取水泵站运行工况与供水量的动态关系

取水泵站运行工况与供水量的动态关系

1水源的最枯水位与系统的最粗目前，中国的设计手册和教科书使用最大日用能量和供水管的损失来确定供水泵的设计流量。通过将进水管安装在进水口的水面和最终水位之间的标差（静差）和进水管的当前流量以及设计流量的水损失来确定泵的溢流量。当水源水位和供水量之一的发生变化时，如果两者之间发生变化，最大最末水位和最大流量之间可能会同时出现，这种设计方法应该是正确的。工程实际中,供水量和水源水位虽然并不是每天都有明显变化,但随着季节的不同都会在一定范围内变化。在我国,比较普遍的情况是:每年的1月—3月为河流的枯水期,净扬程最大,但此期间属于冬季,无论是家庭生活用水量、城市绿化和道路浇洒用水量还是工业冷却用水量都处于最低谷,系统的总供水量最小。而每年的7月—9月为河流的丰水期,净扬程最小,但此期间属于夏季,无论是家庭生活用水量、城市绿化和道路浇洒用水量还是工业冷却用水量都处于最高峰,系统的总供水量最大。由此可见,水源的最枯水位与系统的最大供水量存在明显的季节差异,不可能同时出现,现有设计方法不符合实际情况。图1为取水泵站水泵工作情况示意图。系统的供水量在Qmin与Qmax之间变化,净扬程在HST1与HST2之间变化。目前的设计方法是把C点作为设计工况点,而系统实际运行时夏季的流量与所需扬程位于E点,冬季的流量与所需扬程位于D点。显然,在水源水位和供水量变化幅度较大且最低水位与最大流量不可能同时出现的情况下,按现有方法所选水泵无论在夏季还是在冬季都超出了实际需要,将会造成水泵机组、变配电设备、泵房基建投资等方面的浪费,增大了折旧费用和运行费用。2水泵联合工作特性对于供水量和水源水位都在一定范围内变化的取水泵站,系统所需流量和扬程的坐标点处于动态变化之中。可以证明,如果季节变化时净扬程的减少与用水量的增大保持同步,坐标点将沿着图1中直线DE下侧的弧线DFE移动,弧线与直线纵坐标之差的最大值出现在平均流量和平均水位时,以下为具体证明。净扬程的减少与用水量的增大保持同步,就意味着对于任意的0<a<1,净扬程和流量满足以下关系:HST=HST1-a(HST1-HST2)(1)Q=Qmin+a(Qmax-Qmin)(2)在流量为Q、净扬程为HST时,系统所需的扬程为:HF=HST+SQ2=HST1-a(HST1-HST2)+S[Qmin+a(Qmax-Qmin)]2=HST1-aHST1+aHST2+S[Q2min+2aQmin(Qmax-Qmin)+a2(Qmax-Qmin)2]=HST1+SQ2min-aHST1-aSQ2min+aHST2+aSQ2max+S[2aQminQmax-aQ2max-aQ2min+a2(Qmax-Qmin)2]=HD-a(HD-HE)+S[-a(Qmax-Qmin)2+a2(Qmax-Qmin)2]=HG-a(1-a)S(Qmax-Qmin)2(3)式中S——输水管的比阻HG——流量为Q时直线DE上G点的纵坐标因为0<a<1,所以HF<HG,即动态坐标点总是位于直线DE以下,当a=0和1时两者相等,当a=0.5(对应于平均流量、平均扬程)时两者的差值最大。由以上分析可知,当水源水位和供水量随季节变化时,最不利工况点出现在D点或E点,所选水泵只要满足了D、E两点的供水要求,就能够满足变化过程中所有点的供水需要。当水源水位变化幅度小于或等于输水管水头损失的变化幅度,即(HST1-HST2)≤(Q2max-SQ2min)时,HD就不可能高于HE,那么最不利供水点为E点,选泵时只需控制流量变化范围在水泵的高效区以内,HE落在Q-H曲线上。当水源水位变化幅度大于输水管水头损失的变化幅度时,最理想的设计方案应该是系统的流量变化范围在所选水泵高效区以内,而D、E两点都落在水泵的Q-H曲线上。对于具体的工程实际问题,一般来说很难选到满足理想条件的水泵,那么优化的设计方案应该是D、E两点中的最不利点落在Q-H曲线上,另一点位于Q-H曲线下方,总的目标是HD与HE在不超出所选水泵扬程的条件下与Q-H曲线越接近越好。因此,对于直线DE向下倾斜角度不大的情况,宜选择Q-H曲线平缓的水泵;而对于直线DE向下倾斜角度较大的情况,则应选择Q-H曲线陡的水泵。工程实际中,经常遇到单台水泵的高效区无法覆盖流量和扬程变化范围的情况,这时就需要考虑水泵联合工作。图2为水泵联合工作特性曲线,当水泵并联工作时高效区的扬程不变,流量范围增大,Q-H曲线变得越来越平缓,因而适合于水量变化幅度特别大的系统。当水泵串联工作时高效区的流量不变,扬程范围增大,Q-H曲线变得越来越陡,在水位变化幅度特别大的场合可以考虑。3叶轮直径计算对于已经按照原设计方法建好的取水泵站,所选水泵必定超出了实际需要,运行时会造成大量能量浪费,有必要进行节能改造。具体途径可采取切削叶轮或改变转速,首先对叶轮切削量的确定方法进行说明。图3中a为单台水泵工作的情况,首先根据最小流量Qmin和最大净扬程HST1确定D点,根据最大流量Qmax和最小净扬程HST2确定E点;然后分别过D、E两点作切削抛物线,并找出切削抛物线与水泵特性曲线的交点D′、E′;最后利用切削定律分别求出D、E两点所需要的叶轮直径,取其中较大者作为切削叶轮的依据。当D、E两点与Q-H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。应该引起注意的是,如果E′超出了高效范围而位于B点右侧,说明E点的纵坐标低于切削抛物线0B与Qmax的交点F,这种情况下就应该对D、F两点所需要的叶轮直径进行比较。图3中b为两台水泵并联工作的情况,在确定了D、E两点之后,过D、E作水平线分别与Qmin/2和Qmax/2相交于D1、E1点,然后就可以按照与单台水泵相同的方法确定每台水泵经过切削后的叶轮直径。对于多台水泵并联工作的情况,只需将两台水泵并联时的Qmin/2和Qmax/2改为Qmin/n和Qmax/n(n为并联工作的水泵数量)即可。例如某大型企业的取水泵站,最大供水量为3.5×104m3/d,河流最低水位(出现在冬季)为42.53m,混合池水位为65.00m,原设计采用3台12sh-13型水泵(两用一备)。系统在冬季的最大供水量为3×104m3/d,根据水文部门提供的水位资料,夏季河流最低水位(保证率为97%)为47.67m。因工作水泵数量与输水管道数量相同,可按单台水泵进行分析(流量为50%)。水泵叶轮原直径为352mm,经分析计算,满足冬季供水要求的叶轮直径为322mm,满足夏季供水要求的叶轮直径为329mm。从供水安全考虑,决定切削后的叶轮直径为330mm。实际证明,叶轮切削后水泵能够满足供水要求,水泵轴功率下降了约18%。如果对水泵采取改变转速的方式实现节能改造,确定水泵转速的方法步骤类似于叶轮切削,区别仅仅在于过D、E两点所作的抛物线称为相似工况抛物线,计算所用的公式为比例律,计算结果是水泵转速而不是叶轮直径。对水泵采取切削叶轮或改变转速的方法进行节能改造时,叶轮切削量或转速的下调值都不得超出水泵的有效切削范围和有效调速范围,如果计算结果超出了有效范围,则应以有效范围的临界值作为切削叶轮或下调转速的依据,否则将无法保证水泵的高效运行。4设计优化设计方案目前的取水泵站设计方法在水源水位和供水量都发生变化时与实际情况不相符,所选水泵在任何场合下都超出了实际需要,从而造成了水泵机组、变配电设备、泵房基建投资等方面的浪费,增大了折旧费用和运行费用。优化的设计方案应该是分别根据冬季与夏季的用水量和相应的水源水位确定出系统的起控制作用的“需求点”,在选择水泵时应该保证“需求点”的流量在水泵的高效区以内,水泵扬程在满足“需求点”的要求后剩余值越小越好。最理想的情况是两