松塔泵站供水系統節能運行優化研究

李懷忠

(晉中市水利勘測設計院，山西晉中030600)

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松塔泵站供水系統節能運行優化研究

李懷忠

(晉中市水利勘測設計院，山西晉中030600)

針對水位變幅較大的松塔供水工程，在輸水管道、水泵型號、輸水流量已經確定，泵站效率較低的情況下，分析松塔泵站供水系統能耗損失原因；研究對泵站進行變頻調速調節的方案，分析優化結果，提出了在不同水位變頻調速運行時，提高供水工程的效率的措施。

供水工程；高水位變幅；節能優化；變頻調節；優化

在進水口水位變幅較大情況下，泵站運行時水泵工作點容易偏離高效區，泵站能耗增加，從而影響整個供水系統的節能情況。對泵站進行節能調節主要通過調節水泵工況點來實現，調節離心泵工況點的途徑可分為管路特性曲線調節(節流調節、分流調節)和水泵特性曲線調節(變頻調節、變徑調節)，最常用的方式是變頻調節和變徑調節，但變徑調節具有不可逆性且調節范圍有限不易控制，變頻調速調節相對變徑調節在改變水泵性能曲線和自動控制方面具有明顯優勢。本研究以山西省松塔供水工程為例，探討水庫水位與變頻調速之間關系，即研究變頻調節在水位變幅較大的供水系統運行下的節能效果，以期提高泵站效率，為水位變幅較大的供水系統的實際運行提供技術支持。

1 工程簡介

晉中松塔壽陽供水泵站工程(供水系統見圖1)向壽陽縣提供城市及工業用水，該工程從松塔水庫[1]取水，因松塔水庫水位變幅高達21 m(水庫特征水位見表1)，供水管線全長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，該工程設計流量為0.33 m3/s，選擇埋設直徑為600 mm的輸水管，泵站水泵型號選擇為DFSS300- 4N/4C，轉速為1 480 r/min，當揚程為114、112、110 m時，流量分別為0.104 2、0.173 6、0.208 3 m3/s，效率分別為69%、77%、74%，運行方式為兩工一備。

對于該供水系統水庫、出水池特征水位組合(見表1)，理論上共產生6種特征揚程，為45、49、56、60、66 m和70 m。分別在這6種揚程工況下對水泵進行穩態運行分析，不同揚程工況下的單泵和泵站的的水力特性計算值見表2。從數據可看出在6種地形揚程工況下，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 晉中松塔壽陽供水泵站工程示意

由于直徑為600 mm的輸水管已經埋設，泵站水泵型號已經采購。本論文主要研究對泵站進行變頻調速運行方式優化，使供水系統在水庫水位變幅21 m的范圍內能以較高的泵站效率為下游提供0.33 m3/s的流量。

表1 水庫特征水位

位置最低水位/m設計水位/m最高水位/m水庫1000.01010.01021.0出水池1066.01070.01070.0

表2 不同地形揚程工況下穩態特性計算結果匯總

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

2 離心泵變頻調節數學模型

2.1 變頻調節的理論

離心泵變頻調節是利用變頻器驅動水泵，通過改變水泵轉速來調節水泵供水流量，變頻調節改變了水泵特性曲線。如圖2所示，已知未變頻調節時水泵特性曲線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，進而求出變頻之后水泵工作點，假定水泵在合理的變頻范圍內，水泵效率曲線不會發生變化，從而可以得到變頻之后水泵的效率η1。變頻調節雖在節能和控制方面有明顯優勢，但并不能無限制調節，一般變頻調節多用于減速問題，且水泵轉速下降幅度不宜超過水泵額定轉速的30%[1]。

圖2 水泵變頻調節工作示意

2.2 變頻調節數學模型

已知水泵基本參數額定轉速n、額定流量Q、額定揚程H、額定功率N、效率η，變頻調速以后水泵對應轉速為n1、流量Q1、揚程H1、功率N1、效率η1。在速度調節范圍內，根據相似特性關系，變頻調節使水泵轉速由n轉變成n1，兩工況下的流量、揚程、功率遵循比例率公式存在以下關系

(1)

水泵在額定轉速n下穩定運行時，其水泵特性曲線及效率曲線利用三次多項式擬合可表示為

H=AQ3+BQ2+CQ+D

(2)

η=EQ3+FQ2+GQ

(3)

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

H=H0+KQ2

(4)

式中，H0為泵系統凈揚程，m；K為管路特性系數，s2/m5。

聯立(1)、(2)方程式求的轉速n1下的水泵特性曲線方程

H1=α-1AQ13+BQ12+αCQ1+α2D

(5)

式中，α=n1/n，聯立式(4)、(5)，可以得到轉速n1情況下水泵特性曲線與管路特性曲線的交點A(Q1，H1)；水泵進行變頻調節以后，水泵Q-η曲線認為不變，將Q1帶入方程式(3)中，得到變頻調節以后的效率η1。

3 松塔供水工程系統節能優化分析

3.1 泵站效率低原因分析

(1)水庫水位變幅較大。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偏移高效區較遠，在出水池水位保持不變條件下，泵站在21 m的水位變幅內效率變化范圍為31.26%～45.72%。效率明顯偏低，針對該情況一般采取的措施有在水庫與泵站之間建進水池、按揚程范圍選取不同水泵組合，但該工程因水泵設備已經確定，沒有地形滿足上述要求，該措施顯然對本工程不適用。

(2)供水條件下水頭損失較大。松塔供水工程管路管徑600 mm已經埋設，運行過程中水頭損失達40.8 m，其中沿程水頭損失為36.2 m，局部水頭損失4.6 m。故本論文不考慮長距離輸水泵站管道優化設計。

基于以上的分析，本研究僅從機組的變頻調速方案入手，對供水系統的運行進行優化，以期提高供水系統的效率。

3.2 泵站變頻調速結果分析

考慮實際運行情況，假定出水池水位為設計水位且保持不變，在水庫水位變幅21 m范圍內，以1 m為間隔，對水泵進行變頻調速優化。考慮到在管路損失較大，管路特性曲線較陡時，變頻恒壓調節的局限性的情況[4]，本工程采用的是變頻變壓調速調節，計算結果見圖3。在滿足供水系統設計流量0.33 m3/s的條件下，最大限度調節兩臺水泵轉速，得到泵站效率隨揚程的變化趨勢，通過圖3可以得到：

圖3 泵站效率隨揚程變化關系

(1)當水庫水位較高，水泵提水凈揚程在49～61 m范圍時，以水庫水位變幅1 m為間隔，由以上數學模型計算可以得到泵站效率從原來的31.26%～39.91%提升到35.99%～40.34%，說明變頻調速調節對泵站節能效果明顯。

(2)當水庫水位較低，水泵提水凈揚程在62～70 m范圍時，采用變頻調速優化，使效率從原來的40.6%～45.72%減少到40.14%～42.57%，在此水位范圍內不建議采用變頻調速調節。

(3)變頻調速調節并不能無條件對泵站工程節能進行優化，在一定范圍內變頻調速調節反而使泵站能耗增加，變頻調速調節的節能效果與供水管路具有密切的關系，采用變頻調速調節應綜合考慮供水流量、供水管網設計及運行調度等問題。

(4)供水工程整體效率偏低，變頻調速對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，因此對長距離供水系統節能優化應該研究減少壓力管路水頭損失的可能性。

3.3 影響變頻調速優化效果的因素分析

松塔供水工程管路水頭損失占總揚程的比例較大，管路特性曲線較陡，理論上變頻調速調節對泵站節能的效果比較明顯[4]，但計算結果顯示恰恰相反，變頻調速調節并未對泵站效率提高起到較大作用。分析原因主要有以下兩點：一是變頻調速范圍較小，在21 m的水位變幅內，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，變頻調速調節時相對應的變頻比(變頻后水泵轉速與原水泵轉速之比)上限范圍為0.98～0.89，較規定中允許可變頻調速調節范圍而言，松塔供水工程泵站變頻調速調節范圍太小，因此對泵站節能優化并未起到較明顯效果。二是管路水頭損失過大，從上文可以看出管路水頭損失約是凈揚程的一半，管路能耗過大為泵站效率較低的主要原因，管路水頭損失過大主要是由于管路距離較長，管路直徑與供水流量、水泵型號之間匹配不合理等原因造成[5]。

4 結 論

(1研究利用變頻調速調節措施對松塔供水工程進行節能優化，提出不同水位變頻調速運行措施，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，提水凈揚程在49～61 m范圍時，變頻調速調節使泵站效率從原來的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速調節；提水凈揚程在62～70 m范圍時，變頻調速調節使泵站效率從原來的40.6%～45.72%降低到40.14%～42.57%，此范圍不建議采用變頻調速調節對泵站進行節能優化，可通過修建調蓄池調節水量。

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

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

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

[4]譚勁， 陳元莉. 影響水泵變頻調速節能效果的因素探討[J]. 中國給水排水. 2007， 23(10)： 88- 91．

[5]許建建. 泵后長距離供水管道系統優化設計探討[J]. 地下水. 2011， 33(5)： 103- 104．

(責任編輯 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

山西國際合作項目資助(2013081034)；山西省水利廳水利技術項目研究與推廣項目資助；2015年度山西省研究生教育創新項目資助(2015SY18)

李懷忠(1969—)，男，山西祁縣人，高級工程師，研究方向為供水工程理論技術．

TV675

A

0559- 9342(2016)06- 0074- 03