長沙中贏變頻恒壓供水系統性能分析
長沙中贏變頻恒壓供水系統性能分析
無負壓變頻恒壓供水系統是建設部2003年推廣的節能型供水系統。這種裝置的主要工作原理是，把小區供水系統的開式進水水池，變成容積較小的閉式進水箱，并在蓄水罐上安裝一個真空消除器V.E，消除高峰負荷時罐內的負壓，從而造成對市政自來水管網的直接抽吸作用，以滿足自來水管網安全運行的要求，如圖1所示。真空消除器其實就是一個壓力窗口器，保持罐內的壓力P0跟隨自來水管網供水壓力變化，即在0～市政自來水管網正常壓力之間變化。罐內壓力低于下限，真空消除器打開，使空氣進入罐內；罐內壓力高于上限，真空消除器打開，放掉罐內的一些空氣。即只有罐內壓力低于下限、高于上限時，真空閥才打開，以便進氣或排氣。如果罐內壓力在下限、上限之間時，真空閥是關閉的。由于市政自來水管網20mH2 O左右的壓頭P0在進入小區進水灌時沒有節流損失掉，因此小區供水系統的變頻水泵P1在小區供水時就可以減少20mH2 O左右的揚程，從而達到節能供水的目的。下面從系統思考的理念對其性能進行分析。
2 恒壓變頻供水系統在部分負荷時的性能分析
變頻恒壓供水系統的流程圖如圖1所示。它屬于開式直流水系統，其中大樓n是小區最高、最遠的點，是小區最不利的用水點。
在給水系統設計中，要求最不利的用水點有3～5mH2O的供水水頭，因此在設計工況給水系統水泵的揚程ΔPp0由公式（1）確定，設計工況水泵的有效功耗Wpe0由公式（2）確定，設計工況水泵的總功耗Wpt0由公式（3）確定，設計工況水泵節省的總功耗Wpset0由公式（4）確定：
ΔPp0—設計工況水泵揚程，Pa；
S0 — 從水泵出口看，設計工況供水管路綜合阻力系數，Pa×s2/m6；
H0 — 最不利用水點相對于水泵進口的自然高度，也叫自然壓頭，mH2 O；
P0 — 設計工況市政自來水管網供水壓頭，Pa；
Wpe0 — 設計工況水泵的有效功耗，W；
Wpt0 — 設計工況水泵的總功耗，W；
ηps0 — 設計工況水泵的軸效率，%；
ηm0 — 設計工況水泵電機的軸效率，%；
ηinv0 — 設計工況水泵變頻器的效率，%。
Wpset0 — 設計工況水泵節省的總功耗，W。
設計工況是供水系統最大用水量的工況。在不同用水時段，市政自來水供水管網的供水壓頭P0是波動的，用水高峰時低，用水低谷時高，會造成小區變頻恒壓供水系統的水泵工況點隨著管網的供水壓頭的波動而漂移。按照自來水公司為保證市政自來水供水管網安全運行，要求小區供水系統不能影響、干涉自來水供水壓力P0的變化，這就對利用波動的供水管網供水壓頭P0的壓力能、保證變頻水泵時時在高效工況點運行以取得顯著的節能效果來說，增加了不少的難度。但要達到這樣的目的，必須深刻理解系統的結構及其性能。下面分析變頻恒壓供水系統為時時跟蹤小區用水量的變化時所表現的特性，特別是節能特性，以加深對系統的認識。
按照水電比擬原理在額定流量L0時供水管網的靜壓從P0升高為P1時，系統的最不利用水點水路的吉爾霍夫水路水壓定律計算公式分別為（5）、（6）：
式中下標為“0”者為設計狀態參數，下標為“1”者為管網靜壓為P1時的狀態參數。
ΔPp—水泵揚程，Pa；
Sst—從水泵出口看，管道系統的總的綜合阻力系數，Pa×s2/m6；
Ss0—從水泵出口看，最不利水路龍頭前（n-1）個幾何參數不變的阻力元件的當量總的綜合阻力系數，Pa×s2/m6；
L — 水泵的流量，m3/s；
Si — 最不利供水點的水路第i個阻力元件的綜合阻力系數，Pa×s2/m6；
Li — 流過最不利供水點的水路第i個阻力元件的流量，m3/s；
Sn — 最不利供水點的水路末端龍頭的綜合阻力系數，Pa×s2/m6；
Ln — 流過最不利供水點的末端龍頭的流量，m3/s。
在公式（5）、（6）中，我們特地把最不利用水點的龍頭的供水壓頭提出來，是因為最不利供水點的水路末端龍頭前（n-1）個阻力元件的綜合阻力系數Si［i=1～（n-1）］都是不變的，只有最不利用水點龍頭的綜合阻力系數Sn隨龍頭開度變化而變化。在設計工況，系統最不利供水點的水路末端龍頭前的（n-1）個綜合阻力系數不變的阻力元件構成的管路特性如圖2上的R00曲線所示，加入設計工況點最不利用水點龍頭的供水壓頭后，供水系統的阻力特性曲線變為R0，設計工況點為A0，設計流量為L0，R00曲線與恒流曲線L0的交點為B，那么點A0和點B之間的壓差就是在設計工況最不利用水點龍頭的供水壓頭如圖2所示。
根據離心水泵原理，水泵的揚程ΔPp和水泵葉輪外圓線速度u2間有公式（8）的關系：
式中：
kp — 和水泵幾何參數、流量有關的常數；
ρ — 水的質量密度，kg/m3；
u2 — 水泵葉輪外圓線速度，m/s。
在供水管網的靜壓為P0和為P1時，水泵的轉速、流量皆不變，因此從公式（8）可得出，即（5）=（6）。從這個關系我們可以推導出公式（9）：
從公式（9）可以看出，供水管網的靜壓增量（P1-P0）全部加在了水系統中所有用水點的龍頭上，各龍頭為了開啟時取得和平時時相同的流量，必須把龍頭開小一點，公式（9）中的表現就是（）＞0，也就是說，龍頭必須開小一點以增大節流損失，才能把附加在龍頭上的壓頭消耗掉。如果龍頭上的供水壓頭過高，容易引起供水系統的水錘效應和噪音，使供水質量和系統的安全性下降。從節能角度看，恒壓變頻無負壓供水系統只是把供水管網的靜壓轉移到龍頭上給節流損失掉了，這和普通的變頻恒壓供水系統中在進水池中把供水管網的靜壓節流損失掉并沒有實質的區別，并沒有達到利用供水管網的靜壓進行節能的初衷。另外，恒壓變頻無負壓供水系統在構造時只是把進水罐密閉，加上真空消除器處的結構改變，其心臟部分的并聯水泵運行仍舊采用恒壓變頻供水系統常用的方式——一變多定。作者在文獻［1］中分析了恒壓變頻供水系統存在的二大缺點：其一是變工況時變頻水泵不在相似點運行，效率低；其二是變工況時把大部分靜壓頭加在龍頭上給節流損失掉了，供水損耗大，同時也降低了供水系統的供水質量和供水安全性。恒壓變頻無負壓供水系統在設計中并沒有從根本上改變恒壓變頻供水系統結構上不節能的屬性，反而把供水管網的靜壓引入供水系統加在系統龍頭上，放大了恒壓變頻供水系統的固有缺點，并仍舊保持有結構上不節能的屬性。為了克服恒壓變頻無負壓供水系統結構上的固有缺點，必須從改變供水系統的結構入手。
3 變頻恒壓供水系統結構上改變的途徑
為了在本質上更清楚變頻恒壓供水系統的特性以及理清達到供水系統安全節能目標的實質，我們再用水電比擬原理對變頻恒壓供水系統的性能進一步進行分析。
水、電系統運行中都遵守能量守恒定理，都遵守基本的物理原理，在本質上是相同的，因此才有水電相似比擬的原理。根據水電比擬原理，水壓相當于電壓，水勢相當于電勢；水阻相當于電阻，幾何尺寸不變化的水阻力元件相當于固定電阻，幾何尺寸變化的調節閥相當于可變電阻；水流相當于電流。這樣就可以利用我們非常熟悉的電路原理，如歐姆定律、吉爾霍夫回路電壓定理、吉爾霍夫接點電流定理進行水路的計算。雖然水電比擬原理給我們分析水路性能提供了一個非常有力的工具，但我們也必須清醒地認識，水路和電路有著明顯的不同，最顯著的就是水路中的固定水阻恒定的不是其阻值而是恒定的綜合阻力系數，固定水阻的阻值是變化的，這是我們在運用水電比擬原理必須特別注意的。
用水電比擬原理，圖1的變頻恒壓供水系統相當于圖3的電路系統。從圖3中可以看出，相當于管網靜壓P0的變壓源E1和相當于定壓變頻水泵揚程ΔPp0的恒壓變流源E1是串聯迭加共同作用到電路系統的，最不利用水點水路的當量電路在不同工況的吉爾霍夫水路電壓定律公式為（10）、（11）：
從公式（12）可以看出，當量變壓源，電壓的波動全部加到了末端當量可變電阻Rn上了，為了最不利末端的電流恒定為In0，同樣要增加電阻值為Rn1，以消掉電壓的增值。這個結論和水路系統的分析結果的結論完全相同。
在現代供水系統設計中對供水系統的要求是供水質量、安全性高，節能。這個要求在水系統中的具體表現就是不管在任何時間、工況下，最不利用水點龍頭前壓力變送器Ps3處（如圖1、圖3上）的供水壓頭都恒定在（3～5）mH2O。只要滿足這個條件，就可以達到對供水系統的要求。然而現在的恒壓變頻無負壓供水系統的設計者把僅在水泵專業里可以應用的概念，不適當地擴大到整個供水系統上，他們對水泵容入系統后的性能要發生本質的變化的系統科學原理模糊或根本沒有，構成的供水系統的子系統間工作不協調，結構上是病態的，于是在供水系統整體層面上，不具備供水質量、安全性高和節能的結構屬性也就很自然了。
恒壓變頻無負壓供水系統中的作為變壓源的管網靜壓和在最不利用水點龍頭上的壓降、流量都是隨機變化的。而定壓變頻水泵在當量電路中是個恒壓變流源，它只能定壓地跟蹤系統隨及變化的流量，而無法跟蹤隨機變化的最不利供水點龍頭前供水壓力Ps3的變化。Ps3隨機變化是因為串聯接入水系統、并作用到整個水系統的管網靜壓P0和在最不利用水點龍頭上的壓降、流量都是隨機變化引起的。系統跟蹤流量變化而不跟蹤壓力變化的過程造成了實現供水系統結構上不節能、供水品質及安全性差的屬性。
找出了造成恒壓變頻無負壓供水系統結構上不節能、供水品質及安全性差的屬性的深層次原因，我們就可以從改變系統結構入手，使系統具有節能、供水品質及安全性高的結構屬性。具有節能、供水品質及安全性高的結構屬性的變頻供水系統結構有三種：
（1）從供水系統最不利用水點的龍頭前設置的壓力變送器Ps3處采集壓力信號，使變頻水泵跟蹤Ps3在（3～5）mH2 O范圍內變化，系統便可自動跟隨隨機因素變化引起Ps3的變化，系統的心臟變頻水泵在變壓變流量狀態、基本在最高效率工況運行；由于Ps3在（3～5）mH2 O范圍內變化，根據連通器原理，供水系統的所有龍頭的供水壓力在任何時間基本都在設計狀態運行，沒有大起大落的現象；同時可以充分利用管網靜壓P0，使系統真正達到節能、供水品質及安全性高的要求。但這要求系統的結構是全變頻，控制系統要無線組網，系統有造價高的缺點；
（2）利用軟件控制Ps3基本恒定，但依靠的數學模型是從測量參數的歷史數據綜合統計擬合出來的數學模型，達到的控制精度比較差，因而與方案（1）相比，節能、供水品質及安全性方面較差，但在控制系統的構成卻大大簡化，也便于舊系統的改造。這種系統的構成方案也要求水泵是全變變頻的。
（3）利用高位水箱，把用水系統水量劇烈變化的干擾和水泵高效供水運行隔離開來。要充分利用管網靜壓P0，供水系統的水泵也必須是全變頻的。
充分利用自來水供水管網供水壓頭達到供水系統大幅度節能效果的供水系統的三種結構方案都是切實可行的。但方案（1）和（2）構成系統里的水泵需要單獨承擔跟蹤劇烈隨機變化流量的任務，工況變化大，總體效率相對于方案（3）來說比較低。方案（3）構成的系統，水泵不承擔跟蹤系統劇烈隨機變化的流量的任務，變頻泵只是應對管網靜壓P0隨機變化的因素，相對來說比較簡單，水泵可以保持在較高效率運行，是三個方案中節能效果最好的方案。
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