1  引言

    根據(jù)GBJ13-86室外給水設計規(guī)范，取水泵站選泵設計時應考慮供水保證率達到90~99%[1]的最低原水水位和泵站供水規(guī)模的最大出水量。然而由于自然界的規(guī)律，我國冬季12~3月為河流的枯水期，屆時江河水位最低，水泵所需的靜揚程高，泵站供水量小，如圖1、2中A點所示;7~9月夏季高峰供水時，江河水位由于豐水期的來臨而上升，雖然泵站供水量增大了不少，但水泵的靜揚程有所下降，如圖1、2中B點所示。室外給水設計規(guī)范依據(jù)的最大供水量和最低水位這兩個因素存在著明顯的季節(jié)差異，同時出現(xiàn)的概率很小，照搬教條按規(guī)范設計的取水泵站的揚程和流量參數(shù)選擇會非常不合理，造成泵站絕大部分時間的實際運行工況與設計參數(shù)存在較大的差別，運行能耗和基建投資的浪費較大[2]。但若只考慮正常年份的水位水量變化而不按規(guī)范要求設計，萬一在夏季高峰供水時出現(xiàn)干旱，江河水位下降至最低，而此時供水量又要求最大;或冬季枯水期時由于某種特殊情況而需要最大供水量，如圖1、2中C點所示，那么投資巨大的取水泵站將不能發(fā)揮應有的作用。

2  水位、水量的變化以及存在問題

     以南京地區(qū)的長江水位變化為例，夏季豐水期平均高水位為9.50m(吳淞標高，下同)。冬季枯水期平均低水位為2.50m，而設計時考慮的極限低水位1.42m，幾乎很難出現(xiàn)。一年中供水量較大的時間集中在7、8、9月份，此時江河的水位較高，而低水位時的12、1、2、3月份需水量比較少。
在很多場合，設計人員往往偏重考慮安全供水因素，一般都按規(guī)范要求進行選泵設計，即按供水保證率達到90~99%[1]的最低取水水位和泵站供水規(guī)模的最大出水量(圖1、2中C點工況)設計。水廠反應池標高是恒定的，但江河水位隨季節(jié)更迭而變化且幅度比較大時，水泵的靜揚程也發(fā)生較大的變化。
理想狀態(tài)的設計認為可以做到僅靠調節(jié)水泵并聯(lián)運行臺數(shù)來適應實際運行中的流量、揚程的變化，如圖1、2中A、B、C點所示。但據(jù)筆者調查大多數(shù)的取水泵站需要調節(jié)管路閥門的開度配合水泵并聯(lián)運行臺數(shù)的增減來適應流量及揚程的變化.如圖3中A1，B1點所示，那么A1-A,B1-B之間剩余揚程的能量消耗在閥門上，長年累月能量的浪費是十分驚人的。

圖1   江河枯/豐水期水位變化及冬/夏季源水泵站供水量變化1

圖2   江河枯/豐水期水位變化及冬/夏源水泵站供水量變化2

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圖3   大多數(shù)泵站的實際工況曲線

因此按百年一遇(即供水保證率90~99%)的極限低水位和最大供水量來選擇水泵的取水泵站肯定會出現(xiàn)閑置的水泵臺數(shù)較多，水泵絕大部分時間不在工況點運行而需依靠關小閥門開度來調節(jié)。大量閑置的固定資產和日常運行的高能耗使取水泵站的經濟性無從談起。

3  經濟性水泵選型和調速設計的原則

    水泵額定數(shù)據(jù)是對應于水泵效率最高點的各項參數(shù)，在該點左右兩側不低于最高效率10%的一定范圍內，都屬于效率較高的區(qū)段[3]。最理想的設計方案應該是泵站的流量、揚程變化范圍在所選水泵的高效區(qū)內，但實際上不一定能選擇到滿足理想條件的水泵。而且在工程實際中，經常遇到單臺水泵的高效區(qū)無法覆蓋泵站流量、揚程變化范圍的情況，這時就需要依靠多臺水泵并聯(lián)運行來完成。水泵并聯(lián)時按揚程不變，流量疊加的原理工作(如圖4所示)。水泵Q-H曲線變得越來越平緩，因而更適應流量變化比較大而揚程變化比較小的泵站。

圖4  水泵并聯(lián)工況圖

圖5   水泵調速的特性變化與江河水位變化之管道特性曲線變化

江河水位的升高，表現(xiàn)在水泵靜揚程的減少，管道特性曲線平行下移。此時工況點往往會移出水泵的高效區(qū)。如果能同時改變水泵轉速，水泵特性曲線Q-H同時平行下移，那么水泵特性曲線Q-H和管路特性曲線這兩族曲線就能在ABCD(如圖5所示)的區(qū)域內相交，在這塊區(qū)域內的各個工況點上，無論是流量還是揚程，水泵都能適應它們的變化。從而充分利用了水位的勢能，節(jié)省電耗。

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按水泵相似工況定律, 有:
     Qn/ Q0= nn/n0      (1)
    Hn/ H0=(nn/n0)2  (2)
    Pn/ P0=(nn/n0)3  (3)
式中:n0，Q0，H0，P0分別為全速泵之轉速，流量、揚程、功率。
nn，Qn，Hn，Pn分別為變速泵之轉速，流量、揚程、功率。
所以調速恰恰能彌補水泵并聯(lián)運行時Q-H曲線變得平緩而不能適應原水水位變化大但流量變化小的短處。
從圖1、2的兩種情況可以看出，取水泵站的常規(guī)運行是在夏季高水位低揚程大水量的B點和冬季低水位高揚程小水量的A點及其區(qū)間里。則經濟性選泵和調速原則的出發(fā)點可以分為兩種:
(1) 以圖1中B點為選泵的基準點，且水泵在B點運行適應位于其相應高效區(qū)的右側，若B點水量是單臺水泵是可以滿足的，而A點及A-B之間區(qū)域的經濟運行可以依靠降低水泵機組運行速度來解決;若B點水量必須數(shù)臺泵并聯(lián)運行才能達到時，則A點及A-B之間區(qū)域的經濟運行可以用減少并聯(lián)水泵臺數(shù)[2]、降低水泵機組速度的組合方法來解決。
(2) 以圖2中A點作為選泵的基準點，且水泵在A點運行適應位于其相應高效區(qū)的左側，若A點水量是單臺水泵可以滿足的，則B點及A-B之間區(qū)域的經濟運行可以依靠降低水泵機組運行速度來解決;若A點水量必須數(shù)臺泵并聯(lián)運行才能達到時，則B點及A-B之間區(qū)域的經濟運行可以用減少并聯(lián)水泵臺數(shù)[2]、降低水泵機組速度的組合方法來解決。

4  可靠性水泵選型和調速設計的對策

    根據(jù)GBJ13-86的設計規(guī)范，取水泵站選泵設計時應考慮供水保證率達到90~99%的最低水位和泵站供水規(guī)模最大時的出水量，即圖1、2中C點的要求。但正如本文前面分析所述，取水泵站由于自然界的規(guī)律而經常運行于A-B之間的區(qū)域內，只有在夏季高溫干旱或冬季出現(xiàn)特大供水量需求的特殊條件下，才會出現(xiàn)C點的情況，這就是源水泵站選泵設計的可靠性所在。
水泵機組采用變頻調速技術，并且在A-B之間正常運行區(qū)域內時均采用低于50Hz的變頻運行狀態(tài)，按實際情況需要時將運行頻率上調至55Hz甚至更高一點的超工頻運行狀態(tài)，則根據(jù)式(1)、(2)、(3)的規(guī)律，可以滿足C點的運行工況。

5  需要注意的事項

(1) 電動機功率的匹配
由于式(3)的關系，在采用調高頻率進行超過額定轉速運行時，必須對水泵和電動機的功率進行校核。因為水泵的軸功率是隨著流量、揚程的變化而變化，水泵配置的電動機功率均按水泵單機運行的最大軸功率選擇。由圖4可見，兩臺水泵并聯(lián)運行時的工況點F，其流量為Q1+2，揚程為H2。折算到單臺水泵時的揚程仍為H2，流量為Q1，2。該流量小于單臺水泵工作時的流量Q1;其軸功率P1，2也小于單泵工作時的軸功率P1。多臺水泵在并聯(lián)運行時的功率更小于單泵運行時的功率[3]。所以在選配電動機時，其功率按常規(guī)配置就足夠了。但應校核水泵在并聯(lián)且調速運行時，其電動機的輸出功率一般不小于75%的額定值。以保證調速狀態(tài)下的電動機也處于高效區(qū)內。在多臺水泵并聯(lián)運行還不能滿足最大流量最高揚程(即C點)的工況，而需要將頻率調至55Hz時按式(3)
    Pp=(55/50)3 P1=1.13 P1=1.331 P1    (4)
反之，P1=0.751 Pp     (5)
所以當水泵并聯(lián)運行時，可在電動機功率不超載的前提下，實現(xiàn)前述超速的安全運行。
(2) 水泵汽蝕余量的校核
由于水泵的NPSH(必需的汽蝕余量)在實行超速運行工況時，會隨著轉速的上升而上升，但水泵的安裝高度是恒定的，C點的工況條件是最低水位時的最大流量，所以在為滿足C點要求采取的對策時，NPSH的校核是保證泵站安全運行的必備條件。
(3) 電動機功率因數(shù)
當水泵并聯(lián)運行時電動機處于輕載狀態(tài)，其功率因數(shù)Cosф有一定的下降，這可以通過電容補償?shù)姆椒▉斫鉀Q。在為實現(xiàn)C點運行要求而進行超速運行時，電動機功率會隨著負載的加重而逐漸向滿載甚至輕微超載的狀態(tài)靠攏，功率因數(shù)也逐漸上升，就有可能出現(xiàn)功率因數(shù)過補償而不經濟的狀況。但因為C點是非正常的極端情況，發(fā)生的機會很少，即使功率因數(shù)不經濟也同樣作為小概率事件可以忽略不計。
(4) 機械強度的考慮
目前國內水泵、電動機的機械強度能滿足上述小范圍超速運行的需要。因為在為50Hz的工況條件下生產水泵及電動機時，制造者僅需改變工藝參數(shù)設計而保持原有的機械結構不變。

6  結束語

當江河水位變化較大時，水泵靜揚程變化也較大。冬季低水位時供水量小，夏季高水位時供水量大，這是自然界的規(guī)律。取水泵站選泵設計應分別根據(jù)實際情況按正常年份冬季水位水量和夏季水位水量來選取合適的泵型再配以變頻調速，以確保泵站的高效運行，這才符合選泵和調速設計的經濟性的要求;同時還應校核設計規(guī)范要求的在最低水位情況下，泵站能否滿足最大供水量的要求，這是選泵和調速設計的可靠性所要求的。