三种不同供水方式的能耗对比试验研究*

2020-06-16刘卫伟祝宝山李正贵

风机技术 2020年2期

宋斌刘卫伟祝宝山李正贵

（1.西华大学能源与动力工程学院；2.上海慧鎏科技有限公司；3.清华大学能源与动力工程系）

0 引言

我国能源供应紧张，最大限度地利用能源是一种客观要求。为了实现节能减排的目标，“十三五”规划《纲要》要求到2020年全国单位GDP能耗比2015年降低15%[1-3]。供水系统在对水的输送和提升过程中要消耗大量能量。泵是供水系统中不可或缺的一环，泵与风机类产品耗电量约占全国每年总发电量的30%[4-5]。不同的供水方式耗能是不同的，全速节流供水和变频恒压供水是常见的水泵供水方式。其调节方便，但供水过程能耗损失大。随着变频技术的不断发展，以及节能降耗的迫切要求，变频技术被广泛地用于流体机械领域[6]。变频恒压供水方式因具有高效节能的优势，是目前较为广泛的供水方式。虽然这种供水模式在一定程度上考虑了用户的用水需求，但在用水高峰期，供水管网系统流量增大，管网阻力较大。在用水低谷时，供水管网系统流量减少，管网阻力较小，末端水压偏高，有多余的扬程浪费，增高了管网破坏的风险[7]。因此，变频恒压的供水方式仍存在一定的能耗浪费，还有进一步节能空间可以挖掘[8-9]。变频变压供水模式，是在恒压供水模式基础上提出的一种供水模式，在继承了恒压供水的优点之外，有更大的节能空间。为了具体分析三种供水方式的能耗情况，本文通过试验对三种供水方式进行对比研究。

1 不同供水方式运行调节原理

图1为水泵全速供水、变频恒压供水、变频变压供水三种供水方式下，单台泵与管路联合工作曲线图。n，n1，n2，n3分别代表泵的不同运行转速，R0是管路的特性曲线，H0为设定的恒定压力值，Q1为设计最大流量，C点对应的流量和扬程分别是水泵或泵站的最大流量和最大扬程。

图1 单台泵与管路联合工作曲线图Fig.1 Joint working curve of a single pump and pipeline

对于水泵全速供水运行时，其工况点在转速为n的曲线上移动。当流量从Q1减小到Q2时，管网特性曲线R0变成R3，对应水泵的工况点从C点变化到C1点。此时，这种全速供水调节方式是通过调节出水口调节阀实现的。由于泵的实际运行工况点在C1点，而实际管网只需在E1点工作，因此有C1E1段扬程浪费，能量损耗在出口调节阀处。

对于变频恒压供水方式，是通过将压力传感器安装在泵出口管路上，然后将变化的压力数据反馈给变频器。变频器将接收的压力数值与所设定的压力目标值进行比较，相应地改变电机转速，使其运行工况点保持在H0的恒压线上移动。当流量从Q1分别减小到Q2和Q3时，水泵的转速分别被调到n1和n2，水泵运行工况点分别为D1点和D2点。因此，当流量从Q1减到Q2时，变频恒压供水相对于全速供水减少了C1D1段扬程。随着用户流量减小，管道需求的压力也小了，实际管网只需要在E1工况点运行，而管道系统要求E1点的压力为He，变频恒压供水仍有D1E1段的扬程浪费，能量损耗在管网末端处。

对于变频变压供水方式，当用户用水量发生变化时，管网压力也随之变化。通过在管网末端安装压力传感器，将变化的压力数据反馈至变频器，变频器将接受的压力数值与设定压力值进行比较，调节电机转速，从而使管网末端用户保持在恒定的压力值，并满足用户的流量需求。在变频变压供水时，水泵运行工况点按管路特性曲线移动。当用户流量从Q1减小到Q2时，系统要求的工作压力变小，水泵转速从n变到n3,运行工况点从C点变为E1点，没有多余扬程浪费，比全速供水减少了C1E1段扬程，比变频恒压供水减少了D1E1段扬程。

1.1 变频调速泵相似定律

对于同一台离心泵，当转速n变化时，其性能参数存在如下关系：

式中，Q1，H1，N1，n1泵转速改变前的流量、扬程、功率、转速；Q2，H2，N2，n2泵转速改变后的流量、扬程功率、转速[10-12]。

这些关系称为比例率，它是水泵相似率的一个特殊形式。水泵的变频调速就是基于比例率，通过改变水泵的转速，改变泵的特性曲线，达到调节水泵的工况点的目的。

1.2 全速供水能耗分析

当流量从Q1减小到Q2时，除出口调节阀外的管路系统要求的压力为E1点的He，而此时泵运行点在C1点，泵出口的压力为HC1。因此，多余的压力损耗在出口调节阀上，即：

离心泵的特性曲线H∼Q近似为抛物线，用方程表示为：

式中，H0为泵的静扬程；K为一系数。

用户需水量是随时间变化的，因而流量是时间的函数，即：

因此，一段时间t0内水泵的平均水力功率为：

可知，功率P与泵的性能曲线和流量Q随时间的变化规律有关，与管路系统特性无关。

1.3 变频恒压供水能耗分析

当流量从Q1减小到Q2时，管道系统要求的压力为E1点的压力H0，泵的运行点压力在D1,泵出口的压力为He，因此，多余的压力损耗在出口调节阀或管网末端处，即：

因此，在时间t0内泵的平均水力功率为：

由上式可知，功率P与设的恒定压力H0和流量Q随时间的变化规律有关，而与管路系统特性无关。这种供水方式与水泵全速节流供水方式相比，通常能显著节约能耗，但节能的大小与管路系统的特性曲线和变频调速装置的效率有关。

1.4 变频变压供水能耗分析

当流量从Q1减小到Q2时，管路系统要求的压力为E1点的压力H1,此时泵就运行在E1点。因而，没有多余的压力损耗，即：

管路特性曲线近似为抛物线，用方程表示为：

式中，Hst为管网末端压力；K1为管网阻力系数，为常数。

因而，t0时间内泵的平均水力功率为：

由上式可知，功率P与管网特性曲线和流量Q的随时间的变化规律有关，而与水泵性能曲线无关。这种供水方式无额外的水力损耗，节能效果显著。

2 试验装置及步骤

试验用泵为立式冲压多级泵，型号规格为40DFCL8-40，额定转速为2 900r/min，设计流量8m3/h，设计扬程36m。驱泵电机额定功率1.5kW，额定转速2 860r/min。压力传感器型号为WNK3051GP-M3，量程为：0～0.6MPa，精度等级为：0.2%。流量计采用KEFC型号智能电磁流量计，量程为：0～22m3/h，精度等级为：0.5%。变频器采用AMB580S型号变频器。图2为试验装置图。

图2 试验装置图Fig.2 Experimental device

2.1 变频恒压及变频变压控制系统

图3为水泵运行压力反馈系统图，水泵运行控制原理如下：当用水量发生变化，管道系统压力也随之变化，压力变送器进行反馈，变频器接受信号，调节电机转速，保持设定压力值不变。水泵运行控制系统设计应注意以下几个问题[13]：

1）压力传感器的安装点选取要合理，水泵出水口压力传感器的安装位置一般选取在距离泵出口5～8倍管径处。其水流相对平稳，压力示数较稳定，读数较容易，测量结果相对准确；

2）变频器的选择，选择功能较齐全，性能更稳定的变频器，本系统采用AMB系列的。控制器（PLC）一体，省去繁琐的接线。

3）信号线的布置在保证应用要求的基础上布线尽可能短，在条件允许的情况下可适当的采取屏蔽保护措施，保证信号的不失真。

图3 水泵压力反馈系统图Fig.3 Pressure feedback system for water pump

2.2 最不利供水点的确定

对于本装置支状管路的供水系统，末端最不利供水点较容易确定。在支状管路供水系统中，如果供水管路较短，流量变化幅度较小时，则管路水力损失较小，从而变频调速效果不明显。因此，需对管路系统阀门进行调试，增加管路系统的阻力。本试验确定的最不利供水点为P12，P3为泵出水口的压力点，其余P6,P7,P8,P10是供水系统管路上的各测压点。

图4是管路流量发生变化引起最不利点、泵出水口以及管路系统其余各测压点的压力变化，可以看出随着流量的变化，压力变化较明显。将控制点设在最不利点，设置敏感度高的压力传感器，以P12点设定的压力值作为控制系统的调节目标值。

图4 整个管路系统压力变化图Fig.4 Pressure change diagram ofthe whole pipeline system

2.3 试验方法

在满足水压要求下，水泵50Hz工频运行，泵出水口压力值为0.378MPa,最不利供水点对应的压力值为0.217MPa。变频恒压供水，泵出口压力设置为恒压0.378MPa，变频变压供水最不利供水点压力设置为0.217MPa。在同一组流量下进行全速节流、变频恒压、变频变压三种供水方式的能耗比较分析。

3 三种方式供水试验结果

3.1 三种方式供水能耗对比

表1是水泵全速供水每吨水能耗与流量、扬程、轴功率的关系，随着流量逐渐减小，轴功率下降，泵的扬程升高。当流量减小时，完成每吨水的时间t0增加，每吨水能耗（Pa）因此随之升高。水泵全速供水，通过调节出口阀调节流量，调节方式操作简单、易行，但这种节流供水方式能量损耗大。

表1 全速供水时流量与每吨水能耗的计算Tab.1 Calculation of flow and energy consumption per ton of water in full speed water supply

表2是变频恒压供水时每吨水能耗与流量、扬程、轴功率的关系情况。变频恒压供水扬程不随着流量改变而变化，从某种程度上来说，扬程存在一定的浪费。但是，恒压供水方式与全速方式相比在相同的流量下，变频恒压调速供水每吨水能耗比全速供水每吨水能耗低得多。这种供水方式与水泵全速供水方式相比，减少了一部分的扬程浪费，变频恒压供水节能效果与所设定的压力目标值，即与泵的特性曲线和管路的特性曲线有关。

表2 变频恒压供水时转速及流量与每吨水能耗的计算Tab.2 Calculation of rotation speed,flow rate and energy consumption per ton of water in variable frequency constant pressure water supply

表3是变频变压供水时每吨水能耗与流量、扬程、轴功率的关系，随着流量的递减，扬程也随之减少，既满足了用户的要求，也避免了扬程的浪费。随着流量的减小，轴功率也逐渐变小。流量减小，完成每吨水的t0时间增大，每吨水能耗也随之增加。变频调速变压供水每吨水能耗比变频调速恒压方式和全速供水每吨水能耗低很多。

表3 变频变压供水时转速及流量与每吨水能耗的计算Tab.3 Calculation of speed and flow and energy consumption per ton of water in variable frequency variable pressure water supply

从表1、表2和表3可以看出，三种不同供水方式中，每一种供水方式横向比较，即相同供水方式不同流量的比较，随着流量减小每吨水能耗增大，因为流量减小每吨水完成的t0时间增加，因此每吨水能耗（Pa）增大。三种供水方式纵向比较，即不同供水方式在相同流量下的比较，三种供水方式中变频变压供水每吨水能耗最低，变频变压供水方式在满足最不利点的用水压力情况下，既能满足用户流量和扬程的需求，又避免了扬程的浪费，最为节能。

图5 三种供水方式每吨水能耗与流量的关系曲线Fig.5 Relation curve between water energy consumption per ton and flow of three water supply modes

图5是三种供水方式的每吨水能耗与流量的关系曲线图，由图可知，三种供水方式纵向比较，随着流量减小，每吨水能耗呈现升高的趋势，全速供水方式的每吨水能耗增速最快，变频恒压供水次之，变频变压供水增速最缓。在相同流量下全速供水方式每吨水能耗最高，变频恒压供水次之，变频变压供水最低，变频变压供水最为节能。

3.2 每吨水能耗等指标及变化趋势

为了清楚分析三种不同供水方式的优越性，根据试验数据，分别计算变频恒压供水、变频变压供水、全速供水两两之间在扬程，轴功率，每吨水能耗的下降率。结果如表4、表5、表6所示。

表4是变频恒压供水方式对比全速供水方式在扬程、轴功率、每吨水能耗的下降率情况。变频恒压供水对比全速供水在扬程、轴功率、每吨水能耗下降率明显。变频恒压供水相比于全速供水每吨水能耗最低下降6.7%，最高下降19.4%。

表4 变频恒压供水比全速供水的指标下降率Tab.4 Index decline rate of variable frequency constant pressure water supply ratio and full speed water supply

表5是变频变压供水对比全速供水在扬程、轴功率、每吨水能耗的下降率。变频变压供水对比全速供水在扬程、轴功率、每吨水能耗下降率更加明显，流量越小下降的幅度越大。变频变压供水相比于全速供水每吨水能耗最低下降4.3%，最高下降50%。

表5 变频变压供水比全速供水的指标下降率Tab.5 Index decline rate of variable frequency variable pressure water supply ratio and full speed water supply

表6是变压供水对比恒压供水在扬程、轴功率、每吨水能耗的下降率。变频变压模式对比恒压供水模式每吨水能耗及扬程下降明显。变频变压供水相比于变频恒压供水每吨水能耗最低下降4.3%，最高下降37.9%。

表6 变频变压供水比变频恒压供水的指标下降率Tab.6 Index decline rate of variable frequency variable pressure water supply compared with variable frequency constant pressure water supply

表4、表5、表6纵向比较，在相同流量下，变频变压供水方式与其他两种供水方式在扬程、轴功率和每吨水能耗上有很大的下降率，这说明在满足用户对用水流量、扬程的要求下，同时，变频变压供水有很大的节能空间可以挖掘。

3.3 三种供水方式的效率

为了比较三种供水方式的效率情况，根据所测试验数据计算出不同流量下三种供水方式的效率值并进行比较，如图6所示。由图6可知，变频变压供水方式效率最高，在一定的流量范围之内，三种供水方式的效率都随着流量的增加而增加，流量越大效率越高，在靠近某一流量附近时效率趋于一致。全速供水效率曲线和变频恒压供水效率曲线比较贴近，变频变压供水显然比变频恒压供水和全速供水两种供水方式效率高。