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调速水源泵站设计

论文类型 技术与工程 发表日期 1999-01-01
来源 《中国给水排水》1999年第1期
作者 孟浩,刘永林,赵海鹏
摘要 孟 浩 刘永林 赵海鹏? (辽宁省水利水电勘测设计研究院)   在锦西乌金塘水源供水工程,水源泵站采用了并联调速水泵机组,以适应乌金塘水库水位变化,通过近5年的生产运行,达到了节能和稳定运行的效果,现将设计中一些体会介绍如下。? 1 调速泵的节能原理   改变水泵的转速, ...

孟 浩 刘永林 赵海鹏?
(辽宁省水利水电勘测设计研究院)

  在锦西乌金塘水源供水工程,水源泵站采用了并联调速水泵机组,以适应乌金塘水库水位变化,通过近5年的生产运行,达到了节能和稳定运行的效果,现将设计中一些体会介绍如下。?

1 调速泵的节能原理

  改变水泵的转速,可以适应水源水位的变化,使水泵始终与水流阻力相适应,做到没有多余的能量损失,提高水泵机组的效率,达到节能效果,节能原理如图1所示。?

图1 调速水泵原理示意图

  图中,A0B0为全速泵特性曲线;AnBn为调速泵特性曲线,C0B0为管路特性曲线;C0为最大几何扬程(对应水源水位为最低),C为几何扬程(对应水源某一水位);如图1所示管道特性曲线上的B0点表示水泵输送流量为Q0,将水提升高度为C0,包括克服管道中的水头损失。而当水源水位升高时,将水提升的高度变小,所以管道特性曲线下移至相应水位升高的值。此时,BnB0段为浪费之扬程。采用水泵调速,水泵转速由n0降到n1、n2…nn,形成一系列的水泵特性曲线,而这些特性曲线总能找到一组与Q0B0、CnBn共同相交于一点,此点即为水源水位变化后调速泵的最佳工况点,它充分地利用了水体的势能,节省了电耗。?
  图1中B与Bn两点符合水泵相似律,水泵相似律只有在相似工况点上才成立,OBnB为相似工况曲线。?

2 调速比及水泵参数的确定

  由于调速装置价格高,设计人员要计算出调速后的节能效果来决定是否采用水泵调速方案,所以必须先确定调速比。以往大都采用图解法,计算手续繁琐,且不易保证精度。这里介绍一种利用计算机来确定调速比的方法,既准确又迅速。当水源水位变化,水泵的静扬程为Hx时,设此时水泵的调速比为S1。根据水泵制造厂提供的试验数据(Q,H),可将水泵的特性拟合为:

  H=a-b×Q2             (1)

  在水体水位变化后,设计工况点变为(Qj,Hj),则过设计工况点(Qj,Hj)的相似抛物线方程为:

  H=Hj·Q2/Qj2

  设aj=Hj/Qj2,则上式变化为:

  H=aj×Q2

  式(2)即为过(Qj,Hj)的相似抛物线方程。
  全速泵特性曲线H=a-b×Q2与相似抛物线H=aj×Q2的交点(Q,H),即为(Qj,Hj)的相似工况点。联立(1)、(2)两式得:

  Q=(a/(a1+b1))0.5

  所以调速比

  Sj=((Hj+b×Q2)/a)0.5      (3)

  设管道沿程摩阻与局部阻力系数之和为ms,则管道特性曲线方程为:

  Hj=Hx+ms×Qs2            (4)
  式中 Qs——设计总流量,m3/s

  将式(4)代入式(3)得:

  sj=((Hx+ms×Qs+b×Qj2)/a)0.5

  水泵得功率曲线,以相当高得精度用指数曲线拟和,当ni=n0时,

  P0=c+d×Q0s            (6)

  式中  P0——水泵功率,kW

  根据水泵相似率,对于任意转速nj,有

  sj=nj/n0=Qj/Q0

  Pj/P0=Sj3

  所以 Pj=c×sj2+d×sj(3-e)×Qje   (7)

  关于水泵得a、b、c、d值的求法:由水泵厂提供的一系列(Qj,Hj)、(Qj,Pj)数据,根据最小二乘法原理,有:

  

  将φ1分别对参数a、b求偏导数并命其为零,再联立求解有关方程得:

  
      
  公式中,e是未知参数,需预先确定,简单的方法是根据给定的数组(Pj,Qj),找出最小的Pj值Pjmin,作为c值的上限值,c的变化范围为0~Pjmin,这样对不同的c值分别求d、e,根据数理统计原理对每组?c、d、e?值可相应求得它的相关系数

  

  r在0~1之间,值越大,说明拟合曲线与数据点吻合的情况越好,最后找到r最大的一组c、d、e值即为所求。
  根据式(8)~(14)及有关公式可编制程序,由计算机计算出水泵有关各参数值。在上面式中,并未考虑吸水管及水泵出水管的阻力影响,但实际运算中要考虑。

3 水源泵站水泵运行方案确定

  水源泵站流量是恒定的,所以在工程中均采用同型号的水泵。水泵扬程的确定要满足最低水位要求,同时要考虑水体的正常蓄水位,使泵站运行功耗最低,达到节能的目的。?
  泵站的运行有三种可能:一是只进行台数切换水泵恒速运行;二是调速、恒速并用;三是全部调速运行。所以,要计算出不同方案的功耗,并考虑一次性设备投资。因此,采用动态经济分析法来确定总费用现值最小的方案,总费用现值按下式计算:

  PW=PV+A×(P/A,i%,n)=PV+0.0001×1/β×N×f(P/A,i%,n)     (15)
  式中 PW--- 总费用现值,万元?
     PV --- 一次性投资现值,万元(指调速设备投资)
     A -- 年运行费,万元?
     N --- 年用电量,kW·h
     f --- 电价,元/(kW·h)?
     i --- 复利率,(%)?
     n --- 使用年限?
     β--- 调速装置效率?

  在设计总流量Q下,设有N台水泵并联运行,无论采用哪一种运行方案,约束条件应为:

               (16)

  H=H1=H2=......=Hn
  目标函数为:

  PW=PV+0.0001×1/β×N×f(P/A,i%,n)   (17)

  当水体水位为常水位时,设有T1台恒速泵运行,T1值变化为0,1,2...(n-T1)。
  在满足条件的情况下,寻求:

  PW=T2×R+1/β×f×ΣNj×(P/(β×f×ΣNj),j%,n)×0.0001   (18)
  式中 PW——值最小的运行方案为设计方案,万元
     R ——调速设备投资,万元
     f ——电价,元/(kW·h)

  在常水位时,管道特性曲线方程为:

  H=(H0-hh)0+ms×Q2         (19)
  式中 hh--水位升高值?
     H0 -- 最低水位时的静扬程

  由式(4)知,在设计总流量Qe下,

  H=(H0-hh)+ms×Qe2  

  恒速泵单泵流量q0=((a-He)/b)0.5,恒速泵总流量Q1=T1×q0,此时判断Qe-Q1≥0式是否成立,若不成立为一种运行方案;若成立则增加调速泵,即调速泵总流量:

  Q2=Qe-Q1

  设需T2台调速泵,则单泵调速之流量qD=Q2/T2 [T2=1,2,...(n-T1)],此时,qD要小于全速泵的最大流量,而H=a-b×qD2式中的H值大于He值,则(qD,He)为调速泵设计工况店,由式(6)得,调整比:

  S=((H0-hh+ms×Qe2+b×qD2)/a)0.5       (20)

  由式(6)、(7)知,泵站运行总耗电量为:

  ΣN1=T1×(c+d+q0)+T2×(c×S3+d×S(3-e)×qDe)  (kW)     (21)

  这样,由式(18)可算出若干PW值,从而寻求出一个PW值最小的方案。其程序见图2。

图2 程序框图

4 实例工程

  锦西乌金塘水库是中型综合型水库,兼顾防洪、灌溉以及城市与工业用水。多年平均高水位为88.0m,最低水位为75.9m。为从水库中取水,从电站压力管道上接引出管径DN1800mm的分支,接至泵站的吸水压力箱内。
  泵站规模为7.0×10.4m3/d,在距水源泵站3.364km处,有一管线最高点笔架山,过笔架山后为重力流输送至净水厂,输水管道采用一条DN1000mm钢筋混凝土管道,水源泵站工艺流程见图3。

图3 水源泵站工艺流程图

  经水力计算,水源泵站设计扬程为H=358.53kPa,选用4台14sh-13A型水泵,3用1备。经程序计算得出水泵特性参数如表1,原站设计参数如表2。

表1  水泵特性参数 水泵型号 H=a-b×Q2 功率函数P=c+d+Q2 14sh--13A a b c d e 47.96 117.01 113.00 344.21 2.49

表2  水源泵站设计参数 流量
(104m3/d) 库水位(m) 扬程(kPa) 几何扬程 水头损失 全扬程 7.0 75.9 313.6 44.7 358.3 7.0 88.0 195.0 47.6 242.6

  由程序计算得出管道摩阻系数ms=6.441。

  由式(21)可计算出,平均高水位时,在3台水泵全调的情况下,调速比S=0.84。由程序计算,水泵以不同方式运行,计算结果如表3。

表3 水泵不同工况计算结果 水泵运行方式 总流量QT(m3/h) 调速比S 单泵流量(m3/h) 扬程(kPa) 运行功率(kW) 总费用现值(万元) 1台恒速泵+2台调速泵 2917 1.0 1626.0 242.6 283.23 597.58 0.78 745.5 242.6 2台恒速泵 2917 1.0 1458.5 242.6 305.43 575.41 1台恒速泵+1台调速泵 2917 1.0 1626.0 242.6 282.70 564.58 0.92 1291.0 242.6 3台全调 2917 0.84 972.0 242.6 247.01 561.35 2台全调 2917 0.96 1458.5 242.6 286.63 603.99 注 1 费用现值,银行利率按10%计,使用年限按10年计  2 电价按0.35元/(kW.h)计
  3 调速装置功率损耗按3%计             4 本工程1台调速装置按32万元计

  由表3可看出,水源泵站3台运行泵全部采用调速的方案最为合理。所以在该工程水源泵站中,4台水泵采用3台全部调速运行方案,备用泵为定时切换调速泵。

5 结束语

  ①水源泵站调速运行方案设计程序,计算结果准确、迅速,并可绘出特性曲线图,直观地将水泵特性参数及结果表现在特性曲线图上。
  ②设计程序在对水泵的(流量、扬程)数组和(流量、功率)数组进行拟合时,应由水泵制造厂提供试验数据,以保证更准确的计算结果。?
  ③水源泵站水泵运行方式,根据水源水位变化值,要进行调速、恒速泵各种组合运行,采用动态经济分析方法,最后确定最优方案。本实例的结论是全调方案为最优方案,可是,如果水源的水位、调速设备的价格、银行的利率、设备的使用年限等参数改变,会得出与之不同的结论。?
  ④水泵的调速一般采用降速运行,水泵的增速运行需征得水泵制造厂商同意,否则易造成水泵的共振,损坏水泵。


  作者通讯处:110006 沈阳市和平区光荣街68号?
  (收稿日期 1998-06-06)

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