（环境与资源保护法学专业论文）城市供水系统的节能与优化研究.pdf

中文摘要 i 摘 要 供水系统是城市重要的基础设施，也是重要的能耗大户，具有巨大的节能潜 力，降低供水系统的能耗是社会健康发展对供水企业的要求，也是供水企业提高 经济效益的主要途径。由于供水系统投资大、系统复杂、 、涉及面广，目前我国供 水系统在规划设计、运行管理方面都存在不同程度的不合理现象，造成了对电能 的利用效率低，浪费了能源，增加了企业的成本。因此，本文以城市生活给水系 统为研究对象，从给水系统的几个主要方面出发，进行了节能和优化的研究。 本文以城市供水系统的节能和优化为研究目的，在借鉴前人已有成果的基础 上，系统的研究了供水泵站的节能与优化、给水管网的节能与优化、管网漏损的 科学控制、供水管材的优化选择等四个方面的内容。 供水泵站的节能与优化 在城市供水系统中，泵站的节能改造与优化运行是降低供水能耗的主要途径。 文章对泵站节能改造的方法进行了理论分析，介绍了泵站优化选型的方法，建立 了优选水泵的数学模型，对于泵站的优化运行，建立了优化运行的数学模型，通 过工程实例验证了水泵选型模型和优化运行数学模型的可行性。 供水管网的节能与优化 供水管网的合理规划和设计是实现节能的关键步骤。文章对输水管和配水管 网的分区节能原理进行了理论分析，分析了管网合理布置的方法。对长距离输水 管的输水方式和输水方式的选择进行了分析。文中综合管网分区的投资和运行费 用情况，建立了管网合理分区的年费用模型，通过工程实例对管网是否分区进行 了分析，利用管网分区数学模型估算了管网统一供水和分区供水的年费用，结果 验证了管网分区的节能效果和经济的可行性。 管网漏水的科学管理 节水就是节能，城市供水管网漏损率高是供水企业高能耗的主要因素。文中 分析了管网漏水的主要原因，对供水管网漏损指标进行了分析并对漏损指标的选 用提出了建议。文中介绍了控制管网漏损的几种主要对策，从经济的角度分析了 管网的经济漏损水平，提出了经济漏损率的数学模型。经过管网漏损控制的实例 分析和经济计算，表明供水企业仍未达到经济漏损水平，仍有很大的降漏空间。 供水管材的优化选择 重庆大学硕士学位论文 ii 供水管材的优化选择是管网节能降耗和降低投资的重要方面。文中对常用供 水管材进行了介绍和比较分析，综合考虑水质、安全可靠性、水力条件等因素， 应用价值分析法对供水管材进行优选，根据分析结果对输水管材、大中、中小口 径管材的选用进行了推荐。 关键词：节能改造，优化运行，合理分区，经济漏损水平，价值分析法 英文摘要 iii abstract water supply system is one of the most important infrastructures in urban,which is also a large energy consumer with huge energy- saving potential. reducing the energy consumption of the water supply system is the requirement of social healthy development to water supply enterprises, but also the main approach of water supply enterprises to improve the economic benefits. as the water supply systems is large in investment, complex in system, involve wide range, currently in the planning and design, operation management of our water supply system, have irrational phenomenon to varying degrees ,cause the use of energy inefficient and waste of energy, increase business costs. therefore, aimed at water supply system of urban, from the several major point of water supply system, energy saving and optimization are studied in this paper. in this paper, for the purposes of researching energy saving and optimization of water supply systems, based on previous research achievements, the paper systematically studies four parts as follows: energy saving and optimization of water pumping station, energy saving and optimization of water distribution networks, scientific control of pipeline leakage and optimal selection of water supply pipe. energy saving and optimization of water pumping station. in urban water supply system, pump station energy saving upgrading and optimal operation is the main way to reduce energy consumption. this paper analyzes energy saving upgrading methods in theoretical of pump station, introduces the ways to optimal select the pumps of pump station, and builds a mathematical model of optimizing selection of water pump. for optimal operation of pumping stations, this paper sets up a mathematical model of optimal operation. pump optimal selection model and optimal operation model are verified by an engineering case and the result proves the feasibility of the models. energy and water supply network optimization reasonable planning and design of water supply network is the critical step to achieve energy saving. the paper analyzes the energy saving principle to the zoning water supply of the water pipes and water pipe network, analyzes the reasonable method of pipe network layout. the paper analyzes the pipe ways and the choice of pipe ways of the long- distance water pipe. together with the zone network investment and 重庆大学硕士学位论文 iv operating cost, the paper establishing a cost model of pipeline network about reasonable partition, and analyzes whether zoning through an instance of the pipeline network. utilizing the cost model of pipe network, the paper estimate annual costs of water supply unified and zone, results shows the energy saving effect and economic feasibility of the pipe network zoning. scientific management of pipe network leakage saving water is saving energy. high leakage rate of water supply networks is the main factor of high energy consumption of water supply enterprises. the paper analyzes the main leakage indicators of the water supply pipe network and offers proposal to the leakage indicators choice. the paper introduces several main measures to control of the pipeline leakage s. from the economic point of view, the paper analyzes economic level of leakage of pipe network, and presents a mathematical model of economic leakage rate. through the example analysis and economic calculation of pipe network leakage, the results shows that the water supply enterprise has not yet reached the economic level of leakage, there is still much room for reducing leakage. optimal selection of water supply pipe optimal selection of water supply pipe is a important aspect of energy saving and reducing investment in pipe network. commonly used water supply pipe are introduced and comparative analyzed in the paper. comprehensive consideration of water quality, safety and reliability, water conditions and other factors, value analysis method is applied to the optimal selection of water supply pipe. according to the results of analysis, delivery pipe, large- medium and medium- small diameter water pipeline are recommended in selection and use. key words: energy saving upgrading, optimal operation, reasonable zoning, economic level of leakage, value analysis method 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 问题的提出及研究的意义 1.1.1 能耗状况 水是人类赖以生存和人类社会发展的物质基础之一，随着国民经济的快速发 展和人民生活水平的提高，生产和居民生活用水量持续增加，并且对水质、水量 的要求不断提高，因此，向人们高效率的提供足质、足量的自来水成为城市供水 系统所承担的一项非常艰巨的任务。 近年来，我国城市供水量和供水规模迅猛增加。1990 年我国城市供水综合生 产能力为 1.42108m3/d，2004 年达到 2.48108m3/d，增加了 74%；1990 年服务人 口 1.56108人，2004 达到 3.03108人，提高了 94%，其中公共供水设施生产能力 到 2004 年底达到 1.68108m3/d，比 1990 年的 0.59108m3/d 提高了 185%，服务人 口 2.67108人，比 1990 年的 1.12108人提高了 137%1。 城市供水系统是城市的命脉和维持城市运转的根本保证，然而，供水企业也 是城市的耗电大户，供水系统在在输、配水过程中的能耗比重较大，电耗成本平 均占自来水总成本的 30%40%2。 据统计资料， 2000 年， 我国总用电量为 1.351012 kwh，工业总耗电量为 0.971012kwh，其中供水行业的用电量达 1.451010kwh， 供水行业的用电量占全国总用电量的 1.08%，占工业用电量的 1.51%3。并且，随 着我国供水事业的快速发展，城镇供水量不断增加，供水行业的新增用电机组和 用电量每年也快速增长。 1.1.2 节能潜力 城市供水企业耗电量如此之大，其用电效率如何呢，实际上全国的供水企业 的用电效率并不令人满意。我国供水系统的电耗均值目前约为 0.40kwh/m 3,而据美 国的供水管理机构（aws）对 100 家水厂的调查结果表明：美国供水系统的电耗 均值为 0.50 kwh/m34。从单位电耗上看，美国的单位电耗比我国还要高，但是美 国大部分水厂都采用深度处理技术，水厂的污泥全部进行了脱水处理，而我国的 绝大部分水厂仍采用的是常规处理工艺，且未对污泥进行脱水处理，由此可见我 国供水企业在节能方面与美国存在较大差距。 供水系统中 70%以上的电能是用来维持水泵运转的，因此水泵的运转效率直 接关系到整个供水行业的能耗水平。水泵的运行效率差异较大，最高的达 92%95%，低的不足 50%，我国电动机平均设计效率为75%，比国际先进水平低 5%，而电机实际工作效率只有 40%60%，比国外平均水平低 20%左右，电能浪费 十分严重，供水泵站的实际电耗往往大于 450kwh/(km 3.mpa)，尤其是山区城市， 重庆大学硕士学位论文 2 地形复杂，水泵运行效率普遍偏低，就重庆市来说，2002 年重庆市自来水行业节 能率呈现负增长5。据中国能源研究会的专家测算，全国每年因设备效率低下造成 的电力浪费近 2000 亿 kwh，其中风机、水泵等设备浪费的电能约占 30%40%。 近年来，全国电力需求持续快速增长，电力高峰时期造成我国的电力供应紧张， 因此应大力发展节电技术，采取措施，提高泵站的用电效率，提高供水企业的经 济效益和竞争力。 我国城市供水行业 2010 年技术发展规划及 2020 年远景目标要求1：供水 企业单位电耗到 2010 年要达到 380kwh/(km 3 mpa)，2020 年要达到 350 kwh/(km 3 mpa)的目标。目前我国供水企业的能耗水平与这一要求还有较大差距， 节能潜力巨大。 1.1.3 节能和优化的意义 建设部颁布的我国城市供水行业 2000 年技术进步发展规划中提出了“ 二 提高、三降低” 的供水目标，将“ 降低低能耗” 放在了“ 三降低” 的首位，并在我国城 市供水行业 2010 年技术进步发展规划中再次明确提出：供水企业技术进步的核 心是积极采取实用的先进技术与经验，以较低的投资和运行成本，有效的完成提 高水质和保证水量的要求。 对城市供水系统进行节能和优化的研究，降低能耗作为我国供水行业的目标 之一，是提高供水企业经济效益的重要手段，也是缓解我国当前用电紧张的重要 措施，能够促进我国供水事业的健康、快速发展，具有重要的经济和社会意义。 1.2 国内外供水系统节能与优化研究现状 降低供水系统的能耗是社会对供水企业要求集约健康发展的需要，也是供水 企业提高经济效益的主要途径。由于供水系统涉及面广、系统复杂、投资大，目 前我国的供水系统的规划设计、运营管理和更新改造存在不同程度的不合理现象， 造成了对电能的利用效率低，浪费了能源，增加了企业的成本。目前国内外供水 企业节能和优化的研究主要集中在泵站和管网的优化设计和优化运行调度方面， 到目前为止，已经取得了很大的成果。 1.2.1 泵站的节能优化 泵站的节能优化主要包括水泵的优选和泵站的优化运行。 在水泵的优选方面69，主要用严谨的数学方法来优化选择水泵，在优化方法 的研究方面，国外主要用枚举算法、图解法和动态规划法。在枚举算法方面， b.ulanicki 和 j.p.rance(1993)等运用优化枚举法对水泵进行优选，该法对水泵设置 多个约束条件，每个约束条件都对水泵进行一次筛选，只有所有符合约束条件的 水泵才被列入优选结果。该法可以找到最优解，但计算时间过长。图解法方面， 1 绪 论 3 timothy d.hirrel(1989)用此方法进行水泵的选取，该法首先建立用水量曲线，根据 用水量的变化来确定水泵的流量和扬程。此方法选取的水泵比较切合供水系统某 一时期的运行状况，但该方法不适合复杂的泵站，特别是既有定速泵又有调速泵 的泵站， 只适合简单的泵站。 动态规划算法 dg （dynamic programming） ， chen(1988) 认为，在没有水塔的供水系统中，dg 算法适用于选出可以提供最优连续流量的水 泵，little 和 mccrofdden(1989)则发展出一种 dg 算法来选择水泵的最优组合，此 算法的目标函数中既包括能耗相，也包括高峰流量相。 国内的学者主要采用图解法和整数规划法来选泵,图解法是根据系统特性曲线 和水泵的特性曲线，找高效段复合系统水量水压要求的水泵。这种方法计算简单， 容易理解，适用于简单水泵站的水泵的选取。整数规划法是将流量- 时间曲线分成 不同的供水阶段，用枚举法为每一阶段选择适合的泵，再将各阶段的水泵型号可 能的情况进行排列组合，列出所有可能方案，再比较这些方案的年费用值，年费 用值最小的为最优解。该法计算量太大，且仅以费用值作为衡量标准过于片面。 在泵站的优化运行方面1015，国外对水泵优化运行研究的比较多。自 dreizin 等人提出了动态规划算法（dg 算法） ，以后发展出来的泵站实时运行算法大都是 该方法的应用。sterling 和 coulbeek(1975)demoyer 和 horwitz(1975)sabet 和 helweg(1985)都曾用 dg 法构造算法并将其应用于简单的系统。carpentier 和 cohen(1984) zessler(1984)则 将 实 时 控 制 策 略 应 用 于 较 复 杂 的 系 统 。 holland(1975)、goldberg(1989)wang(1991)等人(1994)采用的基因算法(ga)， dougherty和marryott(19911993)等人(1992)采用的煺火算法这些离散的优化算法 来降低水泵的运行费用， 其中 a.b.asakarya(2002)在优化运行中还考虑了水质的影 响。这些算法虽然适用范围广，但由于所需要的计算时间太长而不适于在线控制 的实际应用。s.pezeshk 等人(1996)提出了适合在线控制的方法：适应性搜索最优 化方法 asa(adaptive search algorithm)。asa通过用系统特性系数搜寻全域最优解 获得次优起始状态的方法来缩短求解时间。每一次循环都将泵和管道特性系数更 新一次，而且加入一系列新的最优泵，从而产生一个新的更高效的泵组合形式， 这一方法的一个主要优点是可以实时求解，可以处理大型的、复杂的系统，而且 便于使用，一切都由程序来完成，该方法的缺点是不能产生全域最优解，因为目 标函数是非凸结构的。paul w.jowitt 等(1989)将线性规划运用于制定水泵 24 小时 内的最优运行时间安排，将所有水泵的耗电量设为各台水泵的运行时间、水量、 扬程的线性函数，系统的特性系数、各水泵的极限流量扬程作为约束条件，求 函数的最小值。keith w.little 和 brian j.mccrodden在此基础上发展了混合整数线 性规划法 milp(mixed- integer linear programming)，他们建立了一个相应于使用时 间安排 tou(time of use)的最优化模型。模型的目标函数是规定每一种泵或泵组合 重庆大学硕士学位论文 4 的运行小时数，使总能量消耗(其中包括商业能源，需要性消耗以及发电机运行消 耗)最小，模型的约束条件是满足供水系统的平均最大最小需水量以及相应扬 程要求。 国内优化运行的方法主要有动态规划法、非线性规划法和线性规划法，动态 规划法需要将状态变量离散化，离散点越多，精度越高，但是需要的计算时间也 越长。由于水泵的特性曲线成线性，所以用非线性规划较难实现，而且难得到全 局最优解。 1.2.2 管网系统的节能优化 管网系统是城市供水系统的重要组成部分，占供水系统总投资的 60%80%， 消耗掉 90%以上的运行能耗。因此对管网系统进行节能和优化的研究具有很高的 经济效益和社会效益，用来指导当前我国城市管网系统的优化设计和节能改造。 对管网的优化研究，主要通过抽象或简化的管网模型，借助最优化的理论、 方法、数值计算方法和计算机技术，寻找出既能满足工程设计要求，又能降低工 程造价和运行管理费用的最优设计方案，作为工程建设和运行管理的技术依据。 管网的优化设计始于上世纪 60 年代，几十年来，国内外学者对管网的优化设 计和节能技术方面进行了广泛而深入的研究，取得了重要的成果，管网设计优化 模型和算法在工程实践中得到广泛的应用，成为提高系统设计水平和设计效率的 重要工具。 管网优化设计模型可分为数学规划模型和非数学规划模型，数学规划模型应 用最为广泛，包括线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型和整数规划模 型等。 alperovits、shamir 和 quindry 等16人使用线性规划方法求解管网优化问题， 在满足环状网的约束条件下，使用梯度搜索方法寻找管网模型最优的值，此模型 能够方便的求解环状网的优化设计。morgan 和 goultor 17基于线形规划方法提出 了一个两步式试探步骤：(1)通过模拟管网中多种用水情况，求出管网的各种水力 条件；(2)搜索新的水力条件使管网投资最少，然后不断优化同样的步骤，求得最 优解。lansey和 may 18应用非线性规划方法，在考虑了布置泵站、蓄水池、阀门 等的情况下，求解管网优化模型。此模型实用性广，适用于枝状、环状管网，更 能准确的反映管网的实际情况，缺点是没有考虑管网的可靠性。 20 世纪 80 年代以来，一些全新计算方法的出现，极大促进了最优化技术的发 展，现代最优化方法有遗传算法、神经网络、模拟退火算法等，这些算法又称启 发式算法，是一种基于直观或经验构造的算法。 国内的学者在管网优化设计的研究中，也取得了很大的成就。王彤、赵洪宾19 等针对我国城市给水管网改扩建过程中遇到的实际问题，提出了采用直接优化方 1 绪 论 5 法 约束非线性混合离散变量规划方法 进行管网优化改扩建模型的计算，从而 确定出各改扩建管段的最优管径和各水源最优水量分配。周云等20提出了一种给 水管网优化设计方法，该方法分三段进行，先用最小二乘法分配管段通过流量， 再用无条件极值法计算优化管径，最后对计算管径按市场规格管径取整，这种方 法具有实用、可靠、便于调整、计算快、易收敛等优点。吕谋、赵洪宾等21根据 给水管网的水力特性，构造了以管段压力及管段流量为求解变量的优化设计目标 函数，利用线性约束的特点，采用了优化效率明显的简约梯度法进行计算，通过 目标函数变换，一次性解决了圆整地难题。邹林等22利用遗传算法进行给水管网 的管径进行优化设计，该算法从多个初始点开始寻优，采用交迭和变异算子避免 过早的收敛到局部最优解，可获得全局最优解，且不受初值的影响。 1.3 现有供水系统的节能措施 我国城市供水行业 2010 年技术进步发展规划及 2020 年远景目标要求1： 供水企业要通过资源整合、科学调度、自动化、信息化及设备优化和节能降耗等 措施实现成本优化，达到提高管理效率、劳动效率的目的。城市供水系统的节能 主要在于泵站和管网部分，因此节能的措施也主要通过水泵的优化组合和优化调 度，管网的优化设计、管材的合理选择、管网的科学管理这几方面来进行的。 优化泵站的设计和管理 供水系统 70%的电能消耗在加压泵站，因此对泵站的优化设计和优化运行管 理至关重要，泵站的安全高效运行关系到整个供水系统的节能和安全可靠性。提 高泵站对电能的利用率就是对泵站进行设计、运行的优化和对水泵的节能改造。 我国水泵在实际应用中效率普遍低，平均运行效率比国外低 10%30%，其原 因除生产技术水平的原因外，另外就是采用的节能技术和措施不合理，水泵选型 和运行管理不当，使水泵经常在高效段以外运行。因此节电潜力很大。 水厂中泵站节能的科学手段主要有三种：对水泵的叶轮进行切削使其能在高 效段运行；安装调速装置使水泵调速运行；对水泵优化选型和优化运行搭配。 输配水管网的优化设计 供水系统泵站的一部分扬程用于克服管网的水头损失，合理设计给水管网可 以降低管网的水头损失，降低水泵的扬程，管网的压力也随之减小，漏损率也随 之降低。因此，输配水管网优化设计时，管线要充分利用地形，尽量利用有利地 形采用重力供水；给水主干管要尽量敷设在用户较多或地形较高的位置上，保证 主干管以最短的距离送到用水量较大的用户；对于地形起伏较大的山地城市，往 往根据地形采用分区给水、局部设立加压泵站的方式降低供水能耗，提高供水系 统的经济性和可靠性。 重庆大学硕士学位论文 6 降低管网漏损 供水耗电量与供水量成正比，降低管网漏损可以减小供水量，降低供水能耗。 目前我国供水行业漏损比较严重，据建设部 2002 年对 408 个城市的统计表明：我 国城市公共供水系统的管网漏损率平均达19.06%， 全国城市供水系统年漏损近100 亿立方米23。我国城市供水行业 2010 年技术发展规划及 2020 年远景目标要 求1：到 2010 年供水企业管网漏损率低于 12%，2020 年大中城市管网漏损率控制 在 10%以下。因此，应加强对供水管网漏损的管理，采取合理的措施降低管网的 漏损，应选择经济可靠的管材、加强管道的施工质量、合理控制水压等措施来降 低管网的漏损，减少供水的损失，这对供水企业节能降耗、提高企业的经济效益 具有重要的意义。 合理选择管材 材质因素对供水的节能来说也是不容忽视的，不同的材质阻耗有很大的差异， 粗糙度大的管材引起阻耗增大，浪费能量，故应尽量采用内表光滑、耐腐蚀的管 材，这样才能达到节能耐用的效果。目前我国城市供水管网还不完善，管网老化 问题比较突出，管道锈蚀漏损现象严重，导致供水能耗增大，水质二次污染现象 增加。今后几十年是我国城市化快速发展时期，每年的新建管网和旧管网的改造 需要大量的给水管材， 由于管网投资所占比重大， 造价往往占整个供水工程的 50% 以上，而各种管材的性能、经济指标差异较大，所以为了保证供水水质、降低运 行费用、减少工程投资，合理选择给水管材是优化管网的重要步骤。 1.4 课题研究的目的、内容和技术路线 1.4.1 研究的目的 通过分析目前城市供水系统能耗、设计、运行管理方面的现状，提出了对供 水系统进行节能、优化研究的必要性；分析研究城市供水系统中存在的问题，从 而找出给水系统中节能的措施、优化设计的方法，为城市供水系统的设计和管理 提供技术参考。 1.4.2 研究的内容 城市供水系统节能和优化研究主要包括以下四个方面的： 泵站的节能与优化 给水管网的节能与优化 管网漏损的科学控制 给水管材的优化选择 1.4.3 研究的技术路线 收集相关资料，调研数据，分析归纳总结； 1 绪 论 7 找出城市供水系统中存在的问题； 提出合理的节能措施和优化方法，并分析其原理和思路。 应用工程实例，对相关数据进行分析，验证节能措施和优化方法，进行技 术经济分析。 重庆大学硕士学位论文 8 2 供水泵站的节能与优化 供水企业是城市的耗电大户，而在整个供水系统中，泵站的耗电量占整个供 水系统用电量的 70%左右，但供水泵站水泵运行的效率普遍不高，有的甚至仅有 30%， 能量浪费十分严重， 因此探讨供水泵站的节能与优化， 对泵站进行节能改造， 使其在高效区运行，不仅能达到泵站运行高效、安全可靠的目的，更具有巨大的 经济效益和社会效益。 2.1 水泵的节能改造 2.1.1 叶轮切削 水泵叶轮切削的原理25 在一定的切削限度内，叶轮切削前后满足下列关系： d d q q = ， 2 = d d h h ， 3 = d d n n (2.1) 式中 q、h、n、d分别表示水泵叶轮切削前的流量、扬程、功率、和叶 轮直径； q 、 h 、 n、 d 分别表示水泵叶轮切削后的流量、扬程、功率、和叶 轮直径。 方程组（2.1）为水泵切削律，可以看出，叶轮切削可以显著降低水泵的轴功 率。 由水泵切削律得：k q h q h = 22 k 叶轮切削系数。 推广可得： 2 kqh = (2.2) 式(2.2)称为叶轮切削抛物线，凡是满足切削定律的工况点都在这条抛物线上， 在切削限度内，叶轮切削前后的水泵效率可视为不变，又称为等效率曲线。 叶轮切削改造的方法24 2 供水泵站的节能与优化 9 图 2.1 为叶轮切削改造示意图 fig.2.1 sketch for pump reconstruction by means of impeller cutting 曲线oa、ob间的区域是水泵的运行高效区。首先根据 min q最大扬程 1st h确 定 d 点,根据最大流量 max q和最小扬程 2st h确定e点；将d、e两点的流量和扬程 分别代入（2.2）求得d、e两点的叶轮切削系数 d k、 e k，作过d、e点的切削 抛物线 2 qkh d =和 2 qkh e =，交水泵特性曲线的交点 d 、 e ，如果 d 、 e 两点 落在水泵的高效区内，从图中读出相应的流量 d q和 e q，然后根据切削定律可求 得d、e两点对应的叶轮直径： d d q dq d min =, e e q dq d max = ,则 d d、 e d较大者对应 的点就是系统最不利工况点， 以较大者作为叶轮切削的依据， 当d、e两点与hq 曲线的距离有明显差异时，只需要计算出距离较近的那一点的叶轮直径作为切削 的依据。 叶轮切削时水泵节能改造技术中投资小、简单易行的一种方法。在一定的条 件下，通过适当切削水泵的叶轮，改变水泵的性能工作曲线，从而改变水泵的运 行工况点，达到提高水泵运行效率的目的。叶轮切削的办法不能彻底改变水泵的 性能，只能在较小的范围内改善水泵的性能参数。 水泵叶轮切削如果在规定的切削范围之内，效率变化很小，可以认为近似不 变，不同水泵的切削量见表 2.1。 表 2.1 水泵叶轮切削效率下降表25 table2.1 table about the efficiency s reduce though impeller cutting 比转数 60 120 200 300 350 最大允许切削量 （%） 20 15 11 9 7 效率下降值 每切削 10%下降 1% 每切削 4%下降 1% 重庆大学硕士学位论文 10 从表 2.1 中可知，比转数越大的泵，最大允许切削量越小，且效率下降愈快。 因此，叶轮切削作为水泵节能的潜力还是有限的，在水泵工况远离高效区的情况 下，要采用变频调速或更换水泵的办法进行改造。 2.1.2 调速运行 变频调速的原理25 当离心式水泵转速改变时，其特性曲线也随之变化，改变水泵的转速，即能 改变水泵的特性，达到调节水泵的扬程、流量、轴功率的目的，根据水泵的比例 定律，改变水泵的转速，可以改变水泵的运行参数，在一定转速变化范围内，水 泵调速前后满足： n n q q = , 2 = n n h h , 3 = n n n n (2.3) 式中 q、h、n、n分别为水泵额定转速时的流量、扬程、功率和转速； q 、 h 、 n、n分别为水泵调速后的流量、扬程、功率和转速。 由（2.3）可知，水泵转速降低，轴功率大幅下降，降低水泵的转速可以显著 降低水泵的轴功率，降低能耗；扬程随转速以二次方的关系变化，较好的适应了 供水扬程变化大的情况。 从理论上讲，转速降低 10%，水泵流量减少 10 %、扬程降低 19 %、轴功率降 低 27 %。由此可见 ,降低水泵转速将引起轴功率大幅度降低。 变频泵的调速范围26 变频泵的调速只改变水泵的特性，并不改变管路特性，变频泵转速调节在一 定的范围内，水泵特性遵守相似原理按比例变化，但当水泵的转速过小时，水泵 的效率将急剧下降，超过调速的范围则难以实现节能的目的。 图 2.2 调速泵运行工况图 fig.2.2 schematics of the governed speed pump 2 供水泵站的节能与优化 11 如图 2.2 所示， 分别作出泵在额定转速和最低转速 （不宜低于额定转速的 60%） 下的特性曲线，在泵额定转速的特性曲线上, 以最高效率下降 (一般取= 5 % 8 %)为界作 a、b 两点, 并过 a、b 点分别作相似抛物线 l1、l2，l1、l2分别与泵最 低转速下的特性曲线交于 c 点和 d 点。水泵运行时的高效区为额定转速和最低转 速条件下对应的特性曲线与相似工况抛物线 l1、l2所围成的扇环区域 abcd。因此, 在泵并联运行的扬程为 0 h (或 0 h)时,调速泵运行的高效区为ef (或 f e)。则相 应的流量范围为： = ci xi xi i ciai i hh s hhk hhq h h q 0 0 min 2 0 ai 0 min , , （2.4） = bibi biai xi xi i hhq h h hhq s hh q 0 bi 0 0 0 max , , （2.5） 则由相似定律可得，调速泵最大流量 maxi q 和最小流量 mini q 对应的调速率分 别为: = ci ci i hh hh h h k 0 0 ai 0 max , 6 . 0 , （2.6） = bibi bi i hhq h h hh k 0 bi 0 0 max , , 1 （2.7） 2.1.3 更换水泵 更换水泵的方案适用于现有水泵工况和实际工况相差较大，泵站效率不能得 到明显提高时采用，改造后水泵效率得到较大提高，节能效果明显。 但有以下不足: 现有泵房内的管网己经确定，如要换泵则相应的吸水管和出水管需更换， 有的管路需要移位，这样工程量较大，不容易实现。 供水要求是在不断变化的，换泵只能适应一段时间内泵站高效运行的要求， 因此通过换泵来提高泵站效率的方式是不经济的。 全部更换水泵投资太高，若部分更换水泵又会出现新泵与原有水泵特性曲 线不同，致使并联运行时只能形成部分并联，工作区域小且运行工况不易控制。 重庆大学硕士学位论文 12 通过以上分析可以发现换泵方案需要进行相应的配套改造，而且需要停水作 业，该方案投资大，不应首先考虑。 2.2 供水泵站的优化选型 给水泵站的优化配置是泵站设计的重要课题，在保证管网流量、压力的前提 下，泵站的选项是否合理，不但影响硬件投资，更影响以后泵站运行的效率，许 多泵站运行效率偏低，优化运行时难以找到最优解，水泵选型不合理是其主要原 因，因此，为了降低泵站的能耗，提高供水企业的经济效益，在泵站设计和改造 过程中，对水泵进行优选，对以后泵站的优化运行，降低泵站的能耗，具有重要 的意义。 2.2.1 优化选泵的方法 合理选择水泵是泵站节能的第一步，合理选择水泵包括合理选择水泵的型号 和数量。合理选择水泵具有以下要求：符合供水系统设计扬程和设计流量的要求； 每一台水泵能够在高效区运行；机组大小和台数应使泵站投资最省，运行费用最 少，便于维修和管理。 传统二泵站的设计方法都是以最高日最高时流量均分 4- 6 分后作为单泵额定 流量，以计算扬程作为额定扬程进行选泵，这样选泵虽然能满足最高时供水，但 不利于流量的调节，容易导致水泵运行效率偏低。改进的选泵方法是在原均分流 量选泵的基础上，增加一台或两台约为原大泵流量一半的小泵，大小水泵扬程基 本相同，这样不同型号的大小水泵相互搭配，或增设调速泵调速运行。 泵站在实际运行中一般都是定速泵和调速泵多台水泵并联运行，如完全采用 调速泵，从节能角度考虑是最优的，但调速设备价格昂贵，完全采用调速泵是不 经济的。对泵站进行优化选型首先对满足要求的水泵进行分析，找出所有可行的 水泵搭配方案，然后对这些方案进行比较，最常用的比较方法是年综合费用法。 2.2.2 选泵模型的建立 选泵数学模型 对于水泵站的选泵方案，其优劣只有通过各方案之间的相互比较才能得出， 因此决定用泵组的年综合费用作为选泵模型的目标函数，年综合费用最小的为最 优方案。目标函数为27： 4 111 10) 1000 () 1)1 ( )1( )( = + + + += tc hgq f i ii pmz kn i i ii y y l i i n i i （2.8） z 泵站年综合费用，万元/年； 2 供水泵站的节能与优化 13 n 所选用的水泵数目（包括备用水泵） ，台； k 备用水泵的数目，台； l 变频调速器的数目，台； i m 第i台水泵和电机的初投资，万元； i p 第i台变频器的初投资，万元； y 投资回收期的年限，a； f 设备大修费用； 输送介质的密度； i q 第i台水泵的流量，hm / 3 ； i h 第i台水泵的扬程，m； i 第i台水泵的扬程的总效率（%） ； t 水泵的年运行时间，h； c 电价，元hkw/； i 银行利率； g 重力加速度，为 9.81 2 /sm。 约束条件 1）扬程约束 水泵站 t 时刻提供的扬程必须大于或等于系统 t 时刻所需扬程: tit hh 2）流量约束 水泵站 t 时刻提供的总流量必须大于或等于供水流量: = kn i itt qq 1 ), 2 , 1(ni = 3）调速水泵运行安全约束 调速水泵的转速不得低于额定转速的 50%，以免泵的机械性能遭到破坏。 4）水泵效率约束 水泵进行优化选型的最终目标是达到总体最经济，而总体最经济也包括每一 台水泵的经济性，因此各台水泵的各时刻的效率不能太低，也就是说各台水泵各 时刻都必须运行在高效区内。 水泵扬程的确定 泵站的扬程是通过管网特性曲线来确定的，管网特性曲线的常用表达式是： 2 0 sqhh+= （2.9） 重庆大学硕士学位论文 14 式中 h 泵站扬程，m； 0 h 管网最不利点静扬程； s 拟合参数； q 泵站流量，sm / 3 。 当管网确定以后，管网的特性曲线是不随流量和压力而改变的，所以可根据 已有的水量、水压数据直接代入式（2.9） ，求解系数，确定特性函数，用于流量已 知扬程未知系统工况的扬程的求取。 本次分析的工程实例是一个泵站的改造项目，从泵站已有的资料可知 h0=19m，最大时用水量为 1640.8m3/h=0.456m3/s，最大时的扬程为 45m，此时沿程 阻力和局部阻力之和 sq2=26m，可以求出 s=125.6m/(m 3/s)2。本系统管道特性曲线 的表达式为： 2 6 . 12519qh+=。 2.2.3 参数的选取 投资回收期年限 y 投资回收期包括拟建项目的建设期和寿命期，对于寿命期很长的项目，其投 资回收期可以低于寿命期，给水工程的基准投资期为 1015 年，投资回收