長沙中贏變頻恒壓供水系統(tǒng)性能分析
長沙中贏變頻恒壓供水系統(tǒng)性能分析
無負(fù)壓變頻恒壓供水系統(tǒng)是建設(shè)部2003年推廣的節(jié)能型供水系統(tǒng)。這種裝置的主要工作原理是，把小區(qū)供水系統(tǒng)的開式進(jìn)水水池，變成容積較小的閉式進(jìn)水箱，并在蓄水罐上安裝一個真空消除器V.E，消除高峰負(fù)荷時罐內(nèi)的負(fù)壓，從而造成對市政自來水管網(wǎng)的直接抽吸作用，以滿足自來水管網(wǎng)安全運(yùn)行的要求，如圖1所示。真空消除器其實(shí)就是一個壓力窗口器，保持罐內(nèi)的壓力P0跟隨自來水管網(wǎng)供水壓力變化，即在0～市政自來水管網(wǎng)正常壓力之間變化。罐內(nèi)壓力低于下限，真空消除器打開，使空氣進(jìn)入罐內(nèi)；罐內(nèi)壓力高于上限，真空消除器打開，放掉罐內(nèi)的一些空氣。即只有罐內(nèi)壓力低于下限、高于上限時，真空閥才打開，以便進(jìn)氣或排氣。如果罐內(nèi)壓力在下限、上限之間時，真空閥是關(guān)閉的。由于市政自來水管網(wǎng)20mH2 O左右的壓頭P0在進(jìn)入小區(qū)進(jìn)水灌時沒有節(jié)流損失掉，因此小區(qū)供水系統(tǒng)的變頻水泵P1在小區(qū)供水時就可以減少20mH2 O左右的揚(yáng)程，從而達(dá)到節(jié)能供水的目的。下面從系統(tǒng)思考的理念對其性能進(jìn)行分析。
2 恒壓變頻供水系統(tǒng)在部分負(fù)荷時的性能分析
變頻恒壓供水系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。它屬于開式直流水系統(tǒng)，其中大樓n是小區(qū)最高、最遠(yuǎn)的點(diǎn)，是小區(qū)最不利的用水點(diǎn)。
在給水系統(tǒng)設(shè)計中，要求最不利的用水點(diǎn)有3～5mH2O的供水水頭，因此在設(shè)計工況給水系統(tǒng)水泵的揚(yáng)程ΔPp0由公式（1）確定，設(shè)計工況水泵的有效功耗Wpe0由公式（2）確定，設(shè)計工況水泵的總功耗Wpt0由公式（3）確定，設(shè)計工況水泵節(jié)省的總功耗Wpset0由公式（4）確定：
ΔPp0—設(shè)計工況水泵揚(yáng)程，Pa；
S0 — 從水泵出口看，設(shè)計工況供水管路綜合阻力系數(shù)，Pa×s2/m6；
H0 — 最不利用水點(diǎn)相對于水泵進(jìn)口的自然高度，也叫自然壓頭，mH2 O；
P0 — 設(shè)計工況市政自來水管網(wǎng)供水壓頭，Pa；
Wpe0 — 設(shè)計工況水泵的有效功耗，W；
Wpt0 — 設(shè)計工況水泵的總功耗，W；
ηps0 — 設(shè)計工況水泵的軸效率，%；
ηm0 — 設(shè)計工況水泵電機(jī)的軸效率，%；
ηinv0 — 設(shè)計工況水泵變頻器的效率，%。
Wpset0 — 設(shè)計工況水泵節(jié)省的總功耗，W。
設(shè)計工況是供水系統(tǒng)最大用水量的工況。在不同用水時段，市政自來水供水管網(wǎng)的供水壓頭P0是波動的，用水高峰時低，用水低谷時高，會造成小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)的水泵工況點(diǎn)隨著管網(wǎng)的供水壓頭的波動而漂移。按照自來水公司為保證市政自來水供水管網(wǎng)安全運(yùn)行，要求小區(qū)供水系統(tǒng)不能影響、干涉自來水供水壓力P0的變化，這就對利用波動的供水管網(wǎng)供水壓頭P0的壓力能、保證變頻水泵時時在高效工況點(diǎn)運(yùn)行以取得顯著的節(jié)能效果來說，增加了不少的難度。但要達(dá)到這樣的目的，必須深刻理解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其性能。下面分析變頻恒壓供水系統(tǒng)為時時跟蹤小區(qū)用水量的變化時所表現(xiàn)的特性，特別是節(jié)能特性，以加深對系統(tǒng)的認(rèn)識。
按照水電比擬原理在額定流量L0時供水管網(wǎng)的靜壓從P0升高為P1時，系統(tǒng)的最不利用水點(diǎn)水路的吉爾霍夫水路水壓定律計算公式分別為（5）、（6）：
式中下標(biāo)為“0”者為設(shè)計狀態(tài)參數(shù)，下標(biāo)為“1”者為管網(wǎng)靜壓為P1時的狀態(tài)參數(shù)。
ΔPp—水泵揚(yáng)程，Pa；
Sst—從水泵出口看，管道系統(tǒng)的總的綜合阻力系數(shù)，Pa×s2/m6；
Ss0—從水泵出口看，最不利水路龍頭前（n-1）個幾何參數(shù)不變的阻力元件的當(dāng)量總的綜合阻力系數(shù)，Pa×s2/m6；
L — 水泵的流量，m3/s；
Si — 最不利供水點(diǎn)的水路第i個阻力元件的綜合阻力系數(shù)，Pa×s2/m6；
Li — 流過最不利供水點(diǎn)的水路第i個阻力元件的流量，m3/s；
Sn — 最不利供水點(diǎn)的水路末端龍頭的綜合阻力系數(shù)，Pa×s2/m6；
Ln — 流過最不利供水點(diǎn)的末端龍頭的流量，m3/s。
在公式（5）、（6）中，我們特地把最不利用水點(diǎn)的龍頭的供水壓頭提出來，是因?yàn)樽畈焕┧c(diǎn)的水路末端龍頭前（n-1）個阻力元件的綜合阻力系數(shù)Si［i=1～（n-1）］都是不變的，只有最不利用水點(diǎn)龍頭的綜合阻力系數(shù)Sn隨龍頭開度變化而變化。在設(shè)計工況，系統(tǒng)最不利供水點(diǎn)的水路末端龍頭前的（n-1）個綜合阻力系數(shù)不變的阻力元件構(gòu)成的管路特性如圖2上的R00曲線所示，加入設(shè)計工況點(diǎn)最不利用水點(diǎn)龍頭的供水壓頭后，供水系統(tǒng)的阻力特性曲線變?yōu)镽0，設(shè)計工況點(diǎn)為A0，設(shè)計流量為L0，R00曲線與恒流曲線L0的交點(diǎn)為B，那么點(diǎn)A0和點(diǎn)B之間的壓差就是在設(shè)計工況最不利用水點(diǎn)龍頭的供水壓頭如圖2所示。
根據(jù)離心水泵原理，水泵的揚(yáng)程ΔPp和水泵葉輪外圓線速度u2間有公式（8）的關(guān)系：
式中：
kp — 和水泵幾何參數(shù)、流量有關(guān)的常數(shù)；
ρ — 水的質(zhì)量密度，kg/m3；
u2 — 水泵葉輪外圓線速度，m/s。
在供水管網(wǎng)的靜壓為P0和為P1時，水泵的轉(zhuǎn)速、流量皆不變，因此從公式（8）可得出，即（5）=（6）。從這個關(guān)系我們可以推導(dǎo)出公式（9）：
從公式（9）可以看出，供水管網(wǎng)的靜壓增量（P1-P0）全部加在了水系統(tǒng)中所有用水點(diǎn)的龍頭上，各龍頭為了開啟時取得和平時時相同的流量，必須把龍頭開小一點(diǎn)，公式（9）中的表現(xiàn)就是（）＞0，也就是說，龍頭必須開小一點(diǎn)以增大節(jié)流損失，才能把附加在龍頭上的壓頭消耗掉。如果龍頭上的供水壓頭過高，容易引起供水系統(tǒng)的水錘效應(yīng)和噪音，使供水質(zhì)量和系統(tǒng)的安全性下降。從節(jié)能角度看，恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)只是把供水管網(wǎng)的靜壓轉(zhuǎn)移到龍頭上給節(jié)流損失掉了，這和普通的變頻恒壓供水系統(tǒng)中在進(jìn)水池中把供水管網(wǎng)的靜壓節(jié)流損失掉并沒有實(shí)質(zhì)的區(qū)別，并沒有達(dá)到利用供水管網(wǎng)的靜壓進(jìn)行節(jié)能的初衷。另外，恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)在構(gòu)造時只是把進(jìn)水罐密閉，加上真空消除器處的結(jié)構(gòu)改變，其心臟部分的并聯(lián)水泵運(yùn)行仍舊采用恒壓變頻供水系統(tǒng)常用的方式——一變多定。作者在文獻(xiàn)［1］中分析了恒壓變頻供水系統(tǒng)存在的二大缺點(diǎn)：其一是變工況時變頻水泵不在相似點(diǎn)運(yùn)行，效率低；其二是變工況時把大部分靜壓頭加在龍頭上給節(jié)流損失掉了，供水損耗大，同時也降低了供水系統(tǒng)的供水質(zhì)量和供水安全性。恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)在設(shè)計中并沒有從根本上改變恒壓變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上不節(jié)能的屬性，反而把供水管網(wǎng)的靜壓引入供水系統(tǒng)加在系統(tǒng)龍頭上，放大了恒壓變頻供水系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)，并仍舊保持有結(jié)構(gòu)上不節(jié)能的屬性。為了克服恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的固有缺點(diǎn)，必須從改變供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手。
3 變頻恒壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上改變的途徑
為了在本質(zhì)上更清楚變頻恒壓供水系統(tǒng)的特性以及理清達(dá)到供水系統(tǒng)安全節(jié)能目標(biāo)的實(shí)質(zhì)，我們再用水電比擬原理對變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能進(jìn)一步進(jìn)行分析。
水、電系統(tǒng)運(yùn)行中都遵守能量守恒定理，都遵守基本的物理原理，在本質(zhì)上是相同的，因此才有水電相似比擬的原理。根據(jù)水電比擬原理，水壓相當(dāng)于電壓，水勢相當(dāng)于電勢；水阻相當(dāng)于電阻，幾何尺寸不變化的水阻力元件相當(dāng)于固定電阻，幾何尺寸變化的調(diào)節(jié)閥相當(dāng)于可變電阻；水流相當(dāng)于電流。這樣就可以利用我們非常熟悉的電路原理，如歐姆定律、吉爾霍夫回路電壓定理、吉爾霍夫接點(diǎn)電流定理進(jìn)行水路的計算。雖然水電比擬原理給我們分析水路性能提供了一個非常有力的工具，但我們也必須清醒地認(rèn)識，水路和電路有著明顯的不同，最顯著的就是水路中的固定水阻恒定的不是其阻值而是恒定的綜合阻力系數(shù)，固定水阻的阻值是變化的，這是我們在運(yùn)用水電比擬原理必須特別注意的。
用水電比擬原理，圖1的變頻恒壓供水系統(tǒng)相當(dāng)于圖3的電路系統(tǒng)。從圖3中可以看出，相當(dāng)于管網(wǎng)靜壓P0的變壓源E1和相當(dāng)于定壓變頻水泵揚(yáng)程ΔPp0的恒壓變流源E1是串聯(lián)迭加共同作用到電路系統(tǒng)的，最不利用水點(diǎn)水路的當(dāng)量電路在不同工況的吉爾霍夫水路電壓定律公式為（10）、（11）：
從公式（12）可以看出，當(dāng)量變壓源，電壓的波動全部加到了末端當(dāng)量可變電阻Rn上了，為了最不利末端的電流恒定為In0，同樣要增加電阻值為Rn1，以消掉電壓的增值。這個結(jié)論和水路系統(tǒng)的分析結(jié)果的結(jié)論完全相同。
在現(xiàn)代供水系統(tǒng)設(shè)計中對供水系統(tǒng)的要求是供水質(zhì)量、安全性高，節(jié)能。這個要求在水系統(tǒng)中的具體表現(xiàn)就是不管在任何時間、工況下，最不利用水點(diǎn)龍頭前壓力變送器Ps3處（如圖1、圖3上）的供水壓頭都恒定在（3～5）mH2O。只要滿足這個條件，就可以達(dá)到對供水系統(tǒng)的要求。然而現(xiàn)在的恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)的設(shè)計者把僅在水泵專業(yè)里可以應(yīng)用的概念，不適當(dāng)?shù)財U(kuò)大到整個供水系統(tǒng)上，他們對水泵容入系統(tǒng)后的性能要發(fā)生本質(zhì)的變化的系統(tǒng)科學(xué)原理模糊或根本沒有，構(gòu)成的供水系統(tǒng)的子系統(tǒng)間工作不協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)上是病態(tài)的，于是在供水系統(tǒng)整體層面上，不具備供水質(zhì)量、安全性高和節(jié)能的結(jié)構(gòu)屬性也就很自然了。
恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)中的作為變壓源的管網(wǎng)靜壓和在最不利用水點(diǎn)龍頭上的壓降、流量都是隨機(jī)變化的。而定壓變頻水泵在當(dāng)量電路中是個恒壓變流源，它只能定壓地跟蹤系統(tǒng)隨及變化的流量，而無法跟蹤隨機(jī)變化的最不利供水點(diǎn)龍頭前供水壓力Ps3的變化。Ps3隨機(jī)變化是因?yàn)榇?lián)接入水系統(tǒng)、并作用到整個水系統(tǒng)的管網(wǎng)靜壓P0和在最不利用水點(diǎn)龍頭上的壓降、流量都是隨機(jī)變化引起的。系統(tǒng)跟蹤流量變化而不跟蹤壓力變化的過程造成了實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上不節(jié)能、供水品質(zhì)及安全性差的屬性。
找出了造成恒壓變頻無負(fù)壓供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上不節(jié)能、供水品質(zhì)及安全性差的屬性的深層次原因，我們就可以從改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，使系統(tǒng)具有節(jié)能、供水品質(zhì)及安全性高的結(jié)構(gòu)屬性。具有節(jié)能、供水品質(zhì)及安全性高的結(jié)構(gòu)屬性的變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有三種：
（1）從供水系統(tǒng)最不利用水點(diǎn)的龍頭前設(shè)置的壓力變送器Ps3處采集壓力信號，使變頻水泵跟蹤Ps3在（3～5）mH2 O范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)便可自動跟隨隨機(jī)因素變化引起Ps3的變化，系統(tǒng)的心臟變頻水泵在變壓變流量狀態(tài)、基本在最高效率工況運(yùn)行；由于Ps3在（3～5）mH2 O范圍內(nèi)變化，根據(jù)連通器原理，供水系統(tǒng)的所有龍頭的供水壓力在任何時間基本都在設(shè)計狀態(tài)運(yùn)行，沒有大起大落的現(xiàn)象；同時可以充分利用管網(wǎng)靜壓P0，使系統(tǒng)真正達(dá)到節(jié)能、供水品質(zhì)及安全性高的要求。但這要求系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是全變頻，控制系統(tǒng)要無線組網(wǎng)，系統(tǒng)有造價高的缺點(diǎn)；
（2）利用軟件控制Ps3基本恒定，但依靠的數(shù)學(xué)模型是從測量參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計擬合出來的數(shù)學(xué)模型，達(dá)到的控制精度比較差，因而與方案（1）相比，節(jié)能、供水品質(zhì)及安全性方面較差，但在控制系統(tǒng)的構(gòu)成卻大大簡化，也便于舊系統(tǒng)的改造。這種系統(tǒng)的構(gòu)成方案也要求水泵是全變變頻的。
（3）利用高位水箱，把用水系統(tǒng)水量劇烈變化的干擾和水泵高效供水運(yùn)行隔離開來。要充分利用管網(wǎng)靜壓P0，供水系統(tǒng)的水泵也必須是全變頻的。
充分利用自來水供水管網(wǎng)供水壓頭達(dá)到供水系統(tǒng)大幅度節(jié)能效果的供水系統(tǒng)的三種結(jié)構(gòu)方案都是切實(shí)可行的。但方案（1）和（2）構(gòu)成系統(tǒng)里的水泵需要單獨(dú)承擔(dān)跟蹤劇烈隨機(jī)變化流量的任務(wù)，工況變化大，總體效率相對于方案（3）來說比較低。方案（3）構(gòu)成的系統(tǒng)，水泵不承擔(dān)跟蹤系統(tǒng)劇烈隨機(jī)變化的流量的任務(wù)，變頻泵只是應(yīng)對管網(wǎng)靜壓P0隨機(jī)變化的因素，相對來說比較簡單，水泵可以保持在較高效率運(yùn)行，是三個方案中節(jié)能效果最好的方案。
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