滿足該條件的調速泵在不同流量段下水泵運行情況見表3。對比表2和表3可知，采用2臺同型號調速泵可以實現高效流量段的擴大。

表3 不同流量段水泵運行狀態－②

2.3 兩臺不同型號水泵(小泵調速+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，仍可采用等揚程下流量疊加的方法繪制水泵并聯工作特性曲線。假定定速泵的高效范圍為A－B段，調速泵額定轉速下的高效范圍為C－D段，那么不同流量段下水泵運行情況見表4。

圖2 不同型號水泵并聯工作

表4 不同流量段水泵運行狀態－③

觀察表1和表4，方案①中組合水泵在(QB，QA+QB)流量區間低效運行，方案③中組合水泵在(QB，QB+QC)區間也低效運行。對同一供水系統而言，區間差值QA＞QC，即采用不同型號水泵組合時可以縮小低效運行流量段。該方案在流量區間(QD，QB)供水時，系統供水壓力超過設定恒壓值，如果(QD，QB)區間范圍不大時，調速小泵也容易頻繁啟停。因此，工程設計中應避免采用該方案。

2.4 兩臺不同型號水泵(小泵定速+大泵調速)

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

表5 不同流量段水泵運行狀態－④

觀察圖2，如果(QD+QA)＜QB并且QD＞QA時，那么流量處于(QD，QB)區間時，只要開啟調速大泵就能滿足高效供水。此時，只要用水量Qi＞QA，水泵就能實現全流量高效運行。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，可以較大程度的擴大水泵機組高效運行的流量區間。

觀察表5，只有當流量大于QB時，定速小泵才開啟運行，相對方案③工作泵的三種狀態，水泵的運行調度更加合理，高效運行的流量范圍更大，但變頻器容量增大，一次性投資增加。因此，僅從提高水泵運行效率的角度出發，選擇大泵調速、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(小泵調速+大泵調速)

如圖2，為了使用水量介于(QB，QB+QC)流量區間時，水泵運行效率仍處在高效區域內，可開啟大小泵共同調速實現。現假設某一流量Qi滿足QB≤Qi≤QB+QC，若此時調速小泵、調速大泵分別供應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間高效運行的前提條件。

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

表6 不同流量段水泵運行狀態－⑤

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

3 結束語

通過分析出口恒壓變頻供水系統中不同的兩用組合方案，可以得出以下結論:

(1)不同的兩用組合有不同的高效流量區間、不同的水泵調度方式;增加調速泵的臺數，可以擴大高效運行的流量區間。

(2)不論采用何種組合方案，小流量區間內水泵機組低效運行總是存在的，當配置氣壓罐供應小流量時，選用小泵調速、大泵定速或大小泵均調速可以減小氣壓罐容積，降低造價。

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

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

(5)采用大小泵均調速運行的組合方案是最優方案，在綜合考慮各種因素下，采用大小泵共同調速運行是性價比較高的兩用配置方案，工程設計中應優先考慮該方案。

［1］GB 50015－2003(2009年版)建筑給水排水設計規范［S］