1 引言
城鎮二次加壓泵站的工藝運行方式和設備的合理配置決定著泵站的能耗。在同樣的水泵設備配置情況下，采用不同的工藝運行方式其泵站的能耗是不相同的。那么，二次加壓泵站采用什么樣的工藝運行方式最好？其電耗怎樣計算？筆者通過對二次加壓泵站的運行方式的分析研究，對泵站的能耗、工藝控制方法給出一個可行的建議。
2 二次加壓泵站幾種常用運行方式能耗
根據目前北方城鎮二次加壓泵站工藝設備配置及工藝運行狀況，將二次加壓泵站一般常用的運行方式分為四種:
(1) 方式1—水泵全速直聯供水方式;
(2) 方式2—微機控制水泵變頻調速恒壓供水方式;
(3) 方式3—微機控制水泵變頻調速變流變壓供水方式;
(4) 方式4—全自動管網直聯無負壓二次加壓供水。
2.1 方式1—水泵全速直聯供水方式
此種二次加壓泵站供水方式是二次加壓泵站的加壓泵，不通過任何中間工藝設備直接將儲水池的水供給用戶。該方式是泵站一種簡單、實用、經濟的二次加壓供水方式。
假設泵站水泵為兩臺(一用一備)，高日高時水量為qa，日最低水量為0，水量的變化范圍為0-qa，小區內管網最不利點的水頭損失為ho，其管網的最大壓力為hmax，水泵的特性曲線為f1，管道特性曲線為f2，則泵站水泵在水泵全速直聯供水方式下工作狀況，如圖1所示。
圖1 全速直聯供水方式下的水泵特性曲線
從圖1中可以看出:
(1) 此方式泵站的供水水量調節，是通過改變管道的特性曲線f2來實現的。泵站的供水壓力也隨著流量q在ha-hmax變化;
(2) 泵站全天24小時的供水電耗功率是特性曲線f1和坐標系(h，0，q)所圍成的圖形面積pa1;
(3) 泵站全天24小時供水實際需要消耗的電耗功率是管道特性曲線f2和坐標系(h, 0, q)所圍成的圖形面積p標。
下面根據水泵的特性曲線圖1，分別求出p標、pa1。
已知道泵站的管道特性曲線f2為:
ho為小區最不利點壓力，k泵站管道水頭損失系數，q為泵站供水量。
那么:
式中qa和ha為高日高時的泵站水量和揚程。
同理，pa數值求得如下，水泵的特性曲線f1為:
hmax為小區內網的最大壓力;ks水泵水頭損失系數。
那么:
上面的計算結果中，(2′)和(4′)式均為準確值，而式(2)和(4)為工程近似值。在分析計算實際問題時，一般用后者就可滿足工程的需要。在下面的分析計算只采用工程近似的方法。
泵站每天在方式1的狀況下電損功率pδ1為:
其方式1的電損率δ1為:
式(6)說明，在泵站供水工藝設備不變的情況下，泵站電耗的變化只與泵站的高日高時揚程ha、小區管網最小供水壓力ho和泵站最大供水壓力hmax有關，而與泵站的水量無關。
2.2 方式2—微機控制水泵變頻調速恒壓供水方式
從加壓泵站的運行方式上，微機控制水泵變頻調速恒壓運行是目前二次加壓泵站供水工藝中廣泛采用的水工藝運行方式。此種方式是通過改變泵站加壓水泵的轉速，來滿足小區內供水量的需要的。該方式不僅能很好地調節泵站供水量的變化，同時可以大大降低泵站的用電單耗。這主要由于轉速改變后減少了揚程浪費，另一方面是由于調速水泵的高效范圍擴大，從而使泵站的電損率δ降低。加壓泵站在微機控制水泵變頻調速恒壓供水方式下的工況如圖2所示。
圖2 微機控制水泵變頻調速恒壓供水時水泵特性曲線
由圖2可以看出:
方式2的電損功率pa2為:
泵站電損耗功率pδ2為:
電損率δ2為:
由此可以看出:
2.3 方式3—微機控制水泵變頻調速變流變壓供水方式
當供水泵站在小流量或零流量的情況下，水頭損失很大，水泵效率大大降低，電損率δ會增大，泵站達不到最佳的節能效果。在此情況下我們通常采用，方式3—二次加壓泵站水泵根據小區內網的水量及壓力來變流變壓的調速調節的方法，來克服上述的問題。方式3的泵站運行特性曲線見圖3。
圖3 變壓變流量供水時水泵特性曲線
該方式下的電耗指標為:
(1) 電耗功率pa3:
結合式(7)可得出:
從式(14)可以看出，方式3比方式2的用電損失率要少33%。
2.4 方式4—全自動管網直聯無負壓二次加壓供水方式。
全自動管網直聯無負壓供水方式，是將全自動管網直聯無負壓供水設備直接與自來水管網連接、采用密封水罐和負壓抑制及補償系統，自動調節來水水量和壓力，使自來水外管道無負壓、內網自動恒壓供水的功能。此種供水方式充分利用了市街供水管網的一次壓力hj，加壓泵站只是對蓄水池的進水壓力hj和所需供水壓力ha的差進行補壓，所以節能效果顯著。泵站工藝運行工況如圖4所示。
圖4 全自動管網直聯無負壓二次加壓供水方式水泵特性曲線
方式4電耗的各指標如下:
從公式(19)可以看出,泵站在采用全自動管網直聯無負壓二次加壓供水運行方式時，供水系統的節電率λ和市街管網供水壓力hj成正比;與內網的壓力ha成反比，而與泵站的水量q無關。
3 泵站運行方式的電耗狀況比較
通過上面對四種城市二次加壓泵站運行方式的分析研究, 將四種泵站運行方式的電耗狀況作一比較列于下表1中。
表1中ho—小區內網最不力點壓力; ha—泵站高日高時水量; h補—直聯無負壓網補償壓力; hj—市街管網壓力;hz、hb—為ho和ha的中間壓力，一般按1/3(ha-ho)取值; k—泵站管道水頭損失系數; ks—水泵水頭損失系數;hmax—小區內網最大供水壓力; qa—高日高時水量; qz、qb—為泵站的中低峰平均水量。
結合北方的某一泵站的工藝供水參數，算出泵站在同一泵站工藝供水參數下采用不同運行方式的電耗指標的實際數值列于表2。
從表1和表2可以看出，方式4是一種最節能的泵站工藝運行方式。此種運行方式的電耗功率比二次泵站加壓理想狀態下的電耗功率要少很多(本次計算為-20.6%);從節電的效果上看，方式4比方式1要節電70%以上，而比方式2要節約電耗達28.6%到43%。我們將泵站的四種運行方式的運行工況圖，作出如圖5所示。
圖5 四種運行方式比較圖
表2 泵站電耗指標計算結果比較表
節電率λ
編號 方式名稱 電損率δ 與方式1 與方式2
比較的λ1 比較的λ2
1 水泵直供 50.10%
2 恒壓調速 11.10% 26.30%
3 恒壓泵 11.10% 26.30%
4 變流變壓調速 3.70% 47% 6.60%
5 全自動管網直聯無負壓 -20.60% 71%～87% 28.6%~43%
目前在城鎮二次加壓泵站供水工藝中，普遍采用方式2運行方式，而采用方式3運行方式的只有很少一部分。因此，在城鎮二次加壓泵站中采用方式4—全自動管網直聯無負壓二次加壓供水方式供水，具有很大的節能空間。
4 結束語
城鎮二次加壓泵站采用微機控制變頻調速變流變壓和全自動管網直聯無負壓二次加壓供水運行方式是目前最節約電耗的兩種工藝運行方法;特別是城鎮二次加壓采用全自動管網直聯無負壓方式供水，具有顯著的節能效果和廣闊的市場前景。
參考文獻
[1] 姜乃昌. 水泵及水泵站.北京:中國建筑工業出版社.1998.
[2] 中國電工技術學會.風機水泵調速節能手冊.北京:機械工業出版社，1987.
[3] 姚宇新. 沈陽市二次加壓泵站節能運行方式研究實施方案.沈陽:沈陽市給水工程勘察設計研究院，2001.
作者簡介
姚宇新 高級工程師/電氣工程師/工學碩士 沈陽市自來水總公司水工業技術研究與發展中心主任, 有多年從事水廠和泵站電氣和自動化系統設計、節能改造及科研的經驗。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
