叠压供水系统中水泵选型与节能的关系

韩杨杨

（武夷学院机电工程学院，福建武夷山354300）

叠压供水系统中水泵选型与节能的关系

韩杨杨

（武夷学院机电工程学院，福建武夷山354300）

从离心水泵运行工况变化和特性曲线分析入手，确定水泵运行的高效区域范围，对水泵进行效率分析和特性曲线拟合，给出保证系统高效运行的水泵性能参数，以工程实例来验证水泵选型方法的正确性，结果表明：叠压供水系统在水泵选型和运行情况均合理时，才能取得预期的节能效果.

叠压供水；特性曲线；水泵选型；节能

叠压供水系统可以充分利用市政管网的剩余压力，具有节能、环保等优点.该技术始于20世纪90年代，目前在日本、美国、西欧等发达国家得到广泛应用；而我国引入时间较晚又缺少一定的行业规范和地方性支持，因此市场发展比较混乱.实际应用中，如果系统设计不合理，就实现不了节水节电的目标，并有可能造成更大的浪费.系统设计中水泵选型问题是关键，因此系统节能与否与水泵选型之间有很大的关系.

叠压供水运行工况涉及的参数和影响因素较多，因此水泵选型问题中涉及的参数和方案也较多.通过对市政管网水压上、下限时对应的管道系统特性曲线以及水泵高效区域Q-H曲线的分析，根据工程实际所得到的水泵扬程和所需的流量，选出水泵型号，拟定管路特性，计算管路损失，求出水泵工作点，进行水泵节能状况的判别，以判断其是否达到预期效果[1].

1 水泵运行工况分析

1.1 水泵高效运行区域的确定

水泵的Q-H特性曲线如图1所示.求出水泵调速后的特性曲线，就可以确定其在工作点的效率.图1中A0～B0是水泵在额定转速n0时所对应的高效区范围.由水泵的相似定律可知，在变频调速运行时水泵特性参数满足下面的关系式：

B10.75QB0，HB1=0.56HB0.图1中A0B0B1A1所围成的区域就是一台变频调速泵的高效运行区域[2-3].

图1 水泵Q-H特性曲线与管道特性曲线

1.2 管道特性曲线

系统正常运行时，如图1所示，Q～∑h为管道系统的特性曲线，两条虚线之间的区域表示的是Q-H变化范围.其表达式为：

式中：H0为管网静扬程(m)；S为管网系数，反映管网的阻力；Q为水泵流量(m3/h).

由此可根据管道特性曲线变化范围与水泵的高效工作区域的重叠情况判别变频泵是否节能运行.

叠压供水系统通常采用自动控制水泵出口恒压的工作方式，P进(MPa)和P出(MPa)表示水泵进、出口处的水压.则水泵的扬程H(m)按下式计算：

出口压力P出由下式确定：

式中：H1指水泵至最不利出水点的几何高度(m)；H2为水泵出口处至最不利出水点的水头损失之和(m)；H3为最不利出水点的水头(m).

其中，H2包括沿程损失和局部损失两部分，该值可计算确定，亦可取经验值.

进口压力P进由下式确定：

式中：P市为市政管网的接入水压(MPa)；h沿阻为市政管网接入点至水泵进水口的沿程水头损失(m)；h局阻为水流过水泵进水管时产生的局部水头损失(m)；ΔH为市政管网接入点与水泵中心的高度差(m).

其中，水泵低于接入点时ΔH取“-”，反之取“+”.

2 水泵选型和效率分析

2.1 水泵Q-H特性曲线的确定

选择水泵时，应使其尽可能多地工作在高效区域，这样才能节约电能.从水泵产品手册上的水泵性能曲线图可看出其Q-H特性曲线近似于抛物线，考虑拟合函数选用二次多项式，拟合采用最小二乘法完成，根据工程实际验证，将水泵Q-H特性曲线拟合成二次曲线方程是比较合理的[4].

水泵特性曲线拟合函数如下：

式中：H为扬程；Q为流量；a0、a1、a2为水泵扬程、流量拟合系数.

2.2 水泵选型方法

首先根据工程所需的设计流量计算出水泵的进口压力和扬程，进而初步确定水泵的型号和性能参数，之后以最小二乘法来拟合水泵Q-H特性曲线方程，由式(2)和式(6)联立得出水泵工作点，如果工作点处于高效区域，则水泵可选.

叠压供水系统一般是由几台相同型号的水泵并联调速供水的，对于调速运行工况，应考虑到城市管网用水量的时时变化，因此应采用市政供水压力的下限Pmin和上限Pmax分别求出P进的上、下限，在确定P出后，进而由式(3)得出水泵所需的扬程；应先确定工频运行的水泵工作在高效区与否，再去确定变频调速运行的水泵工作在高效区与否，方法是先确定变频泵的工况点，再写出等效率曲线方程，将拟合出的Q-H特性曲线方程与等效率曲线方程联立，由此求得变频泵运行工况参数，最后计算出变频泵的调速比.这时几台水泵并联运行的总工况点也要符合设计要求，总之，变频泵和工频泵的工作点都应尽可能在高效区域内运行.

3 实例分析

南昌某高校的南区家属区共有33栋7层的住宅楼，高度均为21m.第一至第七层加压，加压用户为1 200户.自来水引入管径为DN300，出口至泵房的管线距离为50m，设备进水管径为DN200，泵房离建筑物管线距离为200m，用水高峰市政管网压力为0.2MPA，校区内地面基本无地势差.根据水电中心的统计分析，水损耗约为40%.

假设每户室内为一卫一厨配置，取150升／(人·天)的用水量定额，户均人数为3.5人；市政主管为DN800，最不利出水点为第七层用户.

3.1 流量Q和相应的扬程H计算

3.1.1 流量Q的计算

计算方法依据GB50015-2003建筑给水排水设计规范（2009年版）[5]进行，Ng=4.0，Kh=2.8，m＝3.5人，q0=150升／(人·天)

在最大用水量时，卫生器具给水当量的平均出水概率的计算公式为[5]：

式中：U0为平均出水概率（%）；q0为最高用水量时的每人用水定额；m为每户用水人数；Kh为小时变化系数；Ng为每户设置的卫生器具给水当量总数；T为用水时数（小时）.代入得数据得：

总的卫生器具给水当量总数：

根据U0和∑Ng的值，采用内插法得到：

3.1.2 P出的确定

P出的计算：代入式（4）得：P出=0.0098×(21+4+ 6)=0.3MPa.其中，进水阀工作水头取4m，最不利出水点的流出水头以6m考虑.

3.1.3 P进的确定

（1）h沿阻的计算：h沿阻=0.0221×200=4.42m，取i=0.0221、v=1.32m/s、L=200m.

（2）h局阻的计算：h局阻=4.0+4.42×20%=4.88m，其中，倒流防止器阻力损失取4m，其他局部阻力取沿程阻力的20%.

（3）ΔH确定，取ΔH=0.3m.

P进的计算：根据式（5），代入得：P进=0.2-0.0098×(4.42+4.88+0.3)=0.1MPa.

3.1.4 相应的扬程H计算

根据式（3）得：H=1.15×(0.3-0.1)/0.0098= 23.5m.

3.2 初步确定水泵的型号与性能参数

选择水泵型号为南方泵业的CDL65-20-2型多级离心泵，3台（二用一备）.参数见表1.

表1 CDL65-20-2型多级离心泵性能表

3.3 采用最小二乘法拟合Q-H特性方程

令水泵Q-H特性曲线的方程形式如式（6）所示，根据以上数据用MATLAB中的Polyfit()函数对Q-H曲线的方程进行拟合，得a0=40.4261; a1=0.0907；a2=-0.0048.

方程为：H=-0.0048Q2+0.0907Q+40.4261

Q-H特性曲线拟合如图2所示.

图2 水泵Q-H特性曲线

3.4 水泵不同工况点的等效率曲线方程

一台水泵是工频运行，另一台水泵为变频运行.此时水泵所需扬程H=23.5m，工频泵在Q-H曲线上运行，将H代入方程求得其流量：Q工=69.58 m3/h，工频泵此时在水泵高效区内运行.另一台变频泵的流量Q变=Q-Q工=111.5-69.58=41.92 m3/h.此时过变频泵工况点的等效率曲线方程为：

3.5 求解变频泵运行等效点工况参数，并计算变频泵运行时的转速比

计算变频泵运行相应于工频泵等效点的流量，将水泵Q-H曲线方程和变频泵工况点的等效率曲线方程联立，解得=50.27m3/h.工频泵等效点的扬程=0.013×50.272=32.85m.此时，变频泵的转速与额定转速的比率为：

3.6 选泵情况的分析

从以上结果看出，当市政供水压力为P市=0.2 MPa时，用水高峰用水量达到设计秒流量Q时，两台水泵(工频泵和变频泵)都处在水泵的高效区内运行，水泵选型是合理的.另外，可对最小用水量时进行水泵的工况点的分析和计算，其方法类似.

4 结论

理论上管网叠压给水设备能利用市政给水管网的剩余水压是更节能省电的.但在实际实用中，如果水泵的选型不当，使水泵大多数时间不能在高效区域内运行，由此会造成水泵的实际运行效率较低，因而达不到节能省电的目的，严重的情况可能出现比普通变频调速供水设备更耗电的现象[6].可见水泵的选型环节是很关键的，如果发现水泵在大部分工况下超出高效区的范围或变频泵的调速率小于75%，应考虑更换泵型，以达到真正的节能效果.

[1]韩杨杨.叠压供水优化设计软件及控制系统的研究[D].南昌:南昌大学,2012.

[2]水浩然.管网叠压(无负压)给水设备增压水泵的选用与核算方法[J].给水排水,2007,33(6):94-97.

[3]水浩然,柳兵.再谈管网叠压(无负压)给水设备增压水泵的选用与节能判别[J].给水排水,2007,33(12):99-102.

[4]杨贵春,樊建军,林林.管网叠压供水系统水泵选型软件开发[J].节水灌溉,2008(11):37-39.

[5]上海市城乡建设和交通委员会.GB50015-2003建筑给水排水设计规范[S].2009年版.北京:人民出版社,2010.

[6]乔庆,郑小明.叠压供水与市政给水系统的综合节能分析[J].建设科技,2013(8):63-66.

【编校：许洁】

Pum p Selection and Energy Saving in the Pressure-superposed W ater Supp ly System

HANYangyang
(SchoolofElectromechanical Engineering,WuyiUniversity,Wuyishan,Fujian 354300,China)

Starting from the changesof centrifugal pump working condition and characteristic curve to determine efficient regional range ofpump operation,the pump efficiency and the characteristic curvewere analysized,and the pump performance parameterswhich ensure the efficientoperation of the system were offered.By using engineering example to verify the correctness of the pump selectionmethod,the results show that only when selection and operation ofwater pump are both reasonable can pressure-superposed water supply system obtain the expected energy-saving effect.

pressure-superposed watersupply;characteristic curve;pump selection;energy saving

TU991.35

A

1671-5365(2014)12-0059-03

2014-08-29修回：2014-09-15

韩杨杨（1981-），女，助教，工学硕士，研究方向为供水系统的设计与控制

时间：2014-10-14 15:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20141014.1531.001.htm l