山東建筑工程學院 徐衍忠
威海市自來水公司 譚緒涵
青州市自來水公司 房師成 摘要 水泵是給水工程中的最重要耗能設(shè)備，本文通過對不同的選泵方法和不同的水泵組合，結(jié)合實際的管網(wǎng)進行耗能量的計算和比較，以探索更為合理的選泵方法和水泵組合，以達到節(jié)約供水能耗、降低制水成本的目的。
關(guān)鍵詞 優(yōu)化選泵 水泵組合 運行效率 供水能耗 一、前言 給水系統(tǒng)中在水的取集、處理、輸配過程中，要消耗大量能量。動力費用是構(gòu)成制水成本的主要部分，根據(jù)最近的調(diào)查，山東省部分城市供水企業(yè)，動力費占全部成本的26.73％，最多的達到34％。水泵是給水系統(tǒng)中最主要的耗能設(shè)備，根據(jù)對現(xiàn)有給水泵房中運行水泵的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)水泵的實際運行揚程小于水泵的銘牌揚程，有的甚至相差30％以上。因此導致了水泵運行效率降低，能量消耗增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因除水量預測偏大、時變化系數(shù)和日變化系數(shù)取值偏大以外，選泵方法不合理、水泵搭配不當也是一重要原因。
對無水塔給水管網(wǎng)(多數(shù)城鎮(zhèn)均為該類管網(wǎng))來說，現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定按最高日最高時流量和計算揚程選泵，而在最高時以外的絕大多數(shù)工況下，其所需揚程低于最高時計算揚程，水量降低越多，所需揚程降低也越多。而當最高時工況下的水泵工作點在高效區(qū)右側(cè)時，則水泵工作點在大部分時間將會移至高效區(qū)之外，從而降低了水泵運行效率，造成能量的浪費。改進的方法是選擇水泵時，其揚程依據(jù)主要應(yīng)以平均時計算揚程，水泵臺數(shù)不宜太少且應(yīng)不同型號的水泵相互搭配。本文將對某實際的管網(wǎng)采用不同的水泵組合通過耗能量計算比較加以探討。 二、管網(wǎng)水力計算 1、主要計算數(shù)據(jù)：
最高日供水量：15.0萬m3/d 最高時供水量：2083L/s
日變化系數(shù)：1.20 平均時供水量：1736L/s
時變化系數(shù)：1.20 水泵靜揚程：29.5m
最小服務(wù)水頭：20m
2、最高日、平均日各小時的用水量：
根據(jù)實際調(diào)查的某一城市的用水量變化規(guī)律確定該管網(wǎng)最高日各小時的供水量，平均日按比例遞減方法計算出各小時的水量，其值見表1。 表1最高日、平均日各小時用水| 時段 | 用水量 (％) | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | 時段 | 用水量 (％) | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | | 0～1 | 3.57 | 5355 | 4463 | 13～14 | 4.36 | 6540 | 5450 | | 1～2 | 3.38 | 5070 | 4225 | 14～15 | 4.76 | 7140 | 5950 | | 2～3 | 3.33 | 4995 | 4162 | 15～16 | 4.50 | 6750 | 5625 | | 3～4 | 3.44 | 5160 | 4300 | 16～17 | 4.67 | 7005 | 5837 | | 4～5 | 3.47 | 5205 | 4338 | 17～18 | 4.77 | 7155 | 5963 | | 5～6 | 3.59 | 5385 | 4487 | 18～19 | 4.11 | 6165 | 5137 | | 6～7 | 4.20 | 6300 | 5250 | 19～20 | 4.09 | 6135 | 5113 | | 7～8 | 5.00 | 7500 | 6250 | 20～21 | 4.26 | 6390 | 5325 | | 8～9 | 4.57 | 6855 | 5713 | 21～22 | 4.16 | 6240 | 5200 | | 9～10 | 4.60 | 6900 | 5750 | 22～23 | 3.94 | 5910 | 4925 | | 10～11 | 4.68 | 7020 | 5850 | 23～24 | 3.91 | 5865 | 1887 | | 11～12 | 4.29 | 6435 | 5362 | | | | | | 12～13 | 4.35 | 6525 | 5438 | 全天合計 | 100 | 150000 | 125000 | 3．管網(wǎng)水力計算 水力計算采用哈曾·威廉公式：h =10.67LQ1.852/(C1.852D4.87)
經(jīng)管網(wǎng)平差計算，求得最高日、平均日各小時計算揚程如表2所示。 表2 最高日、平均日24小時所需揚程（m）| 時段 | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | 時段 | 最高日 （m3） | 平均日 （m3） | | 0～1 | 44.04 | 39.87 | 13～14 | 50.56 | 44.52 | | 1～2 | 42.64 | 38.87 | 14～15 | 54.28 | 47.17 | | 2～3 | 42.28 | 38.62 | 15～16 | 51.83 | 45.43 | | 3～4 | 43.08 | 39.19 | 16～17 | 53.42 | 46.56 | | 4～5 | 43.30 | 39.34 | 17～18 | 54.37 | 47.24 | | 5～6 | 44.19 | 39.98 | 18～19 | 48.38 | 42.97 | | 6～7 | 49.15 | 43.52 | 19～20 | 48.21 | 42.85 | | 7～8 | 56.64 | 48.86 | 20～21 | 49.67 | 43.89 | | 8～9 | 52.48 | 45.89 | 21～22 | 48.81 | 43.27 | | 9～10 | 52.76 | 46.09 | 22～23 | 46.96 | 41.95 | | 10～11 | 53.51 | 46.63 | 23～24 | 46.71 | 41.78 | | 11～12 | 49.94 | 44.08 | | | | | 12～13 | 50.47 | 44.46 | 加權(quán)平均 | 49.55 | 43.80 | 由表2發(fā)現(xiàn)，在最高日內(nèi)，最高時揚程為56．64m，最低時為42．28m，兩者相差14．36m，最高日最高時揚程比平均日最低時高出18.02m，當日用水量小于平均日時，其最低計算揚程將會比最高時相差20m以上。從理論上說，最高時計算揚程是一種極限狀態(tài)，其余時間的計算揚程均在此值之下。顯然，按這種特殊工況所選擇的水泵在其余多數(shù)時間內(nèi)偏高是很自然的了。 三、動力消耗計算 1、根據(jù)水力計算結(jié)果，按不同選泵方法和搭配選擇了6種不同的水泵組合，詳見表3。 表3 不同水泵組合表| 揚程依據(jù) | 方案編號 | 搭配特點 | 最高時運行泵組合情況 | 總安裝臺數(shù) | 最高時運行泵總功率
（KW） | 備注 | | 型號 | 額定流量
（L/s） | 額定揚程
(m) | 功率
(KW) | 臺數(shù) | | 依據(jù)最高時計算揚程 | FI-1 | 大小搭配 臺數(shù)較少 | 24sh-9A 14sh-9A | 920～580 370～250 | 55～70 56～70 | 680 300 | 2 1 | 4 | 1660 | 24sh-9A型泵按600s75A特性曲線計算 | | FI-2 | 大小搭配 臺數(shù)較多 | 24sh-9A 14sh-9A | 680～430 370～250 | 50～66 56～70 | 520 300 | 3 1 | 5 | 1860 | | | 平均時兼顧最高時 | FII-1 | 大小搭配 | 24sh-13 14sh-13 | 972～695 410～270 | 38～56 37～50 | 520 230 | 3 1 | 5 | 1790 | | | FII-2 | 同型號泵 | 24sh-13 | 972～695 | 38～56 | 520 | 4 | 5 | 2080 | | | FII-3 | 小泵流量 小于40％ | 24sh-13 12sh-9A | 972～695 248～147 | 38～56 42～55 | 520 155 | 3 1 | 5 | 1715 | | | FII-4 | 小泵流量小于60％ | 24sh-13 20sh-9A | 972～695 630～390 | 38～56 42～58 | 520 380 | 3 1 | 5 | 1940 | | 2、水泵和管網(wǎng)的聯(lián)合計算
根據(jù)管網(wǎng)水力計算，求得管網(wǎng)特性曲線方程為：
H= 29.5 + 1.94×10-5×Q1.852 (m) (2) 式中 29.5 ——水泵靜揚程，控制點水壓標高與吸水井水位的高差；
Q ——泵站總流量，（L/s）。 根據(jù)前述選定的六種水泵組合，分別繪制出各種組合單泵和不同水泵組合時的水泵特性曲線和管網(wǎng)特性曲線，如圖1～圖6所示。 
3、動力消耗計算
利用圖1～圖6特性曲線圖，按照最高日、平均日各小時的供水量從相應(yīng)的特性曲線圖中查出該時的運行泵組合和實際運行揚程，當水泵型號不同時，還應(yīng)查出不同型號水泵的出水量，再查水泵樣本找出該揚程下的水泵效率，并按式(3)計算該小時的能耗。 W＝ρgQH/1000η(KWh) （3） 式中 Q——泵站出水量(L/s);
H——按特性曲線圖查得的實際運行揚程(m)；
ρ ——水的密度，ρ＝1kg/L;
g——重力加速度，g = 9.81m／s2；
η——水泵綜合效率，η=η1·η2
η1——水泵運行效率；
η2——水泵電機效率，單機出水量大于2500m3/h時取92％，單機出水量為1000～2500m3/h時取91％，單機出水量小于1000m3/h時取88％。 經(jīng)逐時計算，最高日和平均日不同方案時的能耗情況見表4、表5。 表4最高日不同水泵組合時的能耗比較表 | 方案 編號 | 加權(quán)計 算楊程 (m) | 加權(quán)實 際楊程 (m) | 揚程 超出率 (％) | 全天總 能耗 (KWh) | 最高時 能耗 (KWh) | 平均時 能耗 (KWh) | 加權(quán)平均 綜合效率 (％) | KTm 水能耗 (KWh) | 能耗指數(shù) | | FI—1 | 49.55 | 55.78 | 12.59 | .32629 | 1649 | 1359.5 | 69.91 | 3.90 | 1.108 | | FI—2 | 53.79 | 8.56 | 30726 | 1590 | 1280.3 | 71.51 | 3.81 | 1.044 | | FII—1 | 54.08 | 9.14 | 29486 | 1634 | 1228.6 | 74.92 | 3.63 | 1.002 | | FII—2 | 56.62 | 14.27 | 32142 | 1907 | 1339.3 | 71.96 | 3.78 | 1.092 | | FII—3 | 54.30 | 9.59 | 29437 | 1583 | 1226.5 | 75.35 | 3.62 | 1.000 | | FII—4 | 54.07 | 9.12 | 30261 | 1753 | 1260.9 | 72.99 | 3.73 | 1.028 | 注：1、 揚程超出率指按特性曲線查出的運行揚程比計算揚程超出的百分數(shù)。
2、 能耗指數(shù)是以耗能最低的方案為1時的相對數(shù)值。 |
表5平均日不同水泵組臺時的能耗比較表| 方案 | 加權(quán)計算揚程 (m) | 加權(quán)實際揚程 (m) | 揚程超出率 (％) | 全天總能耗 (KWh) | 最高時能耗 (KWh) | 平均時能耗 (KWh) | 加權(quán)平均綜合效率 (％) | KTm 水能耗 (KWh) | 全年總 能耗 ( 萬KWh) | 能耗 指數(shù) | | FI—1 | 43.80 | 55.64 | 27.03 | 27072 | 1389 | 1128 | 70.0 | 3.89 | 988.13 | 1.219 | | FI—2 | 50.82 | 16.03 | 25571 | 1241 | 1065.5 | 67.65 | 4.03 | 933.34 | 1.152 | | FII—1 | 51.02 | 16.48 | 22200 | 1157 | 925 | 78.23 | 3.48 | 810.30 | 1.000 | | FII—2 | 53.60 | 22.37 | 24267 | 1455 | 1011 | 75.20 | 3.62 | 885.75 | 1.093 | | FII—3 | 51.20 | 16.89 | 22640 | 1130 | 943.3 | 76.98 | 3.54 | 826.36 | 1.020 | | FII—4 | 48.24 | 10.14 | 22415 | 1337 | 934 | 73.76 | 3.72 | 818.15 | 1.010 | 注：1、揚程超出率、能耗系數(shù)意義見表4。
2、全年能耗是按平均日能耗乘以365天得來的。 | 由以上計算結(jié)果表明，采用不同的水泵組合，其能耗存在較大差異。最高日供水時，按最高時計算水泵揚程選泵和采用同型號水泵時，其能耗增加10％左右，平均日供水時，按最高時計算水泵揚程選泵，其能耗增加15％以上，采用同型號水泵也比大小泵搭配增加近10％的能耗，小泵流量太小或太大時，也會增加1～2％的能耗。若按最高時計算揚程選泵，且采用同型號水泵、水泵臺數(shù)較少時，則會多消耗更多的能量。
在給水工程中，全年中各天的供水量是在平均日上下波動的，因此，按平均日計算的能耗數(shù)據(jù)應(yīng)更接近于實際。以上計算的能耗數(shù)據(jù)，若電價按0．60元/KWh計算，按最高時計算揚程選泵，即使大小泵搭配、水泵臺數(shù)較合理時，每年也將多增加73．9萬元電費，當采用水泵臺數(shù)過少時，一年將增加106．5萬元電費，若采用同型號水泵，增加的電費還要多。即使按平均時計算揚程選泵，采用同種型號水泵比大小泵搭配也會增加45．2萬元電費。目前全國給水工程日供水能力超過2億m3，全年供水總量約為600億m3，若仍按以往最高時計算揚程選泵，由于選泵不合理每年增加的電費達10億元以上。
本文計算采用的日變化系數(shù)Kd、時變化系數(shù)Kh值均較小，若該參數(shù)選值過大，則浪費的能量會更多。由此可見，采用合理的選泵方法和大小泵搭配，對于降低給水工程的運行費用有明顯的經(jīng)濟效益。 四、結(jié)論 根據(jù)以上計算分析結(jié)果，提出如下合理選擇水泵的原則：
1、依據(jù)平均時計算揚程選擇水泵，即平均時計算揚程位于水泵特性曲線高效區(qū)的中位區(qū)，而最高時計算揚程位于高效區(qū)的左端，這樣，可以使水泵在絕大多數(shù)時間內(nèi)的工作點落在高效區(qū)內(nèi)，以提高水泵的實際運行效率。
2、目前我國絕大多數(shù)城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)均不設(shè)水塔，由泵站直接滿足用戶各小時的水量需求，為了減小水泵不同組合時的水量階梯，水泵臺數(shù)不宜太少，且應(yīng)大小型號水泵搭配，以保證管網(wǎng)用水量變化時，泵站供水量能平穩(wěn)過渡，避免因增開、停開水泵或更換水泵時影響水泵運行效率。
3、采用大小型號水泵搭配，小型號水泵流量應(yīng)為大泵流量的40～60％，太小或太大都會使水泵不同組合間的水量階梯不均勻，從而降低水泵運行效率。 參考文獻 (1)嚴煦世、范瑾初：給水工程，北京，中國建筑工業(yè)出版社，1995年6月
(2)室外給水設(shè)計規(guī)范：GBJ13—86
(3)汪光燾：城市供水行業(yè)2000年技術(shù)進步規(guī)劃，中國建筑工業(yè)出版社，1993年7月
徐衍忠 副教授 山東建筑工程學院
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