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專題:泵站調(diào)速改造方案的確定

2013-02-20


泵站調(diào)速改造方案的確定      

 
        本文從量的角度——泵站年費用對泵站調(diào)速改造方案確定進行了研究,編制了調(diào)速改造方案確定的計算機輔助設計程序,并用動態(tài)經(jīng)濟的方法建立了泵站運行功率小為目標的泵站經(jīng)濟運行的數(shù)學模型,且對模型求解。

 

    1 引言

    泵站調(diào)速供水因其具有良好的節(jié)能效果而越來越得到廣泛應用,一些無調(diào)速泵的泵站也已經(jīng)或準備進行調(diào)速改造。但是,有些泵站在調(diào)速改造后,其節(jié)能效果不明顯,調(diào)速設備投資成本回收年限較長,并沒有達到預期的效果。究其原因,除運行方面外,主要是調(diào)速改造方案不合理。因此泵站在調(diào)速改造時一定要對方案的可行性及調(diào)速泵臺數(shù)進行研究。國內(nèi)有一些文章比較提倡“兩臺泵調(diào)速”的觀點,但只作了定性的討論[1]。本文試圖用計算機從量的角度對調(diào)速改造方案可行性和調(diào)速泵臺數(shù)確定進行研究。

    2 泵站調(diào)速改造的目的及方案評價方法

    2.1 泵站調(diào)速改造的目的

    調(diào)速改造的主要目的是使泵站運行工況與供水對象所需工況一致,從而減少剩余水頭,節(jié)約電能。   B0C0為額定轉(zhuǎn)速時水泵的性能曲線,DE為管路特性曲線,當需水量為Q0時,供水對象所需工況在A點,但水泵運行揚程在A1點,造成AA1段剩余水頭。如果水泵調(diào)速運行,水泵的轉(zhuǎn)速變化,其特性曲線相應變?yōu)锽1C1,B2C2……,BnCn,在這些曲線中總可以找到一條恰好通過A點。這樣AA1→0,節(jié)約了能量。

    另外,除節(jié)能外,同時調(diào)速供水還能滿足區(qū)域水量水壓要求,保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定,減少爆管事故,降低漏水率等。

    2.2 泵站調(diào)速改造方案評價方法

    評價泵站調(diào)速改造方案必須從技術經(jīng)濟的角度出發(fā),求得改造前的泵站年費用F0及擬采用的各種調(diào)速改造方案的年費用Fi,

    如果Fi < F0............................(1)

    則泵站可以進行調(diào)速改造, Fi中小的方案即為調(diào)速改造方案。否則該泵站調(diào)速改造方案不可行。

    3 泵站調(diào)速改造前后年費用的確定

    3.1 水泵性能曲線方程的確定

    首先須建立水泵性能曲線方程。大量的實踐表明,泵在額定轉(zhuǎn)速下,它的Q-H、Q-N曲線可以用多項式表示[2]。一般泵站在運行一段時間后,水泵特性曲線與原樣本曲線有些偏差。這里,可以通過實測若干個水泵工況點,通過小二乘法進行曲線擬合,獲得水泵各性能曲線方程:
    研究表明,取m=4具有足夠的精度。

    3.2改造前后的年費用的求得

    設泵站的運行工況可分為Nduty級,那么,由動態(tài)經(jīng)濟分析方法,其年費用可用下式求得[3]:
    泵站年費用,元

    Nduty——泵站年運行供水分級數(shù)
    Ti——第i級供水全年運行時間,h
    Ni——泵站第i級供水全年運行的總功率,kw
    felec——電費單價,元/kwh
    r——折現(xiàn)率
    n——調(diào)速設備投資償還年限,年
    k——調(diào)速設備年維修費率,由泵站的技術力量而定,一般5%-10%
    C——調(diào)速設備投資,元。改造前,C=0。

    顯然,對于一個具體泵站的技改項目,除Ni外,其余的變量值皆易求得。下面重點介紹Ni的求法。

    3.3 Ni的計算

    3.3.1 數(shù)學模型的建立

    要求得Ni必須確定泵站在第i級供水的運行方案,顯然,對于同一級供水工況(Qi,Hi),不同的開機方案,泵站的總能耗不同。能耗小的開機方案既是泵站在該分級下的運行方案。事實上這是泵站的優(yōu)化運行問題。可以建立如下數(shù)學模型:

    (1)目標函數(shù)
    其中Num——泵站內(nèi)水泵臺數(shù)
    Ni,j——第i種型號第j臺水泵的軸功率,kw。
    對定速泵,Ni,j是Qi,j的函數(shù);對調(diào)速泵,Ni,j是Qi,j和轉(zhuǎn)速nj 的函數(shù)
    Qi,j——第i種型號第j臺水泵的工作流量,l/s
    ωi,j——狀態(tài)函數(shù),ωi,j =0 表示第j臺水泵停運,ωi,j =1 表示第j臺水泵運行
    ηi,j——水泵機組的總效率

    (2)約束條件

    ①水泵特性曲線方程
    式中Hi,j––—第i種型號第j臺水泵的揚程

    ②流量約束
    式中Qi——泵站第i級供水流量,l/s

    ③單泵流量約束

    水泵流量過小或過大都會導致其效率很低,因此要求水泵運行時流量界于大小流量之間,對定速泵有:

    Qjmin≤Qij≤Qjmax............(9)

    其中Qj,min、Qj,max——第j臺泵的小大流量,根據(jù)水泵的特性曲線選定;對變速泵有
    式中nj——第j臺水泵的額定轉(zhuǎn)速

    nj'——第j臺水泵調(diào)速運行轉(zhuǎn)速

    ④轉(zhuǎn)速限制。

    可以根據(jù)調(diào)速設備的性能和水泵機組的特性確定小大調(diào)速范圍nj,min 和nj,max

    nj,min≤nj≤nj,max...... (11)

    ⑤揚程限制

    對于定速泵有 Hi,j≥Hi.......(12)

    對于調(diào)速泵有 Hi,j=Hi........(13)

    其中Hi——泵站第i級供水揚程

    3.3.2 數(shù)學模型的求解

    上述數(shù)學模型是一個混合型非線性規(guī)劃問題。其求解步驟為:由機組要求和水泵并聯(lián)運行的內(nèi)在規(guī)律首先求出每臺泵的流量Qi,j,對于定速泵,可用Ni,j=φ i(Qi,j)直接計算單泵的軸功率;對于調(diào)速泵,可據(jù)轉(zhuǎn)速nj和水泵相似原理求得Ni,j;而后選擇狀態(tài)函數(shù)ωi,j進行組合;通過比較各組合的功率,得出組合,即功率低的組合。

    (1)Qi,j,的確定

    整個模型的求解中,Qi,j的確定是至關重要的。不同的水泵規(guī)格、是否有調(diào)速裝置,其Qi,j值是不同的。嚴格地說,同型號水泵由于水泵吸壓水管道及其出口閥的開啟度的不同而導致Qi,j不同,但文中為了簡化計算,設定同型號定速泵的Qi,j值相等,同型號調(diào)速泵轉(zhuǎn)速相等且泵站中水泵型號多為兩種,并只考慮容量大的水泵調(diào)速。下面將確定Qi,j的情況分成水泵是否有調(diào)速裝置兩種情況。

    ①定速泵:一般水泵裝置采用節(jié)流調(diào)節(jié),揚程浪費是不可避免的。對于同型號水泵,各水泵的工況是相同的,則有:

    Q1,j=Qi/Num....................(14)

    對于不同型號水泵,情況稍有不同。設有Ⅰ型水泵(Num)1臺、Ⅱ型水泵(Num )2臺,根據(jù)水泵并聯(lián)工作原理,有:
    其中Q1,j——Ⅰ型定速泵的工作流量(l/s),

    顯然按照假定條件對于任何1≤m≤(Num)1和1≤n≤(Num)1都有Q1,m=Q1,n

    Q2,j——Ⅱ型定速泵的工作流量(l/s),同樣對于任何1≤m≤(Num)1和1≤m≤(Num)1都有Q2,m=Q2,n

    Hi——泵站第i級供水揚程

    這是一個非線性方程組,借助計算機求解可以快速求解。

    ②調(diào)速泵:顯然,只有泵站的工作情況與供水對象的需求一致時才是的情況。設有Ⅰ型水泵(Num)1臺,其中l(wèi)臺調(diào)速,Ⅱ型水泵(Num )2臺,全部采用定速泵,水泵并聯(lián)則有

    f1(Q1,j)=f2(Q2,j)=Hi........ (16)

    其中1≤m≤(Num)1–l,1≤n≤(Num)2

    按照流量約束條件,得調(diào)速泵的單泵流量為
    聯(lián)立式(16)、(17)求解得各水泵流量Qi,j

    (2)各泵的軸功率Ni,j的確定

    獲得單泵流量Qi,j后,據(jù)水泵Q-N特性曲線方程和相似原理,可得到各泵的軸功率Ni,j

    ①對定速泵,直接有

    Ni,j=hi(Qi,j).............(18)

    ②對調(diào)速泵,按照相似原理,
        nspd——水泵工作轉(zhuǎn)速(r/min)
         nd——水泵額定轉(zhuǎn)速(r/min)
         Qd、Hd、Nd——水泵額定轉(zhuǎn)速時的流量、揚程及軸功率
         Qspd、Hspd、Nspd——水泵在轉(zhuǎn)速nspd時的流量、揚程及軸功率

    相似工況拋物線為:

    H=kQ2............(20)

    其中K=Hspd/Qspd2=常數(shù),且Hspd=Hi

    由方程組即可求出與工況點(Qspd ,Hspd)相似的額定轉(zhuǎn)速時的工況點(Qd,Hd),據(jù)式(19)可得出水泵調(diào)速后的轉(zhuǎn)速及軸功率

    nspd=(Qspd/Qd)nd

    Nspd=φ1(Qd)

    (3)單泵裝置總效率ηi,j的確定

    對于一臺水泵機組,在已知水泵軸功率時,其裝置效率等于傳動效率ηt(一般為1)、電機效率ηm和調(diào)速設備效率三部分之積,根據(jù)動力機和調(diào)速設備的型號確定。

    確定數(shù)學模型中所有的變量后,再不斷地變換狀態(tài)函數(shù)ωi,j進行水泵組合;通過比較各水泵組合的耗電功率,得出組合,即泵站機組所耗功率低的組合。事實上也是泵站機組在這一工況點所耗電費小的組合。

    4 算法實現(xiàn)方法

    上述算法可以編制計算機程序,其具體做法是求出調(diào)速前的泵站年運行費用F0,不同的調(diào)速方案的年費用Fi ,然后進行比較,確定方案可行性或改造方案。

    5 結束語

    泵站在進行調(diào)速改造時,一定要獲得真實的水泵特征參數(shù),再從量的角度進行技術經(jīng)濟比較,確定改造方案。如果盲目認為調(diào)速改造一定節(jié)能,對泵站都進行改造,則可能達不到預期的效果。

    在確定改造前后年費用時,要獲得設備投資、折現(xiàn)率等有關參數(shù),其中選用不同的調(diào)速設備,價格相差很大,可能會得出不同的結果。

    在確定數(shù)學模型的有關限制條件時,如轉(zhuǎn)速上下限,要結合機組的實際情況。

    參考文獻:

    [1] 李名銳 水泵調(diào)速機組效率變化與選泵,哈爾濱建筑大學學報,1995(6),58-63

    [2] 姜乃昌,水泵及水泵站(第四版),中國建筑工業(yè)出版社,1998(6)

    [3] 沈德康,技術經(jīng)濟(第一版),中國建筑工業(yè)出版社,1991(9)
 

 

 

 


 

上海帕特泵業(yè)制造有限公司

2013年02月20日 星期三

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