市政给排水工程节能的设计方法的探讨

摘要: 随着经济发展, 能源消耗量不断增加, 城市市政设施电费消耗量占主要比重。该文就给排水工程设计中水泵、鼓风机及管线使用中几种节能方法进行分析, 提出解决方法, 尽可能合理利用能源。

关键词: 给排水工程设计方法特性曲线

1 前言

城市和企业给排水设施消耗的电能是比较大的。城市的自来水厂、污水处理厂、提升泵站往往是用电大用户。给排水项目所耗能的80%为电能。节能问题已引起企业和有关工程设计部门的高度关注。随着我国社会经济发展和环境保护要求的提高, 以及人民生活水平日益改善, 用水量日益增加, 饮用水卫生标准逐步提高, 自来水厂工艺流程更加复杂, 给水水源缺乏, 输水距离加长, 污水处理厂出水标准提高, 电能消耗也越来越大。所以首要的问题要考虑采用高效节能的用电设备。

近年来, 出现调速泵供水, 可变化流量, 但恒压运行, 使节能又步入误区。所以, 要了解水泵机组与管网配合的工作情况, 以及定速泵和调速泵并联曲线与管网理论特性曲线在高效范围内合理配合运行过程, 这样才能全面地直观体现出管网和机组整个供排水系统的效率变化情况。

2 理论特性曲线

给水及排水泵站水泵工作的特性曲线以固定的管径, 按不同的流量, 通过计算公式或图表很容易表达出来。可是, 对于多种管径甚至不同管材组成的多环管网, 通过数学模型在理论上概化成一条曲线尚待探讨。在泵站和管网的供水系统运行中, 可通过实践加以调整, 使其更能符合实际。管网中各种不同的管径其水力计算公式是一致的, 即H=Hz+SQ2 ( 1)式( 1) 中: H―――总扬程( m) ;Hz―――水泵吸水位至管网最不利点的几何高差( 包括自由水头)( m) ;S―――管网综合阻力系数( s2/m5) ;Q―――流量( m3/s) 。通过式( 1) 的数理统计, 使复杂的管网概化成理论公式成为可能。公式( 1) 中, Hz 是管网控制点与水泵吸水位间的高差, 设计为确定的值。管段长度决定后, 按不同管径的经济流速, 通过管网平差计算, 设定不同流量Q 可以求得相应的扬程H。H- Hz=SQ2 为曲线方程。如将公式中综合阻力系数S 求出, 则该曲线方程就能建立。S 值反应出不同管径和不同材质管道的综合特性。为求得S 值, 可对H- Hz= SQ2 取对数:Log( H- Hz) = LogS+2LogQ ( 2)该曲线代表不同管径组成的多环管网的水力特性曲线。供水工程设计在管网布置图中, 所确定的Hz 值, 由于管网和水泵运行过程中Q 、H 的变化, Hz 也自动调节。如夜间管网中用水量小时, 压力损失也减少, 水泵工作的自行调节流量减小扬程有富余, 而增加了Hz 值, 使SQ2 曲线平行上移,这种能量损失是不必要的, 一般在运行中也意想不到。为了减少水泵的出水量, 关小水泵出水管的闸门, 增加了管网的局部阻力, 使特性曲线上弯,此举虽然减少了水量, 但又人为地增加了水力损失, 也是浪费了能量。总之, 给排水管网所消耗的电能以H、Q 的参数表现出来, 从管网特性曲线的变化, 很直观地看出能量损失的原因和数值。

3 标准

大型水厂水泵机组容量大, 效率高, 因而电耗指标要求严格一些。另外, 地面水与地下水使用的水泵机组型号不同, 地下水采用深井泵或潜水泵,运行效率更低, 电耗指标要求有所不同。2000 年,我国供水行业发展规划提出离心泵与混流泵、地下水采用深井泵与潜水泵生产运行的电耗指标,明确了与单机流量等级有关( 见表1、表2) 。

4 方法

本文论述的节能方法, 主要是供排水工程所消耗的能量。包括:

（1）工程设计要采用高效节能的水泵机组, 并要满足其性能和安装的要求, 特别是注意气蚀余量( NPSH) 问题;

(2) 采用输水配水管磨阻小的管材和管件;

(3) 水泵机组的运行性能参数曲线要与管网相适应, 并保持高效范围内工作;

(4) 给水泵机组选型的高效点不按短时间最大时用水量而采用全日变化的供水量均在高效范围内的特征流量, 排水泵机组选型的高效点不按最高水位而采用常水位均在高效范围内的特征流量

( 5) 采用变速泵合理的确定台数;

( 6) 供水工程规划要考虑水厂布置接近用水量大的区域,地形起伏较大和狭长分布的城市要采用分区,分压供水的方式, 输水干管以最短的长度到最大用水区;

( 7) 管网平差管段计算要在经济流速的范围内。

那么, 下面就重点论述水泵机组的运行如何适应管网中流量和扬程的变化, 并保持在高效范围工作问题。

输配水管网中流量的变化, 主要是用户在24 h 内对供水的需求量不同引起的, 有最大用水时, 平均用水和最小用水量。无论是城市和工业企业都存在用水变化曲线。各地的生活用水习惯不同, 生产用水的企业性质和生产工艺的差别, 以及当地气候条件的影响, 各城市用水量变化曲线都有所变化。大城市变化较小, 小城市变化较大。但是变化曲线上最大时和最小用水量发生的时段与持续时间相差不大, 基本上是有一定规律的。

如在给工程设计中, 水泵机组的运行只满足最大时用水在高效点工作的要求, 显然存在节能的潜在问题。就是说, 当前只按最大时用水量来选泵的设计常规, 有必要加以深入探讨, 应考虑全日大部分供水量是否都使机组在高效范围内运行的可能。这就需要研究用水量变化曲线上平均日用水百分比4.166%(100%/24) 和泵站以水泵台数调节的工作泵全部运行的最大供水时工作曲线持续段每小时的供水百分比之间的比例关系, 再以此除最大时供水量, 为选泵高效点的特征流量。

又因为常用离心泵性能曲线的高效段, 合理的选用水泵机组,则全日大部分设计水量,甚至全部供水量均可处于机组的高效范围内运行。确定水泵机组的台数, 以及定速泵和变速泵如何配合工作问题, 也是遵循机组效率下降值控制5%以内的原则。定速泵特性曲线在高效点的两侧, 效率均逐渐降低, 根据Q、H 的大小, 效率在曲线上变化; 而变速泵的效率变化, 最高效率是全速运行。随着转速的降低, 效率下降。其转速下降值一般限制在30%以内, 高效变化范围是扇形面积上。当管网中发生最大用水时, 所有的工作泵全开, 其中变速泵全速运行。并联泵的台数越多, 每台泵出水量减少值也越大, 最大时供水因扬程高,工作点在水泵特性曲线上流量变少的一侧, 这时效率随之下降。管网中水量的变化, 相应扬程也发生变化, 流量增加, 扬程提高; 反之流量减少, 扬程也相应降低。为使水泵机组适应这样变化, 以往常规的技术措施是多台水泵机组大小泵搭配或采用同型号泵不同直径的叶轮, 调节出口闸门的开启度来满足水量变化。

近年来出现普速泵, 不适当的运行或全部采用变速泵以后, 使节能和节省建设投资又步入误区。如变速泵的恒压运行与大小机组搭配的办法, 还是分段式的定扬和工作, 只注意了流量的变化, 而忽视了扬程上的能量浪费。全部采用变速泵不仅自控系统价格过高, 而且在技术上也没有必要。前已明确指出, 定速泵与变速泵配合工作,效率下降值是有限制的。在一定的Q、H 范围内,定速泵与变速泵可以在同一扬程协调工作, 当管网中压力降低时, 定速泵以增加流量的方式与变速泵在同一扬程下工作; 当扬程提高时, 定速泵减小流量与之配合。就是说定速泵也能自行调节Q、H 值。最大用水时, 定速泵和变速泵全载并运行;在平均用水和最小用水时, 变速泵减速运行, 定速泵由于效率( 实际是调节Q、H) 的限制, 而逐台停运。这时机组并联曲线与管网特性曲线上的配合工作交点。变速泵在低速下运行, 满足最小用水量的需要。调速的范围主要决定水泵和机组的综合效率η, 水泵的效率在减速时一般允许降低3%～4%,是出于节能的目的。一般城市供水调速机组由100%的全速, 只要降至70%～75%就能满足要求。调速的自动控制由管网控制点设定的自由水头HZ 来执行。供水系统运行时, HZ 值比原设计高了, 说明管网中用水量已减少, 指示变速电机应减速, 使HZ 保持设定值; HZ 低了, 说明管网用水量正在增加, 指示变速电机要提高转速。在管网水压控制点安装压力表及传感器实现自动控制。管网控制点往往距泵站较远, 有滞后问题, 但水压波的传播速度相当于声速, 对于供排水行业, 满足流量的变化问题不大。

另外, 也可以通过程控, PLC 按不同时间, 遵循流量变化曲线, 直接指示水泵机组送出所要求的流量。水泵的扬程随管网压力变化而变化。但是这样固定的运行工作制度, 必需切实能满足用水的需求。这就关系到流量变化曲线和管网特性曲线是否符合实际问题。流量变化曲线须通过长时间的调查和水泵站的运行测试是可以做到的, 而且还能根据需要随时调整。对于供水量不足的城市, 满足不了最大时用水, 市政水厂可按规定的制度供水, 但在设计时也必须考虑达到设计规模时的节能问题。管网特性曲线影响的因素较多, 如新旧管材、管网中不同地段采用的管材材质不同、管网上的截止阀门开启有变化等, 都直接影响曲线的变化。不过这些影响因素最终都反映到水泵机组的运行中的总扬程上, 通过机组的运行也可以随时矫正和调整管网特性曲线的S 值, 使其符合实际情况。地形起伏比较大的城市, 不能以高区为控制点, 可考虑局部加压, 采取分区供水的方式。

4 结语

目前各城市供排水系统千差万别, 节能的方式和效益也不尽相同。有以闸门调节输配水量的大小而浪费能量的问题。常规采用大小泵搭配和大小鼓风机搭配的泵站及鼓风机房设计, 存在能量的浪费却往往不被察觉。意识到调速电机运行可以节能, 却往往应用不当, 比如恒压供水及定水位出水定量鼓风方式不能充分发挥应有的节能效果。更重要的是, 对于定速电机和调速电机与管网配合工作的节能效果可比性和计算方法, 需进一步深入探讨。