两用组合出口恒压变频供水水泵的合理配置

邱寿华，刘德明，陈犀喆，庞胜华

(福州大学土木工程学院，福建福州350108)

传统的定速泵供水虽然也能在一定的高效范围内运行，但存在能耗利用率低、容易造成超压出流、自动化程度低等问题，变频供水技术的出现较好的解决了这些弊端。《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2003，2009年版，以下简称“建水规”)［1］第3.8.4款规定“生活给水系统采用调速泵组供水时，应按系统最大设计流量选泵，调速泵在额定转速时的工作点，应位于水泵高效区的末端。”具体而言，即绘制的额定转速下并联水泵工作特性曲线与管路特性曲线的交点应为最不利工况点，此时定速泵工作点应位于水泵高效区内，调速泵工作点应位于水泵高效区的末端。

由于住宅生活用水量变化较大，使得调速泵工作点存在脱离高效区域的可能，因此，如何尽可能扩大高效运行的流量范围以降低系统的运行能耗应引起重视。不同的水泵组合运行方式对应不同的高效流量段，针对工程中较多采用两台水泵共同工作的变频供水模式，有必要对不同的两用水泵组合方式进行分析对比以找出最合理的配置方案。

1 两用组合方式

为了简化分析，假设:①两台工作泵的吸水口至出水管汇合点管段的水头损失相同;②不同组合的管路特性曲线相同;③不考虑备用泵对组合形式的干扰;④采用出口恒压控制。

若计算得到系统最大流量为Qmax，系统设计扬程为HG，那么在满足不同两用组合下并联工作特性曲线均交于最不利工况点(Qmax，HG)时，有5种不同的组合方式，见表1。

表1 5种两用组合方案

2 两用组合分析

下面分别对表1中的5种两用组合方案进行分析，需要指出的是以下表中“高效”是指一台工作泵高效运行或两台工作泵都高效运行，否则为“低效”。

2.1 两台同型号水泵(1台调速+1台定速)

如图1，采用等扬程下流量叠加的方法绘制水泵并联特性曲线(Q－H)1+2。假定水泵运行的高效范围为A－B段，调速泵高效运行最小流量为过额定转速下左高效点的等效率曲线与恒压线的交点对应流量，最大流量为过额定转速下右高效点的等效率曲线与恒压线的交点对应流量(下同)，那么不同流量段下水泵运行情况如表2。

图1 同型号水泵并联工作

表2 不同流量段水泵运行状态－①

由于两台水泵型号相同，当用水量位于QB附近时，容易造成定速泵频繁启停，对水泵的使用造成不利影响;由于水泵的QA值不容忽视，也造成水泵在相对较宽的(QB，QA+QB)流量段运行时脱离高效区，因此，工程设计中应尽量避免采用该方案。

2.2 两台同型号水泵(2台调速)

如图1，为了(QB，QA+QB)流量段可以由2台调速泵各自调速运行于高效区间，现假设某一流量Qi满足QB≤Qi≤QA+QB，若此时两台调速泵分别供应Q1、Q2流量，并且QA≤Q1≤QB，QA≤Q2≤QB，Qi=Q1+Q2因此，Qi满足条件:

由于QA恒小于QB，因此方程的解为QB≥2QA。工程设计中，如果选用这种组合方案供水时，尽量选择QB/QA比值较大的水泵，满足该条件的调速泵在不同流量段下水泵运行情况见表3。对比表2和表3可知，采用2台同型号调速泵可以实现高效流量段的扩大。

表3 不同流量段水泵运行状态－②

2.3 两台不同型号水泵(小泵调速+大泵定速)

如图2，两台水泵的Q－H特性曲线不同，基于以上假设，仍可采用等扬程下流量叠加的方法绘制水泵并联工作特性曲线。假定定速泵的高效范围为A－B段，调速泵额定转速下的高效范围为C－D段，那么不同流量段下水泵运行情况见表4。

图2 不同型号水泵并联工作

表4 不同流量段水泵运行状态－③

观察表1和表4，方案①中组合水泵在(QB，QA+QB)流量区间低效运行，方案③中组合水泵在(QB，QB+QC)区间也低效运行。对同一供水系统而言，区间差值QA＞QC，即采用不同型号水泵组合时可以缩小低效运行流量段。该方案在流量区间(QD，QB)供水时，系统供水压力超过设定恒压值，如果(QD，QB)区间范围不大时，调速小泵也容易频繁启停。因此，工程设计中应避免采用该方案。

2.4 两台不同型号水泵(小泵定速+大泵调速)

如图2，由于小泵定速运行，新增流量点QD+QA。不同流量段下水泵运行情况见表4。

表5 不同流量段水泵运行状态－④

观察图2，如果(QD+QA)＜QB并且QD＞QA时，那么流量处于(QD，QB)区间时，只要开启调速大泵就能满足高效供水。此时，只要用水量Qi＞QA，水泵就能实现全流量高效运行。因此，在满足约束条件QD+QB=Qmax下，尽可能选择满足QA＜QD＜QB－QA的小泵，可以较大程度的扩大水泵机组高效运行的流量区间。

观察表5，只有当流量大于QB时，定速小泵才开启运行，相对方案③工作泵的三种状态，水泵的运行调度更加合理，高效运行的流量范围更大，但变频器容量增大，一次性投资增加。因此，仅从提高水泵运行效率的角度出发，选择大泵调速、小泵定速的组合方式供水是较为合理的。

2.5 两台不同型号水泵(小泵调速+大泵调速)

如图2，为了使用水量介于(QB，QB+QC)流量区间时，水泵运行效率仍处在高效区域内，可开启大小泵共同调速实现。现假设某一流量Qi满足QB≤Qi≤QB+QC，若此时调速小泵、调速大泵分别供应Q1、Q2流量，并且QC≤Q1≤QD、QA≤Q2≤QB，Qi还满足Qi=Q1+Q2。因此，以下方程组的解即为满足该流量区间高效运行的前提条件。

由于QC恒小于QD，因此方程的解为QB≥QA+QC，即大泵高效运行最大流量应大于自身高效运行最小流量与小泵高效运行最小流量之和。工程设计中选用该方案供水时，应尽可能选择满足QB≥QA+QC关系的水泵，表6是符合该条件的水泵运行情况。

表6 不同流量段水泵运行状态－⑤

满足表6的运行状态的水泵选型相对其他组合更容易实现，客观的组合形式为水泵持续高效运行提供了可能，变频器的容量相比④方案也不需要明显提高，因此，方案⑤是两用组合中最优的配置方案。

3 结束语

通过分析出口恒压变频供水系统中不同的两用组合方案，可以得出以下结论:

(1)不同的两用组合有不同的高效流量区间、不同的水泵调度方式;增加调速泵的台数，可以扩大高效运行的流量区间。

(2)不论采用何种组合方案，小流量区间内水泵机组低效运行总是存在的，当配置气压罐供应小流量时，选用小泵调速、大泵定速或大小泵均调速可以减小气压罐容积，降低造价。

(3)采用小泵调速、大泵定速的组合方案，运行调度相对复杂并且存在超压的流量区间，应避免采用;采用同型号水泵(1台调速+1台定速)组合时，容易造成其中一台泵频繁启停，并且有较宽的低效流量区间，应尽量不予采用。

(4)采用两台同型号调速或小泵定速、大泵调速的组合方案是相对较优方案，但组合方式客观上存在低效运行的流量区间难以缩小的弊端。

(5)采用大小泵均调速运行的组合方案是最优方案，在综合考虑各种因素下，采用大小泵共同调速运行是性价比较高的两用配置方案，工程设计中应优先考虑该方案。

［1］GB 50015－2003(2009年版)建筑给水排水设计规范［S］