1 引言

根據(jù)gbj13-86室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范，取水泵站選泵設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮供水保證率達(dá)到90~99%[1]的最低原水水位和泵站供水規(guī)模的最大出水量。然而由于自然界的規(guī)律，我國(guó)冬季12~3月為河流的枯水期，屆時(shí)江河水位最低，水泵所需的靜揚(yáng)程高，泵站供水量小，如圖1、2中a點(diǎn)所示;7~9月夏季高峰供水時(shí)，江河水位由于豐水期的來(lái)臨而上升，雖然泵站供水量增大了不少，但水泵的靜揚(yáng)程有所下降，如圖1、2中b點(diǎn)所示。室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范依據(jù)的最大供水量和最低水位這兩個(gè)因素存在著明顯的季節(jié)差異，同時(shí)出現(xiàn)的概率很小，照搬教條按規(guī)范設(shè)計(jì)的取水泵站的揚(yáng)程和流量參數(shù)選擇會(huì)非常不合理，造成泵站絕大部分時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)參數(shù)存在較大的差別，運(yùn)行能耗和基建投資的浪費(fèi)較大[2]。但若只考慮正常年份的水位水量變化而不按規(guī)范要求設(shè)計(jì)，萬(wàn)一在夏季高峰供水時(shí)出現(xiàn)干旱，江河水位下降至最低，而此時(shí)供水量又要求最大;或冬季枯水期時(shí)由于某種特殊情況而需要最大供水量，如圖1、2中c點(diǎn)所示，那么投資巨大的取水泵站將不能發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2 水位、水量的變化以及存在問(wèn)題

以南京地區(qū)的長(zhǎng)江水位變化為例，夏季豐水期平均高水位為9.50m(吳淞標(biāo)高，下同)。冬季枯水期平均低水位為2.50m，而設(shè)計(jì)時(shí)考慮的極限低水位1.42m，幾乎很難出現(xiàn)。一年中供水量較大的時(shí)間集中在7、8、9月份，此時(shí)江河的水位較高，而低水位時(shí)的12、1、2、3月份需水量比較少。
在很多場(chǎng)合，設(shè)計(jì)人員往往偏重考慮安全供水因素，一般都按規(guī)范要求進(jìn)行選泵設(shè)計(jì)，即按供水保證率達(dá)到90~99%[1]的最低取水水位和泵站供水規(guī)模的最大出水量(圖1、2中c點(diǎn)工況)設(shè)計(jì)。水廠反應(yīng)池標(biāo)高是恒定的，但江河水位隨季節(jié)更迭而變化且幅度比較大時(shí)，水泵的靜揚(yáng)程也發(fā)生較大的變化。
理想狀態(tài)的設(shè)計(jì)認(rèn)為可以做到僅靠調(diào)節(jié)水泵并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行中的流量、揚(yáng)程的變化，如圖1、2中a、b、c點(diǎn)所示。但據(jù)筆者調(diào)查大多數(shù)的取水泵站需要調(diào)節(jié)管路閥門的開(kāi)度配合水泵并聯(lián)運(yùn)行臺(tái)數(shù)的增減來(lái)適應(yīng)流量及揚(yáng)程的變化.如圖3中a1，b1點(diǎn)所示，那么a1-a,b1-b之間剩余揚(yáng)程的能量消耗在閥門上，長(zhǎng)年累月能量的浪費(fèi)是十分驚人的。

圖1 江河枯/豐水期水位變化及冬/夏季源水泵站供水量變化1

圖2 江河枯/豐水期水位變化及冬/夏源水泵站供水量變化2

圖3 大多數(shù)泵站的實(shí)際工況曲線

因此按百年一遇(即供水保證率90~99%)的極限低水位和最大供水量來(lái)選擇水泵的取水泵站肯定會(huì)出現(xiàn)閑置的水泵臺(tái)數(shù)較多，水泵絕大部分時(shí)間不在工況點(diǎn)運(yùn)行而需依靠關(guān)小閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)。大量閑置的固定資產(chǎn)和日常運(yùn)行的高能耗使取水泵站的經(jīng)濟(jì)性無(wú)從談起。

3 經(jīng)濟(jì)性水泵選型和調(diào)速設(shè)計(jì)的原則

水泵額定數(shù)據(jù)是對(duì)應(yīng)于水泵效率最高點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)，在該點(diǎn)左右兩側(cè)不低于最高效率10%的一定范圍內(nèi)，都屬于效率較高的區(qū)段[3]。最理想的設(shè)計(jì)方案應(yīng)該是泵站的流量、揚(yáng)程變化范圍在所選水泵的高效區(qū)內(nèi)，但實(shí)際上不一定能選擇到滿足理想條件的水泵。而且在工程實(shí)際中，經(jīng)常遇到單臺(tái)水泵的高效區(qū)無(wú)法覆蓋泵站流量、揚(yáng)程變化范圍的情況，這時(shí)就需要依靠多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行來(lái)完成。水泵并聯(lián)時(shí)按揚(yáng)程不變，流量疊加的原理工作(如圖4所示)。水泵q-h曲線變得越來(lái)越平緩，因而更適應(yīng)流量變化比較大而揚(yáng)程變化比較小的泵站。

圖4 水泵并聯(lián)工況圖

圖5 水泵調(diào)速的特性變化與江河水位變化之管道特性曲線變化

江河水位的升高，表現(xiàn)在水泵靜揚(yáng)程的減少，管道特性曲線平行下移。此時(shí)工況點(diǎn)往往會(huì)移出水泵的高效區(qū)。如果能同時(shí)改變水泵轉(zhuǎn)速，水泵特性曲線q-h同時(shí)平行下移，那么水泵特性曲線q-h和管路特性曲線這兩族曲線就能在abcd(如圖5所示)的區(qū)域內(nèi)相交，在這塊區(qū)域內(nèi)的各個(gè)工況點(diǎn)上，無(wú)論是流量還是揚(yáng)程，水泵都能適應(yīng)它們的變化。從而充分利用了水位的勢(shì)能，節(jié)省電耗。
按水泵相似工況定律, 有:
qn/ q0= nn/n0 (1)
hn/ h0=(nn/n0)2 (2)
pn/ p0=(nn/n0)3 (3)
式中:n0，q0，h0，p0分別為全速泵之轉(zhuǎn)速，流量、揚(yáng)程、功率。
nn，qn，hn，pn分別為變速泵之轉(zhuǎn)速，流量、揚(yáng)程、功率。
所以調(diào)速恰恰能彌補(bǔ)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)q-h曲線變得平緩而不能適應(yīng)原水水位變化大但流量變化小的短處。
從圖1、2的兩種情況可以看出，取水泵站的常規(guī)運(yùn)行是在夏季高水位低揚(yáng)程大水量的b點(diǎn)和冬季低水位高揚(yáng)程小水量的a點(diǎn)及其區(qū)間里。則經(jīng)濟(jì)性選泵和調(diào)速原則的出發(fā)點(diǎn)可以分為兩種:
(1) 以圖1中b點(diǎn)為選泵的基準(zhǔn)點(diǎn)，且水泵在b點(diǎn)運(yùn)行適應(yīng)位于其相應(yīng)高效區(qū)的右側(cè)，若b點(diǎn)水量是單臺(tái)水泵是可以滿足的，而a點(diǎn)及a-b之間區(qū)域的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可以依靠降低水泵機(jī)組運(yùn)行速度來(lái)解決;若b點(diǎn)水量必須數(shù)臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行才能達(dá)到時(shí)，則a點(diǎn)及a-b之間區(qū)域的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可以用減少并聯(lián)水泵臺(tái)數(shù)[2]、降低水泵機(jī)組速度的組合方法來(lái)解決。
(2) 以圖2中a點(diǎn)作為選泵的基準(zhǔn)點(diǎn)，且水泵在a點(diǎn)運(yùn)行適應(yīng)位于其相應(yīng)高效區(qū)的左側(cè)，若a點(diǎn)水量是單臺(tái)水泵可以滿足的，則b點(diǎn)及a-b之間區(qū)域的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可以依靠降低水泵機(jī)組運(yùn)行速度來(lái)解決;若a點(diǎn)水量必須數(shù)臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行才能達(dá)到時(shí)，則b點(diǎn)及a-b之間區(qū)域的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行可以用減少并聯(lián)水泵臺(tái)數(shù)[2]、降低水泵機(jī)組速度的組合方法來(lái)解決。

4 可靠性水泵選型和調(diào)速設(shè)計(jì)的對(duì)策

根據(jù)gbj13-86的設(shè)計(jì)規(guī)范，取水泵站選泵設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮供水保證率達(dá)到90~99%的最低水位和泵站供水規(guī)模最大時(shí)的出水量，即圖1、2中c點(diǎn)的要求。但正如本文前面分析所述，取水泵站由于自然界的規(guī)律而經(jīng)常運(yùn)行于a-b之間的區(qū)域內(nèi)，只有在夏季高溫干旱或冬季出現(xiàn)特大供水量需求的特殊條件下，才會(huì)出現(xiàn)c點(diǎn)的情況，這就是源水泵站選泵設(shè)計(jì)的可靠性所在。
水泵機(jī)組采用變頻調(diào)速技術(shù)，并且在a-b之間正常運(yùn)行區(qū)域內(nèi)時(shí)均采用低于50hz的變頻運(yùn)行狀態(tài)，按實(shí)際情況需要時(shí)將運(yùn)行頻率上調(diào)至55hz甚至更高一點(diǎn)的超工頻運(yùn)行狀態(tài)，則根據(jù)式(1)、(2)、(3)的規(guī)律，可以滿足c點(diǎn)的運(yùn)行工況。

5 需要注意的事項(xiàng)

(1) 電動(dòng)機(jī)功率的匹配
由于式(3)的關(guān)系，在采用調(diào)高頻率進(jìn)行超過(guò)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，必須對(duì)水泵和電動(dòng)機(jī)的功率進(jìn)行校核。因?yàn)樗玫妮S功率是隨著流量、揚(yáng)程的變化而變化，水泵配置的電動(dòng)機(jī)功率均按水泵單機(jī)運(yùn)行的最大軸功率選擇。由圖4可見(jiàn)，兩臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)f，其流量為q1+2，揚(yáng)程為h2。折算到單臺(tái)水泵時(shí)的揚(yáng)程仍為h2，流量為q1，2。該流量小于單臺(tái)水泵工作時(shí)的流量q1;其軸功率p1，2也小于單泵工作時(shí)的軸功率p1。多臺(tái)水泵在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率更小于單泵運(yùn)行時(shí)的功率[3]。所以在選配電動(dòng)機(jī)時(shí)，其功率按常規(guī)配置就足夠了。但應(yīng)校核水泵在并聯(lián)且調(diào)速運(yùn)行時(shí)，其電動(dòng)機(jī)的輸出功率一般不小于75%的額定值。以保證調(diào)速狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)也處于高效區(qū)內(nèi)。在多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行還不能滿足最大流量最高揚(yáng)程(即c點(diǎn))的工況，而需要將頻率調(diào)至55hz時(shí)按式(3)
pp=(55/50)3 p1=1.13 p1=1.331 p1 (4)
反之，p1=0.751 pp (5)
所以當(dāng)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可在電動(dòng)機(jī)功率不超載的前提下，實(shí)現(xiàn)前述超速的安全運(yùn)行。
(2) 水泵汽蝕余量的校核
由于水泵的npsh(必需的汽蝕余量)在實(shí)行超速運(yùn)行工況時(shí)，會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而上升，但水泵的安裝高度是恒定的，c點(diǎn)的工況條件是最低水位時(shí)的最大流量，所以在為滿足c點(diǎn)要求采取的對(duì)策時(shí)，npsh的校核是保證泵站安全運(yùn)行的必備條件。
(3) 電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)
當(dāng)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)處于輕載狀態(tài)，其功率因數(shù)cosф有一定的下降，這可以通過(guò)電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)解決。在為實(shí)現(xiàn)c點(diǎn)運(yùn)行要求而進(jìn)行超速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)功率會(huì)隨著負(fù)載的加重而逐漸向滿載甚至輕微超載的狀態(tài)靠攏，功率因數(shù)也逐漸上升，就有可能出現(xiàn)功率因數(shù)過(guò)補(bǔ)償而不經(jīng)濟(jì)的狀況。但因?yàn)閏點(diǎn)是非正常的極端情況，發(fā)生的機(jī)會(huì)很少，即使功率因數(shù)不經(jīng)濟(jì)也同樣作為小概率事件可以忽略不計(jì)。
(4) 機(jī)械強(qiáng)度的考慮
目前國(guó)內(nèi)水泵、電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度能滿足上述小范圍超速運(yùn)行的需要。因?yàn)樵跒?0hz的工況條件下生產(chǎn)水泵及電動(dòng)機(jī)時(shí)，制造者僅需改變工藝參數(shù)設(shè)計(jì)而保持原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)不變。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)江河水位變化較大時(shí)，水泵靜揚(yáng)程變化也較大。冬季低水位時(shí)供水量小，夏季高水位時(shí)供水量大，這是自然界的規(guī)律。取水泵站選泵設(shè)計(jì)應(yīng)分別根據(jù)實(shí)際情況按正常年份冬季水位水量和夏季水位水量來(lái)選取合適的泵型再配以變頻調(diào)速，以確保泵站的高效運(yùn)行，這才符合選泵和調(diào)速設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性的要求;同時(shí)還應(yīng)校核設(shè)計(jì)規(guī)范要求的在最低水位情況下，泵站能否滿足最大供水量的要求，這是選泵和調(diào)速設(shè)計(jì)的可靠性所要求的。

參考文獻(xiàn)
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[3] 姜乃昌. 水泵和泵站(第2版).北京:中國(guó)建筑工出版社,1987.

作者簡(jiǎn)介

陶偉峰(1963-) 男 高級(jí)電氣工程師 現(xiàn)于蘇州新區(qū)自來(lái)水公司，主要從事水工業(yè)方面的電氣自動(dòng)化應(yīng)用。