城镇二次加压供水设备运行方式探讨

城镇二次加压泵站在采用不同工艺运行方式时能耗有很大的差别，文中通过对泵站4种常用运行方式的电耗分析，提出了城镇二次加压泵站最佳工艺运行及其控制方式。

英文 With different  technical way of operation, there are great differences in the facet of energy drain of the secondary boosting pumping station,. By analyzing the energy drain   with four differently normal working of pump station, the article discusses the best technical way of operation and  the control way of the secondary boosting pumping station

关键词： 二次加压泵站 变频器 软启动 接力升压

本文对城镇二次加压泵站各种运行方式的能耗进行对比分析，提出适合于城镇二次加压泵站的运行方式，并且研制出了性能优越的适合于大中型变频供水设备的控制系统。本文提出的运行方式可以较大幅度的降低城镇二次加压泵站初投资和运行费用，设备运行平稳，可靠性高。

根据目前城镇二次加压泵站常用的配置及工艺运行方式，分四种运行方式进行能耗对比分析：

一、       水泵全速运行方式

此方式是将供水管网来水放入蓄水池，再用加压水泵将水直接供给用户，为分析方便，假定泵站有两台相同功率的水泵组成，一用一备。

图一是水泵全速运行时SMG150-465蜗壳式双吸离心泵性能曲线，流量扬程曲线(Q-H)₁，流量功率曲线(Q-N)₁，流量效率曲线(Q-η)₁。此水泵额定流量Q_n为440m³/h，额定扬程H_n 为60m，额定功率N_n为84kw，这时水泵效率最高η_n为83%。

供水管网系统特性为：

H_Z=H_J +SQ² ---------------------1

H_J：为管网最低扬程

S：特定管路的阻力系数

H_Z：所需的水泵总扬程

如管网阻力系数为0.74×10^-4，管网最低扬程为30m，在图一中作出管网特性曲线f₁。水泵(Q-  H )₁曲线与管网特性曲线f₁的交点A₁就是在这种工况下全速运行时水泵的工作点。

图一  全速运行、恒压运行、变压运行方式水泵特性曲线

当水泵流量低于额定流量时，由图(Q-H)₁中可见，水泵扬程升高、功耗下降、效率下降，当流量为零时，水泵功率为35kw，这时水泵效率为零。

当用水量高于额定流量时，由图(Q-H)₁中可见，水泵扬程降低，水泵轴功率上升，效率下降，如果流量超出太多，水泵电机将过载发热，使系统无法正常运行，如流量为550  m³/h时，轴功率为105 kw，超出额定轴功率25%。

一、       恒压供水运行方式

当水泵恒压供水运行时，水泵的转速随着流量的变化不断的变化，出口压力保持恒定。如图二所示，当水泵全速运行时，水泵流量扬程曲线（Q-H）₂₁与管网特性曲线交于A₂₁点，A₂₁坐标流量为Q₂₁，扬程H_b，用水量由Q₂₁降低到Q₂₂时水泵转速降低，

水泵(Q-H)₂₂曲线和管网特性曲线相交在A₂₂点，A₂₂坐标流量为Q₂₂，扬程H_b。当流量Q变化时,水泵工作点在恒压值H_b线上作水平移动，满足出口压力恒定的要求。恒压供水节能基本原理如下：

在工况相似情况下，水泵调速运行比例律为:  

Q₁/Q₂=n₁/n₂---------------------2

H₁/H₂=（n₁/n₂）²--------------3

N₁/N₂=（n₁/n₂）³--------------4

Q₁------------水泵转速n₁时流量

Q₂------------水泵转速n₂时流量

H₁------------水泵转速n₁时扬程

H₂------------水泵转速n₂时扬程

N₁------------水泵转速n₁时轴功率

N₂------------水泵转速n₂时轴功率

下面用图解法求解恒压线上各点的转速、轴功率及效率，应用比例律的前题是工况相似，如图（3）中求解A₃₂点的轴功率，作出通过A₃₂点的工况相似抛物线：

由（2）平方和（3）消去转速后可得：

H₁/H₂ =（Q₁/Q₂）²-------------5

即：

H₁/Q₁² =H₂/Q₂²=К

H=  КQ₁²---------------------------6

将A₃₂ 点的坐标值Q₃₂、H₃₂代入（6）式，可求出К值，将К值代入（6）式就可作出经过A₃₂点的工况相似抛物线（图3），此抛物线与全速运行时的（Q-H）₃₁曲线交于A₃₁点，A₃₁点就是A₃₂点的相似工况点。通过相似工况点A₃₁就可以求出A₃₂点的运行参数:

由（2）的立方及（4）式消去转速后可得：

N₁/N₂=（Q₁/Q₂）³ ----------------- 7  

找出A₃₁，A₃₂的坐标值Q₃₂、Q₃₁及N₃₁代入（7）式可求得A₃₂点的轴功率N₃₂值。逐点作出水泵在H_b恒压运行的工况相似抛物线轴功率值可作出其流量功率曲线，在图一中作出了恒定压力为H_b时的流量功率曲线(Q-N)₂。

在H_b 恒压运行时水泵在不同流量的效率曲线(Q-η)₂也可由上述方法得出，此曲线高效率区较全速运行高效区明显的展宽，随着流量的降低，水泵的高效区略微向左移动。通常泵站选用的水泵扬程都有一定余量，全速运行时工作在最高效率点的右侧，随着流量的下降，水泵工作点左移，最高效率点也左移，可使水泵在较宽的流量变化区间工作在较高效率范围内。以上分析在调速范围超过一定值时，其响应点的效率与实测效率有一定差异的，但水泵变速运行确实可有效展宽水泵高效区工作范围。

图（1）中作出了在管网出口扬程H_b=50m时的水泵流量轴功率曲线(Q-N)₂及流量  效率曲线(Q-η)₂。从图中可见，在上述条件下，当流量降低时，水泵效率平均提高10%左右，水泵轴功率平均降低20kw左右。

吨水电耗是评价泵站运行的重要指标，吨水电耗可从上述

P_e=N_e/Q_e--------------------8

P_e e点的吨水电耗(kw.h)/  m³

N_e e点的水泵轴功率（kw）

Q_e e点的水泵流量(m³/h)

功率流量曲线获取，取半额定流量点200m³/h，比较两种运行方式的吨水电耗。根据两种运行方式的流量扬程曲线（Q-H）及流量轴功率曲线（Q-N）找出响对应数值代入（9）式，得出：

全速运行吨水电耗：0.27m³/h

恒压运行吨水电耗:   0.1 m³/h

由上述分析可见：恒压供水节能的主要原因是避免了多余的扬程，并且在流量降低时提高了水泵的效率。因为变频泵的存在，能够实现恒压运行，使得工频泵也避免了多余的扬程所以也提高了运行效率。恒压供水节能效果与流量有关，如果是在额定转速运行时，恒压供水不节能。流量变化大，经常在较小流量情况下运行节能率高。

变频恒压设备在选泵时要考虑到变频泵要有足够的调速范围，水泵的扬程要留有一定的余量，同时也要考虑到工频运行泵不能超出额定值太多，否则电机将过载发热。

一、       变压供水工作方式

供水管网的扬程应该是根据满足最不利点的最低扬程选择的，如供水扬程能随着供水量的增加按照供水管网特性曲线H=H_J +SQ² 变化，使始终能满足管网最不利点最低扬程，此供水方式被称为变压供水。

变压供水设备的出口压力是一条与管网特性曲线相似的曲线(Q-H)₃，按照上述方法，作出(Q-H)₃曲线上各点的工况相似曲线，找出全速运行时(Q-H)₁曲线上的相似工况点，再运用比例律计算出(Q-H)₃曲线的功率曲线(Q-N)₃曲线和效率曲线(Q-η)₃，变压供水时设备出口压力随着流量降低扬程也降低，同时所需轴功率也更低，水泵效率更高。取半额定流量点200m³/h，比较三种运行方式的吨水电耗。

全速运行吨水电耗：0.27m³/h

恒压运行吨水电耗:   0.1 m³/h

变压运行吨水电耗:  0.075 m³/h

变压供水比恒压供水节能率高，变压供水进一步降低了设备出口的扬程余量，提高了中低流量段的水泵运行效率。

二、       管网叠压供水方式：

管网叠压供水方式是将供水设备直接串接在供水管网中，直接串联加压，设备具有流量调节器和负压消除器，可保证管路安全运行。

管网叠压供水方式的供水扬程是叠加在原有的管网压力基础上的，供水设备的实际扬程为：

H_S=H₀-Hi----------------------9

Ho--------泵站出口扬程

H_I--------泵站进口扬程

H_S----------泵站设备扬程

前面三种供水泵站运行是在设备相同的条件下进行比较，叠压供水设备水泵工况与上述三种方式不同，水泵

图四 接力升压设备水泵性能曲线

所需扬程小的多。下面分析仍然采用上面的供水管网，水泵

出口扬程50m，管网来水扬程20m，选用上述水泵进行叶轮

二次切削SMG150-465B蜗壳式双吸离心泵，并且同时采用变压供水方式，用上述工况相似方法分析

因采用叠压供水方式，充分利用管网来水压力，此处管网来水压力20m，考虑来水压力波动，设备加压33m，同时采用变压运行方式，仍然按上述方法，作出接力升压运行方式的流量功率曲线(Q-  N)₄及流量效率曲线(Q-η)₄。

城镇二次加压泵站是对主管网加压，管网进口压力比较稳定，泵站出口压力增加不会太高，即泵站进口扬程与泵站出口扬程之比一般为1/3-1/2之间，此比值越高，节能率越高。在接力升压力运行方式同时采用上述变压供水技术，可以得到更好的节能效果。

因设备扬程低设备的功率就低，所需配备变压器、控制柜等容量也小，设备初投资少。因为不用修水池，泵房站地面积小等因素，可以较大幅度的降低基建费用。节能率高，运行费用低。

四种运行方式比较：

有以上分析可知，各种运行方式的节能效果与供水曲线有关，根据供水曲线才能计算出节能率，下面计算出各运行方式不同流量下的能耗进行比较。 f

取四种运行方式的不同流量的吨水电耗列入表一中：

表一 四种工作方式吨水电耗比较

分析表中数据可见：

1：全速运行供水方式在额定流量时水泵效率最高，吨水电耗最低，随着流量的降低，水泵效率降低，吨水电耗升高。

2：因为在上述分析中没有计算变频设备自身的损耗，变速运行方式在额定转速时本身就不节能，再加上变频器的损耗，所以整体效率低于全速运行方式。

3：随着转速下降，流量降低，变速运行方式的水泵效率较全速运行方式有明显提高，避免了多余的扬程，轴功率下降，吨水电耗下降，流量越低吨水电耗越低。

4：变压供水方式较恒压供水方式节能，特别是在中小流量情况下。

5：叠压供水方式是最节能的运行方式，并可较大幅度降低设备费用、基建费用及运行费用。

上述后三种运行方式分析是对变速运行的泵进行的，在实际泵站中一般有几台泵组成，一台泵变速运行，几台泵工频运行，节能率没有上述分析的高。在应用中应尽量增加变速泵的比重，比如采用二用一备工作方式，用水高峰时一台泵变速运行，一台泵工频运行，另一台泵作备用泵，在大部分时间是一台泵变速运行，这样一来系统经常是变频调速高效工作状态，可取得较好的节能效果。上述城镇二次加压泵站各种运行方式在控制上需要解决以下问题：

一、       以比较简单的方法实现变压供水。

二、       在大中型变频设备中解决水泵变频与工频切换过程冲击，及软启、软停问题。

三、       提高设备运行的可靠性，实现零故障运行。

在上述接力升压运行方式中要求测量管网远端扬程，城镇供水管网输送距离比较远，信号传输比较困难，可采用根据流量及管网特性计算管网水头损失的方法，对设备出口压力进行补偿，既流量补偿技术。

流量补偿技术，即随着流量的变化，模拟管网特性曲线，不断的调整设备的出口压力，保证管网最不利点的压力能稳定在一定范围之内。

流量补偿技术要知道管网特性曲线，可采用回归模型或者是逐次逼近法建立管网特性曲线。

一个因变量受另一个或几个自变量制约的关系,称为回归模型，用于回归模型的统计方法称回归分析。回归分析的目的在于导出由自变量预测因变量的回归方程，并要知道这种预测或控制能达到何种精确程度。此处采用一元二次回归模型来拟合管网特性曲线。

H_Z=H_J +SQ² ---------------------11

H_J：为管网最低扬程，

S：特定管路的阻力系数

H_Z ：所需的水泵总扬程

Q:  管路流量。

这里流量是自变量，所需的水泵总扬程是因变量，此处有二个未知数，最少要采购4个点。在一天选出4个不同流量点，手动调整出口扬程，使满足远端最低扬程需要。现在回归分析计算机程序很多，只要输入相关数据就可得出结果，并可进行显著性检测，只要检测结果达到显著水平，此方程就可使用。

也可采用逐次逼近法，从方程（11）中可见，H_J影响低流量段，S影响高流量段，在不同流量段反复调整出口扬程，保证远端最低扬程需要，可逐步接近管网实际特性曲线，满足供水要求。

流量补偿可采用内补偿和外补偿，外补偿是设备出口安装流量计，根据流量补偿出口压力。内补偿是根据所开泵的数量及变频器的输出频率，计算流量及出口压力补偿值。

内补偿需要知道频率与流量之间的关系，因为供水管网有最低扬程，频率高于一个临界转速时水泵才上水，此临界转速与水泵的最高扬程及管网的最低扬程有关，可近似的计算临界转速：

n_L=(H_D/H₀)^1/2.n_e  

n_L 临界转速  

H₀ 水泵最高扬程

H_D 管网静扬程

n_e 水泵额定转速

临界转速一般是变拼器输出频率在25-30HZ左右时的转速。

上述三种调频工作方式转速与流量的关系在临界转速以上时，可认为转速与流量成线性关系，变频泵的流量为：

如n_y≥ n_L  

Q_b=（n_y-n_L）/(n₀-n_L)*Q_e  

Q_b 变频泵流量

n_y 变频泵运行转速

n_L 变频泵临界转速

n₀ 变频泵额定转速  

Q_e 变频泵额定流量  

Q_z=Q_b+KQ_d

Q_z 总流量

Q_d 每台定量泵流量  

K      正在运行的定量泵数量

将上述数据代入（11）式中就可求出设备总扬程,内补偿法简单可靠，节能效果较恒压供水及按时段调压供水好的多。

目前普遍采用的变频调速供水控制设备存在着较大弊端，水泵在变频与工频切换过程存在着致命机械和电气冲击，系统不能实现循环软停。在大中型供水系统中，上述问题直接影响系统安全运行，如果处理不当，将会酿成重大生产事故。为此我公司开发了以下技术，彻底解决了上述问题。

当变频泵达到额定转速，经过一定延时之后，就准备将此泵换接到电网上去，变频与工频切换过程中，刚脱离开变频器的水泵在惯性的作用下高速旋转，电机转子中还有较大的电流。由此电流形成的磁场在电机定子中感应出较高的电压，此电压与电网电压不同频率，不同相位。若此时立即将此电机合到电网上，将会产生较大的冲击电流，甚至会烧毁电机和损坏配电设施。如上所述，从变频器脱开的电机要经一定延时后才能并入电网，在此期间水泵失去了动力，水的势能阻止水泵继续旋转，水泵转速迅速下降。此时将水泵并入电网，仍将产生较大的电器及机械冲击。

在上述过程中如检测脱离开变频器电机的相位和电网相位，当二者的相位差在一定范围内时，将水泵合到电网上工频运行。在实际应用中采用了软件与硬件相结合的方法，用硬件采样，取得电网及水泵电机的相位脉冲，将此相位脉冲送入PLC中，由PLC判断两者之间的相位差，当二脉冲之间的相位差在允许范围内时，就发出指令，将此水泵并到电网上，此泵工频运行，然后变频器带另一台泵变速运行。

采用由变频器和软启动组合的控制系统，可以实现真正的无冲击循环软启、软停，可以较彻底的解决启、停过程的机械及电器冲击，避免了供水系统启、停过程产生的水锤危害。

一种由变频器、软启动及可编程序控制器组成的新型变频供水控制系统，该变频供水控制系统充分利用变频器和软启动本身具有的优良特性，合理的分配频器和软启动的功能，变频器作为供水压力调节装置，软启动器作为供水水泵电机的启停装置。

该系统在保留了普通变频调速供水系统功能和优点的基础上，由于采用了软启动器，彻底克服了水泵由变频向工频切换过程中所产生的电器和机械冲击。系统所有电机均可实现“循环软启、软停”功能，避免了启停过程中管网压力突然变化造成“水锤”危害，保证了设备和管网运行安全，特别适用于大中型变频调速供水系统。

综上所述，城镇二次加压供水系统采用接力升压运行方式，同时采用变压供水、无冲击切换、软启软停控制模式，可以取得非常好的节能效果，并可较大幅度的降低设备费用和基建费用，设备运行平稳，可靠性高，设备调整好以后运行中很少需要人干预，操作简便，自动化水平高。此项技术在大中型加压站中具有推广价值。