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二次加压泵站的运行调节及节能分析

发布时间:2021/04/20 来源:www.kfsiwei.com 点击量:

能源是普遍重视的问题。我国是能源生产和消费大国 ,能源利用率不高 ,节能空间巨大。随着城市建设规模 的不断扩大 ,高层建筑不断增多 ,居住环境越来越集中 ,使得城 市供水系统供水水压不能满足用户的要求 ,存在着供水不足的 问题。国内城市供水多采用分级加压供水 ,通过二次加压来满 足用户的需要。 加压泵站装机通常是按最不利条件下的最大时流量和所 需扬程配置的 ,且在实际运行中 ,由于用户需水量是随时间发生变化 ,水泵长期处于低负荷和变负荷运行状态。因而 ,采用 合适的运行调节方式 ,提高水泵机组的运行效率 ,降低供水系 统的能耗 ,以在短期内实现节能的目的。

1、二次加压泵站供水方式

    对加压泵站运行状态进行调节 ,如控制流量、 压力或液位 , 是为了满足用户对供水流量和压力的要求。水泵的运行调节方式很多 ,主要有非调速调节和调速调节两大类 ,非调速调节方式主要有节流、分流、 泵的串并联和汽蚀调节等;调速调节包括液力耦合器调速、 调压调速、变极调速、串接调速、直流电动机调速调节 ,以及随变频技术工业发展的变频调速调节

 

目前,二次加压泵站常用的供水方式有以下几种。

(1) 水泵全速节流供水。

(2) 水泵变频调速恒压变流供水。

(3) 水泵变频调速变压变流供水。

(4) 水泵直连变频调速变压变流供水。

    虽然各种运行方式都可以实现调节和控制 ,但由于各种调节方式的原理不同,其能耗不同。

    2水泵全速节流供水

   2. 1  运行调节原理 水泵全速节流供水方式是指水泵全速运行 ,通过调节水泵出 口的调节阀改变管路系统的阻力损失来改变水泵的运行工况。 如图 1 所示 , n0 为水泵的 H ~ Q曲线 , R0 、 R1 分别为管路 系统特性曲线。 曲线 n0 和 R0 、 R1 的交点 A (QA , HA ) 和 B (QB , HB ) 即是水泵的运行工况点;从 B 点作垂直线 ,交 R0 于 C(QB , HC) 点。 当水泵流量从 QA 减少到QB 的过程中 ,泵全速运行 ,关 小水泵出口调节阀减少系统流量。 此时 ,由于出口调节阀增加 了管路系统的阻力损失, 管路系统特性变陡, 即由 R0 变化到 R1 ,水泵的运行工况点由 A 点上滑到 B 点 ,扬程有 HA 上升到 HB , 从而实现节流调节。

     1  水泵全速节流供水

   2. 2  能耗分析 当流量从 QA 减小到 QB 时 ,除出口调节阀外的管路系统要 求的压力为 C点的压力 H C ,而此时泵运行在 B 点 ,泵出口的压 力为 HB 。因此 ,多余的压力损耗在出口调节阀上 ,也即 : ΔH = HB - HC   离心泵的 H ~ Q曲线近似为抛物线 ,可用以下方程表示: H = H0 - KpQ2 式中 : H0 为水泵关死点扬程; Kp 为一常系数。 用户需水量是随时间发生变化 ,因而加压泵站水泵的流量 是时间的函数 ,即 :

Q = f (t)   因此 ,一段时间 t0 内水泵的平均水力功率为:

P =

1 t0∫ t0 0 γQ H dt = 1 t0∫ t0 0 γQ ( H0 - KpQ2) dt =γ( H0 C1 - KpC2) (1) 其中 : C1 = 1 t0∫ t0 0 Qdt, C2 = 1 t0∫ t0 0 Q3 dt。 由(1) 式可知 ,功率 P与水泵的性能曲线( H0 和 KP) 和流 量 Q 的随时间的变化规律 ( C1 和 C2) 有关 , 与管路系统特性无关。

    2. 3  特  点 水泵全速节流供水方式 ,具有调节方式简单、 可靠、 方便 , 调节装置的初投资低等优点 ,在许多运行工况偏离设计工况不 大 ,或运行工况变化不大的场合广泛应用。但由于这种供水方 式能量损失很大 ,特别是在偏离高效区的运行工况 ,现在出于 节能目的 ,已逐渐被其他方式取代。

 

    3  水泵变频调速恒压变流供水

    3. 1  运行调节原理 水泵变频调速恒压变流供水是一种调速运行控制方式。 当用户用水量发生变化时 ,压力也随之发生变化 ,通过安装在 水泵机组出口干管的压力传感器 ,把这变化了的压力反馈至控 制器 ,与设定的压力值进行比较 ,再控制变频器改变电机速度 , 改变水泵运行工况 ,使机组出口干管处保持恒定的设定压力 值 ,并满足用户的流量需求。 如图 2 所示 , n0 、 n1 分别为不同转速时水泵的 H~ Q曲线 , R0 、 R1 、 R2 分别为管路系统特性曲线。 曲线 n0 、 n1 与 R0 、 R1 、 R2 的交点 A (QA , HA ) 和 D(QB , HA ) 即是水泵的运行工况点;从 D 点作垂直线 ,交 R0 于 C(QB , HC) 点 , n0 于 B (QB , HB ) 点。 当水 泵流量从 QA 减少到 QB 的过程中 ,保持出口压力不变 ,改变电 源频率 ,降低转速 ,水泵的 H ~ Q 曲线变成 n1 ,水泵运行在 D 点。 此时 ,可通过出口调节阀增加管路系统的阻力损失 ,使管路 系统特性变陡 ,即由 R0 变化到 R2 ;或者不调节出口阀 ,则管网 末端的压力升高ΔH ,管路系统特性由 R0 变化到 R1 ;这样水泵 的运行工况点由 A 点平移到 D 点,扬程保持在 HA , 从而实现 调速恒压变流调节。

     2  水泵变频调速恒压变流供水

 

   3. 2  能耗分析 当流量从 QA 减小到 QB 时 ,管道系统要求的压力为 C点的 压力 HC ,而此时泵运行在 D 点 ,泵出口的压力为 HA 。因此 ,多 余的压力损耗在出口调节阀或管网末端处 ,也即 : ΔH = HA - HC   因此 ,一段时间 t0 内水泵的平均水力功率为 :

P =

1 t0∫ t0 0 γQ H dt = 1 t0∫ t0 0 γQ HA dt =γ H A C1 (2)   由式(2)可知 ,功率 P与预设的恒定压力 HA 和流量Q随时 间的变化规律 ( C1) 有关 ,而与管路系统特性无关。这种供水 方式与水泵全速节流供水方式相比 ,通常能显著节约能耗 ,但 节能的大小与管路系统的特性曲线、 水泵性能曲线和变频调速

101二 次加压泵站的运行调节及节能分析   袁建平  何志霞  袁寿其

装置的效率有关[2] 。

3. 3  特点 水泵变频调速恒压变流调节方式是最常用的一种调 速调节方式 ,与水泵全速节流供水方式相比 ,能耗小  ;而且 ,改善整个机组的控制性能和启动性能 ,有效降 低水泵的汽蚀余量 ,减轻叶轮和轴承的磨损 ,降低噪音 ,增加运 行可靠性 ,延长泵及电机的寿命。但是 ,由于变频器的价格昂 贵 ,初期投入高。

 

  4水泵变频调速变压变流供水

  4. 1  运行调节原理 水泵变频调速变压变流供水也是一种调速运行控制方式。 当用户用水量发生变化时 ,压力也随之变化 ,通过安装在管网 末端的压力传感器 ,把这变化了的压力反馈至控制器 ,与设定 的压力值进行比较 ,再控制变频器改变电机速度 ,改变水泵运 行工况 ,使管网末端用户处保持在恒定的设定压力值 ,并满足 用户的流量需求。 如图 3 所示 , n0 、 n1 分别为不同转速时水泵的 H~ Q曲线 , R0 为管路系统特性曲线。 曲线 n0 、 n1 与 R0 的交点 A (QA , HA ) 和 C(QB , HC) 即是水泵的运行工况点;从 C点作垂直线,交 n0 于 B (QB , HB ) 点。 当水泵流量从 QA 减少到 QB 的过程中 ,保持 管路末端压力 Hst 不变 ,改变电源频率,降低转速 ,水泵的 H ~ Q曲线变成 n1 ,水泵运行在 C点。 此时 ,管路系统特性不变 ,水 泵的运行工况点由 A 点沿 R0 下滑到 C点 ,扬程由 HA 降低到 H C , 从而实现调速变压变流调节。

    3  水泵变频调速变压变流供水

   4. 2  能耗分析 当流量从 QA 减小到 QB 时,管路系统要求的压力为 C点的压 力 HC ,此时水泵就运行在 C点。因此 ,没有多余的压力损耗 ,也即: ΔH = 0   管路特性曲线近似为抛物线 ,即可用以下方程表示 : H = Hs + KQ2 式中 : Hst 为管网末端压力; K为管网阻力系数,为一常数。 因此,一段时间 t0 内水泵的平均水力功率为:

P =

1 t0∫ t0 0 γQ H dt = 1 t0∫ t0 0 γQ( Hst + KQ2) dt =γ( Hst C1 + KC2) (3)   由(3)式可知 ,功率 P与管网特性曲线( Hst 和 K) 和流量 Q 的随时间的变化规律( C1 和 C2) 有关 ,而与水泵性能曲线( H Q) 无关。由以上分析可知 ,这种供水方式无额外的水力损耗 ,

节能效果非常显著。

   4. 3  特  点 水泵变频调速变压变流调节方式由于也是采用变频调速 调节方式 ,其特点和变频调速恒压变流调节方式一样 ;但是 ,与 前两种供水方式相比 ,其能耗小 ,节能效果更明显。另外 ,由于 是采用管网末端压力信号作为反馈控制信号 ,这就带来了信号 的传输和衰减问题 ,特别是对于复杂的管网系统。

   5水泵直连变频调速变压变流供水

   5. 1  运行调节原理 水泵直连变频调速变压变流供水也是一种变频调速变压 变流供水。这种方式是将水泵直接连接在自来水管网上 ,采用 负压抑制和补偿装置 ,自动调节来水量和压力 ,使水泵进口管 路无负压 ,出口管网末端压力恒定 ,通过变频器调速实现水泵 机组的变工况。 如图 4 所示 , n0 、 n1 分别为不同转速时水泵的 H~ Q曲线 , R0 为管路系统特性曲线 , Hj 为上级供水残余压力 ,本文假设为 一恒定值。 曲线 n0 、 n1 与 R0 的交点 A (QA , HA ) 和 C(QB , HC) 即 是水泵的运行工况点。 当水泵流量从 QA 减少到 QB 的过程中 , 保持管路末端压力( Hst ) 不变 ,改变电源频率 ,降低转速 ,水泵 的 H~ Q曲线变成 n1 ,水泵运行在 C点。 此时,管路系统特性不 变 ,水泵的运行工况点由 A 点沿 R0 下滑到 C点 ,扬程由 HA Hj 降低到 H C - Hj , 实现调速变压变流调节。

4  水泵直连变频调速变压变流供水 5. 2  能耗分析 当流量从 QA 减小到 QB 时 ,管道系统要求的压力为压力 HC ,而此时泵运行在 C点 ,泵出口的压力为 HC - Hj 。因此 ,不 但没有多余的压力损耗 ,而且利用了上级的残余压力 ,也即: ΔH = ( HC - Hj) - HC = Hj   同样 ,一段时间 t0 内水泵的平均水力功率为 :

P =

1 t0∫ t0 0 γQ H dt = 1 t0∫ t0 0 γQ ( Hst - Hj + KQ2) dt =γ[ ( Hst - Hj) C1 + KC2 ] (4)   由式(4)可知 ,功率 P与管网特性曲线( Hst 和 K) 、 流量 Q 的随时间的变化规律( C1 和 C2) 和上级残余压力( Hj) 有关 ,而 与水泵性能曲线( H ~ Q) 无关。

   5. 3  特  点 水泵直连变频调速变压变流调节方式 ,其特点和变频调速 变压变流调节方式一样。由于这种供水方式不但无额外的水 力损耗 ,而且利用上级供水管网的残余压力 ,因而节能效果最 为显著。

    这种供水方式可将二次加压供水设备直接与自来水给水 管网连接 ,根据用户需水量和水压 ,进行变频调速变压变流调 节。这种供水方式无需地下水池、 水塔、 高位水箱等 ,改间接供 水为直接供水 ,杜绝了水池、 水箱等的二次污染 ;有效利用上级 管网残余压力 ,真正实现“需多少水 ,供多少水;差多少水压 ,补 多少水压”  ,因而其运行效率高 ,节能效果明显 ,是一种高效、 节能、 免二次污染的供水方式 ,具有广阔的应用前景。

   6结语

   自来水二次加压的方式很多 ,原理各不相同 ,因而能耗也 各不相同。水泵全速节流供水方式水力功率损失大 ,运行效率 低 ,特别是在远离水泵的运行高效区的工况下;水泵变频调速 恒压变流供水是目前应用的一种调速供水方式 ,节能 效果明显 ,但仍有节能空间;水泵变频调速变压变流供水无额外的水力功率损失 ,运行效率更高 ,节能更明显 ,应用前景广 阔 ;水泵直连变频调速变压变流供水无额外的水力功率损失 , 并利用上级管网的残余压力 ,运行效率 ,节能效果最 明显 ,且改间接供水为直接供水 ,减少了自来水的二次污染 ,具 有的应用前景。 




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